0 引　言

近10年来，全球邮轮游客数增长了2倍，邮轮经济已成为许多国际大都市经济发展的重要组成^[1]。2016年我国共接待邮轮1010艘，邮轮旅游出入境450万人次，分别同比增长61%和84%^[2]。《中国制造2025》指出“突破大型豪华邮轮设计建造技术是造船强国的重要标志之一”。

管系设计是船舶舾装设计的重要组成部分，管子的加工、安装、性能试验以及特殊零部件的制造约占轮机舾装工作量的45%，占造船总工作量的12%以上^[3]。该系统划分为油性舱底水系统（包括油性舱底水收集系统和油性舱底水处理系统）和主舱底水收集系统。主舱底水系统一般只有在破舱等紧急情况下才会使用，而日常排放舱底水必须依靠油性舱底水系统，故日用油性舱底水系统的设计显得尤为重要。

目前，国内外针对舱底水系统的研究主要集中在智能设计算法^[4]、规范解读^[5-6]、含油污水处理^[7]和给定管系的仿真、计算^[8-9]等方面。这些研究大多针对的是散货船、油船、小型客船等民用船型的主舱底水系统，鲜有文献涉及大型豪华邮轮油性舱底水系统的设计建造原理。因此，本文从船舶设计建造原理角度出发，以VISTA号邮轮为例，进行油性舱底水系统的设计技术研究。

1 油性舱底水系统布置 1.1 邮轮甲板布置规则

自底部至顶部，邮轮甲板布置分别为Deck DB，Deck C，Deck B，Deck A，Deck 0等。其中，Deck DB为双层底甲板的内底板。Deck C是除双层底外的最底层甲板，主机、辅机、发电机等重要机械、设备都安装在该层甲板。Deck B和Deck A为中间甲板。Deck 0为舱壁甲板，Deck 0以上为上层建筑甲板。

1.2 邮轮舱底水系统布置规则

对于豪华邮轮来说，多层甲板、多个舱室都需要布置舱底水系统。为使布置场景变小，模型变少，降低布置难度，方便不同设计、施工人员间的相互协作，需要对布置场景进行合理的划分。场景的划分实质上也在一种简化，常用的划分方法有2种^[10]，即按舱室划分和按空间层次划分。常用的划分方法是按空间层次划分，通常将一层甲板看作一个场景，取某一层甲板的底部作为布置平面。

与客船类似，邮轮舱底水系统主要布置在底层甲板，这也使得舱底水系统呈扁平树型结构^[11]，故本文采用按空间层次划分的方法进行油性舱底水系统设计。

1.3 油性舱底水系统收集系统布置

邮轮舱底水系统布置主要参考《船舶设计实用手册》^[12]、《意大利船级社规范》^[13]、《挪威船级社规范》^[14]和《SOLAS规范》^[15]。本文介绍油性舱底水收集系统布置。该系统主要集中在主要集中在Deck C，如图1所示。

1）舱底水舱的布置

舱底水舱布置在机舱附近，靠近船舯的位置。

2）日用油性舱底泵布置

日用油性舱底泵（这里选择往复泵）的布置遵循“就近原则”，即尽可能将泵布置在靠近舱底水舱的舱室内。

3）污水井布置

污水井主要分布在Deck C。这里将污水井分为2个等级，即1级污水井和2级污水井。1级污水井布置在主机、辅机、分油机、焚烧炉所在舱室，这些舱室内的舱底水吸口处均应设置泥箱（应急吸口除外），2级污水井分布在其他舱室。

4）管路布置形式

采用混合式的管路布置形式，即根据污水井等级将需要排水的舱室分为2组，油性舱底水总管1、油性舱底水总管2分别与日用油性舱底泵组（往复泵）连接。

5）舱底水吸口布置

舱底水吸口的数量及布置位置需要根据舱室所在甲板的倾斜程度确定。邮轮甲板向两舷升高，形成污水沟或安装有污水井，故每舷布置一吸口。邮轮舱底水吸口可分为支吸口和直接吸口（包括应急吸口），直接吸口只存在于主舱底水收集系统中，油性舱底水收集系统无需设置。特别地，减摇鳍舱和作为非永久性压载舱的深舱内亦需设置舱底水吸口，且压载舱内舱底水吸口需设置盲孔法兰。1级污水井对应舱底水吸口需设置泥箱，泥箱应设置在花钢板附件且易于接近，并引一直管至污水井或污水沟。2级污水井对应舱底水吸口需设置便于拆卸和清洗的滤网，滤网的流通面积应大于舱底水吸入管截面积的2倍。舱底水吸口布置如图2所示。

考虑到吸口的吸干能力，吸口与污水井底部或底板的间隙要尽可能的小，舱底水吸口几个尺寸如表1所示。

6）排岸布置

油性舱底水标准排岸接头布置在舱壁甲板以上，油污水国际通岸接头外径215 mm，内径按照管子外径，螺栓直径为22 mm的孔6个，法兰厚度20 mm^[16]。根据MEPC 187(59)和MEPC.1/Circ.753通函，标准排放接头的共用排放管路（如与油渣舱共用排岸管路）上应设置螺旋式止回阀。

7）应急布置

紧急情况下（如发生漏油事故），日用油性舱底泵可将含油舱底水泵入燃油系统的油渣舱。考虑到客船安全返港（SRtP）的要求，管道必须有一定的防火性能。

结合实船三维模型，可更加直观地展示油性舱底水系统的布置，如图3所示。

2 油性舱底水系统工作原理

在邮轮舱底水系统中，日用油性舱底水收集系统主要收集正常航行时产生的含油舱底水。不仅如此，在发生漏油等意外时，能够将油性舱底水排往油渣舱，以免污染海水。油性舱底水处理系统主要处理含油舱底水，使舱底水的含油量满足《MARPOL73/78公约》的排放要求，即排舷外舱底水的含油量不超过15 ppm。

图4和图5分别为油性舱底水收集系统和舱底水处理系统的工作原理图。其中，实线表示流通路径，虚线表示回流路径，箭头表示可能的流通方向。

2.1 油性舱底水收集系统

如图4所示，1级污水井内舱底水杂质较多，需通过装设泥箱的管路才能进入往复泵组。2级污水井、非永久性压载舱和减摇鳍舱内舱底水可通过带滤网的吸口直接进入往复泵组。

通常情况下，经过往复泵组抽吸的含油舱底水会排往舱底水舱。邮轮靠岸时，油性舱底水也会通过标准排岸接头排岸。特殊情况下，如机舱内出现漏油，往复泵可将油水排往重油的油渣舱，如果通往重油油渣舱的管路损坏，可将油水排往滑油的油渣舱。舱底水舱内的积水也可通过回流管路进入油性舱底水总管在往复泵组的作用下可排岸或进入燃油、滑油系统的油渣舱。舱底水缓存舱属于舱底水处理系统模块，该舱内的积水亦可流经油性舱底水总管排岸或进入燃油、滑油系统的油渣舱。

2.2 油性舱底水处理系统

如图5所示，当需要向外排放舱底水时，油水分离器自带泵组会抽吸舱底水舱或污水井内的舱底水，经油水分离后进入白箱（舷外舱底水分析仪）进行含油量监测或回流至舱底水舱。分离出来的废油排放到燃油系统、滑油系统（紧急情况下）的油渣舱或进入距离最近的污水井。白箱包含了所用重要的舷外排放监控设备并与GPS相连，所有重要的数据，如含油量、阀的开闭等都记录在数字记录仪中。这使得船员可以向相关机构，提交排放数据，证明操作符合要求。如果含油量达到排放标准，则排舷外。如果含油量未能达到排放标准，根据实际情况，排放到距离最近的污水井或回流至舱底水舱。油性舱底水处理系统具体布置如图6所示。

但是，若船舶在《MARPOL73/78公约》附则2中规定的特殊水域内航行，经油水分离器处理后的舱底水需要经过舱底水缓存舱、泵、舷内舱底水分析仪等部件后，才有可能进入白箱。舷内舱底水分析仪相当于“守门员”，对排舷外舱底水的含油量有着更加严格的标准。若舱底水含油量达到该标准，则进入白箱。若含油量未能达到该标准，根据实际情况，排放到距离最近的污水井或回流至舱底水舱、舱底水缓存舱。舱底水缓存舱内积水也可进入油性舱底水收集系统。

舱底水处理系统必须满足MEPC107（49）中的安装要求，包括在靠近油水分离出口的排液管垂直部分设置一取样点（如设置漏斗）。

3 油性舱底水系统设计参数计算 3.1 管路设计计算 3.1.1 管道内径

根据《意大利船级社规范》，舱底系统管道内径不小于50 mm且不大于100 mm。并且，机舱、轴隧等处所内管道内径不小于65 mm。

3.1.2 管道壁厚

$ t=\dfrac{{t}_{0}+b+c}{1-\dfrac{a}{100}}, $

(1)

式中： $ t $ 为基本壁厚，mm；b为弯曲附加余量，mm；c为腐蚀余量，mm；a为制造负公差（铜及铜合金管、冷拔无缝钢管及按船级社认可的焊接工艺制造的钢管，其当量为10。对于热层压无缝钢管，等于12.5。在其他情况下须经船级社特别考虑）。

基本壁厚 $ {t}_{0} $ 可按下式计算：

$ {t}_{0}=\frac{pD}{2Ke+p} 。$

(2)

式中：p为设计压力，MPa。舱底水管路工作压力约为2.5～3.5 bar，最高工作压力约为6 bar。特别地，与船体连接管道的最大工作压力约为16 bar； $ D $ 为管外径，mm；e为焊接有效系数，对于无缝管和根据船级社批准的焊接工艺制造的管道，等于1，其他方法制造的管子，e值另行考虑； $ K $ 为钢管许用应力，N/mm²，具体数值参考《意大利船级社规范》。

弯曲附加余量b可按下式计算：

$ b=0.4\frac{D}{R}{t}_{0}。$

(3)

式中：R为弯曲半径，mm，通常R不小于3D，当弯曲半径未知，可令R=4D；D为管道外径，mm； $ {t}_{0} $ 为基本壁厚，mm。

根据文献[7]，由于舱底水的理化性质非常接近海水，故钢管可参考《意大利船级社规范》part C部分中海水管系的腐蚀余量，即钢管取3 mm，铜管取0.8 mm，铜镍合金取0.5 mm。

在各大船级社规范中，舱底水系统管径的计算公式只能得到管道的内径，而在计算壁厚时需要已知管道外径。与此同时，要计算管道外径又需要已知管道壁厚，这是不合理的。因此，本文重新推导了舱底水系统管道壁厚的计算公式。

首先引入管道内径、外径、壁厚之间关系：

$ D=d+2t。$

(4)

式中：D为管道外径，mm；d为管道内径，mm；t为管道壁厚，mm。

将式（4）代入式（1）并进行适当变换，得到直管段最小壁厚 $ {t}_{l} $ 计算公式。在仅知管道内径的情况下，通过式（5）可直接计算得到管道最小壁厚。

$ {t}_{l}=\dfrac{\dfrac{pd}{2Ke+p}+C}{\dfrac{100}{100-a}-\dfrac{2p}{2Ke+p}} 。$

(5)

弯管最小壁厚 $ {t}_{b} $ 可按式（6）计算。

$ {t}_{b}=\dfrac{\dfrac{11pd}{20Ke+10p}+C}{\dfrac{100}{100-a}-\dfrac{22p}{20Ke+10p}}。$

(6)

《意大利船级社规范》part C部分对最小名义壁厚有着明确的规定。因此，实际管道壁厚取最小计算壁厚和最小名义壁厚中的较大者。

3.2 机械、设备设计计算 3.2.1 舱底水舱

当P $\leqslant 1\ 000$ 时：

$ V=4 ，$

(7)

$ 1\ 000\leqslant $ P $ \leqslant 20\ 000 $ 时：

$ V=\frac{P}{250} ，$

(8)

P $ \geqslant 20\ 000 $ 时：

$ V=40+\frac{P}{500} 。$

(9)

式中：P为主机功率，kW；V为舱底水舱容积， ${{\rm{m}}}^{3}$ 。

3.2.2 油水分离器

根据《挪威船级社规范》，油水分离器排量与船舶总吨位的关系如表2所示。

3.2.3 油性舱底泵

油性舱底泵的数量及排量根据工程实际来确定，泵的流量确定后，首先要保证最不利位置吸口（如最远端吸口）能够正常工作，故以该吸口及其与泵的连接管路为对象，计算该泵的最小扬程。

泵的扬程可按下式计算：

$ {H}_{D}=（{Z}_{2}-{\mathrm{Z}}_{1}）+\frac{{p}_{2}-{{p}}_{1}}{\mathrm{\rho }\mathrm{g}}+\frac{{{v}}_{2}^{2}{-{v}}_{1}^{2}}{2\mathrm{g}}+{h}_{v} 。$

(10)

式中： $ {H}_{D} $ 为泵的扬程，m； $ {Z}_{1} $ 和 $ {Z}_{2} $ 分别为泵的吸入液面和排出端液面相对高度，m； $ {p}_{1} $ 和 $ {p}_{2} $ 分别为泵的吸入液面端和排出端液面压强，Pa； $ {v}_{1} $ 和 $ {v}_{2} $ 分别为泵的吸入端和排出端液面流体的平均流速，m/s； $ {h}_{v} $ 为泵的吸入端和输出端之间的能量损失，m；

对于最不利情况下舱底水流经管路，令其管子弯头数为 $ {S}_{1} $ ，分流、汇流三通接管有 $ {S}_{2} $ 处，进口和出口数量总和为 $ {S}_{3} $ ，阀件数为 $ {S}_{4} $ ，其他管路附件数为 $ {S}_{i} $ ，总共有n种类型的管路附件。某特定长度和内径的直管数为 $ {Z}_{i} $ ，共有m种类型的直管。

最不利情况下管路总阻力损失为：

$ {h}_{v}=\sum _{1}^{n}{S}_{i}{h}_{ji}+\sum _{1}^{m}{Z}_{i}{h}_{fi} 。$

(11)

式中： $ {h}_{fi} $ 为沿程阻力损失，m； $ {h}_{ji} $ 为局部阻力损失，m。

1）沿程阻力损失

粘性流体在管路中流动时，由于各流体微团或流体层之间以及流体与管壁之间的摩擦引起的能量损失称为沿程能量损失，简称沿程损失。

$ {h}_{f}=\frac{\lambda l{v}^{2}}{2gd}=\frac{8\lambda l}{{{\text{π}} }^{2}g{d}^{5}}{Q}^{2} 。$

(12)

式中： $ {h}_{f} $ 为沿程水头损失，m； $ \lambda $ 为沿程阻力系数，m； $ Q $ 为流量， ${{\rm{m}}}^{3}/s$ ； $ l $ 为管路的长度，m； $ g $ 为重力加速度， ${\rm{m}}/{{\rm{s}}}^{2}$ ； $ d $ 为管道内径，m； $\ \rho $ 为密度， ${\rm{kg}}/{{\rm{m}}}^{3}$ ； $ v $ 为流速，m/s。

沿程阻力损失系数 $ \lambda $ 有2种计算方法，一种是根据雷诺数 $ Re $ 和管道内部的相对粗糙度，参考莫迪图得出。另一种是直接根据勃拉休斯和尼古拉兹的经验公式，计算得到沿程阻力损失系数 $ \lambda $ 。其中，勃拉休斯和尼古拉兹的经验公式是基于试验数据得出的计算公式，可利用计算机快速计算，计算结果具有一定的参考价值。根据莫迪图得出的计算结果比较贴近实际工业管道，较为准确，但是很难找到固定计算公式，每次计算都需要查表，计算繁琐。

沿程阻力损失系数 $ \lambda $ 一般在0.02～0.04之间，根据2种方法计算得到的结果差异很小。为使计算方便，优先选用勃拉休斯和尼古拉兹的经验公式。

当 $ Re\leqslant 2\;130 $ 时，流体处于层流状态，采用勃拉休斯沿程阻力系数可以表示为：

$ \lambda =\frac{64}{Re}。$

(13)

当 $2\;130\leqslant Re\leqslant 100\ 000$ 时，采用勃拉修斯公式，即沿程阻力系数可以表示为：

$ \lambda =\frac{0.316\ 4}{{Re}^{0.25}}。$

(14)

当 $ 100\ 000\leqslant Re\leqslant 3\times {10}^{8} $ 时，采用尼古拉兹公式，即沿程阻力系数可以表示为：

$ \lambda =0.003\ 2+0.221\times {Re}^{-0.2}。$

(15)

2）局部阻力损失

流体流经各种局部障碍如阀门、弯头、变截面管等时会产生局部损失。单位重力流体的局部损失称为局部水头损失，用 $ {h}_{j} $ 表示。

$ {h}_{j}=\frac{\xi {v}^{2}}{2g}。$

(16)

式中： $ {h}_{j} $ 为局部水拓扑损失，m； $ \xi $ 为局部阻力系数，m ； $ v $ 为流速，m/s； $\ \rho $ 为流体密度，kg/m³； $ g $ 为重力加速度，m/s²。

局部损失系数 $ \xi $ 的大小,主要与附件内部流体流通通路的几何形状有关,而且均通过大量试验求得，可参考《船舶设计实用手册》。

3.3 计算实例

以VISTA号邮轮为例，进行油性舱底水系统设计计算。邮轮主要参数如表3所示。

3.3.1 管径与壁厚

市面上很难获取与管道内径计算值相同的管件，故实际管径可参考相关国家标准^[17-18]，但不应小于计算值5 mm。为了安装方便、节约成本，通常需要尽可能减少管径类型的数量，即理想情况下只需要使用一种管径类型的标准管件。

对于主舱底水收集系统，可参考《意大利船级社规范》公式计算各舱室内舱底水系统的管道内径与壁厚。对于油性舱底水收集系统，考虑工程实际，统一选择DN65的标准铜合金管，部分隔离空舱可选择DN50的标准铜合金管。对于油性舱底水处理系统，根据实际情况和管路所连接的机械、设备来选择管径。

3.3.2 舱底水舱

根据式（9），代入表3数据，计算得舱底水舱容积为106 m³。由于邮轮采用的是MEPC642中的综合舱底水处理系统（IBTS），故舱底水舱的容积可适当减小，初选舱底水舱容积为89 m³。

3.3.3 油水分离器

根据表2，初选油水分离器处理量为5 m³/h。据统计^[19]，阿拉斯加东南部的邮轮每24 h产生5～20 m³的含油舱底水。假设油性舱底水的产生量为30 m³/d，规定油水分离持续工作时间为3 h（工程实际中持续工作时间一般不超过6 h），这将至少需要2台油水分离器同时工作才能在规定时间内将当日产生的舱底水全部处理。考虑到冗余设计，初选3台油水分离器。

3.3.4 油性舱底泵

1）油性舱底水收集系统

根据污水井的分级（1级污水井和2级污水井），设置2台日用油性舱底泵。另外，考虑到冗余设计，共需要3台日用油性舱底泵。

日用油性舱底泵在必须在合适的时间内将污水井或部分舱室内的积水全部排放到舱底水舱。但是，在同样的工作条件下，选择小流量泵会导致泵的工作时间过长，不能及时完成抽吸。选择大流量泵将造成极大的功耗和巨额的运营成本，经济性差。因此，参考阿拉斯加东南部邮轮的数据，假设油性舱底水的产生量为30 m³/d，规定泵持续工作时间为1.5 h，计算得日用油性舱底水泵的流量为20 m³/h。

油性舱底水收集系统使用的是往复泵，通过挤压作用吸排液体，故其扬程与流量无关，只取决于所在系统的管路特性。理论上，往复泵的扬程可以任意高。舱底水系统中的往复泵只需将舱底水排出舷外即可，对其扬程要求不高，故泵的扬程在20～35 m范围内即可。

2）油性舱底水处理系统

除油水分离器自带泵组外，需要设置1台离心泵将舱底水缓存舱内积水排舷外。考虑到冗余设计，共需要2台离心泵。

离心泵的排量可根据油性舱底水的产生量确定。参考阿拉斯加东南部邮轮的数据，假设油性舱底水的产生量为30 m³/d，规定泵持续工作时间为1 h，这就要求泵的流量为30 m³/h。

离心泵的扬程与流量有关，在给定设计流速为2 m/s的情况下，结合式（10），计算得离心泵的最小扬程约为19.7 m，故初选离心泵扬程为30 m。

4 结　语

本文基于船级社规范及相关参考文献总结了邮轮油性舱底水系统设计建造原理，以VISTA号邮轮为例，阐述了油性舱底水系统的布置、工作原理、相关参数设计计算方法及计算结果，验证了设计的合理性。但是，船级社规范较为宽泛，大部分设计细节必须依靠工程实际经验，油性舱底水管路系统详细设计还不是很全面，需要进一步完善。