本发明涉及船舶设计技术领域，特别是涉及一种用于大型集装箱船或集装箱滚装船等船型的压载舱透气溢流保护系统及其设计方法。
背景技术：
压载系统是船舶重要的管路系统之一，主要作用是根据船舶不同的货物装载情况，以压载水来调整船舶吃水以适应航行状态。为保证船只空载时正常吃水，压载舱应有足够大的舱容，即使对压载水依赖性较小的船型，如大型集装箱船，压载舱舱容也会占到全船舱容的10%~15%左右。
与散货船、油船等压载舱顶为上甲板（属露天甲板）的船型不同，大型集装箱船或集装箱滚装船的边压载舱一般顶为二甲板（低于露天甲板），结构吃水线也低于压载水舱顶。根据规范对空气管终止位置的要求,压载舱空气管头需布置在露天甲板，导致压载舱空气头（一般布置在上甲板或舱口围上450mm）与压载舱顶间距较大。根据规范要求，液舱结构强度的试验数值应取舱室能形成液面高度的最高值，即需校核至空气头高度，远远高于压载舱顶。
由于压载舱较高的结构强度，其对应的结构重量在空船重量中占有较大比例，这具有很大的改进空间。
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有技术的不足，设计出一种压载舱透气溢流保护系统及其设计方法。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种压载舱透气溢流保护系统的设计方法，具体包括以下步骤：
步骤1：布置透气溢流总管的走向；
步骤2：根据压载泵排量和压载注入管内径计算透气溢流总管和透气管的管径，根据计算结果选择对应管径的透气溢流总管和透气管；
步骤3：根据船舶舱体结构和压载舱的位置，将透气溢流总管安装在二甲板与上甲板之间的走道内，使透气溢流总管的安装高度高于二甲板通道水密门，在边压载水舱和底压载水舱的舱顶分别开设多个透气孔（根据计算需要设置相应数量透气孔）并在每个透气孔上均固定一根透气管，透气管的一端与透气孔相连通，另一端与透气溢流总管相连通；每根透气管与透气溢流总管的连接处均设置有浮球式止回阀，在透气溢流总管的首末端分别连接一根排舷外管；在排舷外管与透气溢流总管的交汇处固定溢流报警器，在每根排舷外管的出水口处分别安装板式止回阀和常开阀门；
步骤4：计算系统管路中最长溢流路径的压载水流的沿程阻力值p1和局部阻力值p2，根据沿程阻力值和局部阻力值获得总阻力值p，p=p1+p2，计算总阻力值所对应的阻力水柱高度h3；
步骤5：根据阻力水柱高度、压载舱的自身高度、透气管的顶点距二甲板的距离计算压载舱结构强度校核值h，所述压载舱结构强度校核值满足公式：h=h1+h2+h3，其中，h1为压载舱最高处舱顶的高度即二甲板距基线高度，h2为压载舱透气管顶点距二甲板的距离；
步骤6：将压载舱结构强度校核值与压载舱的常规结构强度值进行对比，得到压载舱的结构减重重量。
进一步地，所述步骤4中还包括步骤4.1：判断透气管的最高点至透气溢流总管的高度差是否大于阻力水柱高度，若大于，则拆除浮球式止回阀。
进一步地，所述压载水流沿程阻力值的计算公式为：p1=λ(l/di)[ρv2/(2g)]，其中，p1为压载水流的沿程阻力值，λ为管路摩擦阻力系数，l为透气管至溢流管排出端的长度，di为管子内径，ρ为流体密度，v为流体流速，g为重力加速度；
局部阻力值的计算公式为：p2=ζρv2/(2g)，其中，p2为压载水流的局部阻力值，ζ为管路附件局部阻力系数。
进一步地，所述边压载水舱舱顶的透气管与底压载水舱舱顶的透气管处于同一高度。
进一步地，所述透气管为鹅颈弯。
本发明的积极有益效果：
1、本发明通过设置压载舱透气溢流保护系统，能够防止压载舱过压，当压载舱满舱后继续往舱内注水时，过量的海水能够通过透气溢流保护系统排至舷外，能够防止舱内自由液面上升；在透气管与透气溢流总管的连接处设置浮球式止回阀，溢流至透气溢流总管上的海水就无法通过透气管进入任一压载水舱中，能够防止各压载舱通过透气溢流总管相互联通而对全船的稳定性产生不利影响。
2、将压载舱结构强度控制在透气溢流总管高度附近，大大降低了压载舱的结构强度，减少了船只的自重，同时可以大量减少压载舱透气帽数量，避免在主甲板厚板区开设较多的管孔。对于边压载舱顶位于二甲板而非露天甲板等类似构造的大型集装箱船或集装箱滚装船有着良好的减重效果。
3、通过在排舷外管与透气溢流总管的交汇处固定溢流报警器，能够提醒船员注入阀开启的压载舱均已满舱，应关闭压载泵，避免溢流水对船体结构造成损害。
附图说明
图1为本发明压载舱透气溢流保护系统的系统设计图。
图2为本发明的流程图。
图中标号的具体含义为：1为上甲板，2为二甲板，3为透气溢流总管，4为透气管，5为浮球式止回阀，6为溢流报警器，7为排舷外管，8为船艉部，9为边压载水舱，10为底压载水舱，11为板式止回阀，12为常开阀，13为基线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
结合图1说明本实施方式，本发明的压载舱透气溢流保护系统适用于船舶的压载水系统中，包括设置于二甲板下的边压载水舱和底压载水舱，分别设置在边压载水舱和底压载水舱舱顶的透气管，设置于二甲板与上甲板之间走道内的透气溢流总管，分别固定在透气溢流总管首末端的排舷外管；所述透气管的一端与边压载水舱或底压载水舱相连通，另一端通过浮球式止回阀与透气溢流总管相连通；所述每根排舷外管与透气溢流总管的交汇处均固定溢流报警器，每根排舷外管的出水口沿水流方向依次固定有板式止回阀和常开阀。
该溢流保护系统的设计方法，具体包括以下步骤：
步骤1：布置透气溢流总管的走向。
步骤2：根据压载泵排量和压载注入管内径计算透气溢流总管和透气管的管径，根据计算结果选择对应管径的透气溢流总管和透气管；
假设压载舱注入管内径为d1,透气管截面积需为注入管截面积的1.25倍，换算后，透气管注入管内径为：d2=1.118d1。
透气溢流总管内径d3，具体地，根据中国船级社规范要求，“每一舱柜溢流管的截面积，应不小于该舱柜注入管截面积的1.25倍。当多个舱柜共用一根溢流管时，则共用溢流管的横截面积至少应为其中两个舱柜中所需最大溢流管横截面积之和。”因此，透气溢流总管管径d3=1.414d2
步骤3：首先，根据船舶舱体结构和压载舱的位置，将透气溢流总管安装在二甲板与上甲板之间的走道内，使透气溢流总管的安装高度高于二甲板通道水密门，透气溢流总管的安装位置不应破坏舱体结构的完整性、也不能影响人员通行；
然后，在边压载水舱和底压载水舱的舱顶分别开设多个透气孔并在每个透气孔上均固定一根透气管，透气孔的个数根据计算需要具体设置，通常情况下，每个压载舱的舱顶开设有两个透气孔。在进行透气管安装时，要使边压载水舱舱顶的透气管与底压载水舱舱顶的透气管处于同一高度，本实施例中的透气管采用的是鹅颈弯，与溢流透气总管相连。透气管的一端与透气孔相连通，另一端与透气溢流总管相连通，压载舱可以正常透气至透气溢流总管；每根透气管与透气溢流总管的连接处均设置有浮球式止回阀，在透气管上设置浮球式止回阀，当管路阻力过大时，可以防止溢流至透气溢流总管上的海水通过透气管进入任一压载水舱中，从而隔绝各压载舱通过透气溢流总管相互联通而对全船的稳定性产生不利影响；
最后，为了减少流体流经的透气溢流总管的长度，在透气溢流总管的首末端分别连接一根排舷外管，这样压载舱内多余的海水就可优先从就近的排舷外管内排出；同时，在每根排舷外管的出水口处分别安装板式止回阀和常开阀门，在排舷外管与透气溢流总管的交汇处固定溢流报警器，当排舷外管中持续有水流经过时，溢流报警器就会进行报警，以提醒船员注入阀开启的压载舱均已满舱，应关闭压载泵。
步骤4：计算系统管路中最长溢流路径的压载水流的沿程阻力值p1和局部阻力值p2，根据沿程阻力值和局部阻力值获得总阻力值p，p=p1+p2，计算总阻力值所对应的阻力水柱高度h3；
所述压载水流沿程阻力值的计算公式为：p1=λ(l/di)[ρv2/(2g)]，其中，p1为压载水流的沿程阻力值，λ为管路摩擦阻力系数，l为透气管至溢流管排出端的长度，di为管子内径，ρ为流体密度，v为流体流速，g为重力加速度；
局部阻力值的计算公式为：p2=ζρv2/(2g)，其中，p2为压载水流的局部阻力值，ζ为管路附件局部阻力系数。
在计算出最长溢流路径的总阻力值时，还要执行步骤4.1：判断透气管的最高点至透气溢流总管的距离是否大于阻力水柱高度，若大于，则拆除浮球式止回阀。
步骤5：根据阻力水柱高度、压载舱的自身高度、透气管的顶点距二甲板的距离计算压载舱结构强度校核值h，所述压载舱结构强度校核值满足公式：h=h1+h2+h3，其中，h1为压载舱最高处的舱顶高度即二甲板距基线高度，h2为压载舱透气管顶点距二甲板的距离；
步骤6：将压载舱结构强度校核值与压载舱的常规结构强度值进行对比，得到压载舱的结构减重重量。
在本实施例中，我们采用某一大型箱船来具体说明本发明的压载舱透气溢流保护系统的设计方法。该大型箱船的部分参数如下：两柱间长l=330m；压载舱共9组，除艏艉压载舱仅分为左右舷2个外，其余每组均分为左右舷底压载舱及左右舷边压载舱4个。边压载舱顶为二甲板，距船舶基线23.01m；上甲板距基线30.24m；舱口围距基线33m。压载舱透气溢流保护系统中的压载泵的排量为1000m3/h，压载舱注入管的内径为dn250。按常规设计，每个压载舱首尾需要各设1个空气头，布置在舱口围上450mm处，距基线33.45m。
该大型箱船中，如不采用溢流保护措施，压载舱的设计载荷（即常规结构强度值）应为33.45m。
根据中国船级社2015版规范要求，由压载泵排量和压载舱注入管的内径，可以计算出透气溢流总管的通径为dn400。然后，将管径为dn400的透气溢流总管安装在二甲板与上甲板之间的走道内，透气溢流总管的初步布置高度为高于二甲板通道2.85米，再安装透气管、浮球式止回阀、排舷外管、溢流报警器、板式止回阀和常开阀。在压载舱的透气溢流管路安装完成之后，选取系统的最长溢流路径（即阻力最大的一路水流路径）进行阻力计算。本实例中，如图1所示，最中部的底压载舱至艏部溢流管的距离最远，管系阻力最大，见图1中的abcde管路。当底压载水舱满舱时，海水继续注入压载舱后，多余的海水通过abc段进入透气溢流总管，然后由路径较短的管路cde段排出排舷外管。
根据轮机工程手册，查到相关参数，可以对压载水流的沿程阻力值p1进行计算，详细计算表格如下：
根据表格可知，压载水流的沿程阻力值p1=0.00322mpa。
同样的，根据轮机工程手册，查到相关参数，压载水流的局部阻力值p2进行计算，详细计算如下：
根据表格可知，压载水流的局部阻力值p2=0.00367mpa。
因此，最长溢流路径abcde管路的总阻力值p=p1+p2=0.00689mpa≈0.0069mpa，相当于0.69m水柱。当总阻力值p大于透气溢流总管的设计压力时，就需要更换较大管径的溢流总管。如果透气管的最高点至透气溢流总管的距离大于阻力水柱高度（即bc段的鹅颈弯管长度大于0.69m）时，透气管与透气溢流总管之间就可以不设置浮球式止回阀，浮球式止回阀就可拆除了。
根据最长溢流路径abcde管路的总阻力值p、压载舱的自身高度以及透气管的顶点距二甲板的距离计算设置透气溢流保护系统后的压载舱结构强度校核值，即中部底压载水舱的结构强度校核值为20.4+3.2+0.69=24.29m。与不设置溢流保护系统的设计载荷33.45m相比，减少了约27%。
本发明通过设置压载舱透气溢流保护系统，能够防止压载舱过压，当压载舱满舱后继续往舱内注水时，过量的海水能够通过透气溢流保护系统排至舷外，能够防止舱内自由液面上升；将压载舱结构强度控制在透气溢流总管高度附近，大大降低了压载舱的结构强度，减少了船只的自重，同时可以大量减少压载舱透气帽数量，避免在主甲板厚板区开设较多的孔。对于边压载舱顶位于二甲板而非露天甲板等类似构造的大型集装箱船或集装箱滚装船有着良好的减重效果。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。