Sistema di zavorra: scopo, fasi di funzionamento e criticità

Lo scopo principale di un sistema di zavorra è quello di assicurare un galleggiamento stabile nel caso in cui la nave si trovasse a svolgere il proprio esercizio in assenza di carico pagante, fondamentale specialmente per quelle navi che presentano una considerevole differenza di galleggiamento tra la condizione di pieno carico e quella di nave vacante. Pertanto, un impianto di zavorra risulta essere particolarmente importante per tutte quelle navi che presentano un rapporto tra la portata lorda e il dislocamento a pieno carico molto elevato.

Un impianto di zavorra provvede ad imbarcare/sbarcare acqua di mare essenzialmente nei/dai doppi fondi della nave. Ciò non toglie che al fine di garantire un’adeguata stabilità potrebbe essere necessario zavorrare anche alcune stive della nave (heavy ballast), generalmente si zavorrano in modo alternato e prediligendo le stive centrali per evitare problematiche legate alla torsione, oppure delle altre casse apposite poste nella parte alta, le flying wings. Tuttavia questa ultima soluzione deve essere valutata con attenzione, in base alla tipologia e funzionalità della nave, in quanto la caricazione di queste casse alte può portare ad un’elevazione del baricentro pericolosa nei confronti della stabilità.

Le tre fasi di un sistema di zavorra: carico, scarico e completo svuotamento della cisterna

Per quanto detto, l’impianto di zavorra risulta essere un impianto bidirezionale, in quanto deve poter riempire i doppi fondi quando la nave viaggia scarica o durante la fase di scarico del carico pagante e viceversa deve poter svuotare gli stessi quando il carico è presente a bordo o durante la fase di caricazione. A causa della bidirezionalità del sistema non è possibile avere la pompa sempre vicino al punto di prelievo (come invece ci si auspicherebbe) poiché quest’ultimo varia a seconda della funzione che è chiamato a svolgere il sistema.

La pompa è posta vicino alla sea chest (cassa mare), motivo per cui durante la caricazione non si incorrerà in particolari problemi di cavitazione poiché il tratto di aspirazione tra cassa e pompa è breve, e quindi non si avranno perdite di carico eccessive; di contro, in fase di scarico, se il piping che collega pompa e doppi fondi non è adeguatamente dimensionato, potrebbero insorgere problemi di cavitazione poiché si avranno tratti di aspirazione molto lunghi.

Locali generalmente adibiti alla zavorra

Dunque si evince che la condizione più pericolosa prevedibile per un impianto di zavorra è quella relativa alla fase di scarico. Inoltre, la fase di scarico risulta essere critica nei riguardi della cavitazione non solo per le perdite di carico elevate (problema questo aggirabile mediante l’adozione di opportuni diametri del piping) ma soprattutto perché adoperando lo svuotamento di una cassa si va incontro, inevitabilmente, ad una graduale riduzione dell’NPSH,A.

Infatti, qualsiasi sistema adoperato per lo svuotamento di una cassa obbligatoriamente si troverà a lavorare, da un certo punto (cioè quando le casse sono quasi completamente svuotate), in un regime di cavitazione. Per cui, prevedendo tale regime di funzionamento o si proporzionano le pompe in modo più robusto (come avviene nel caso del sistema di sentina) pagando però lo scotto di avere basse efficienze e quindi, basse portate, oppure, come si fa proprio per l’impianto di zavorra, si arrestano le pompe nel momento in cui sta per insorgere la cavitazione e si completa l’operazione di svuotamento mediante un altro sistema; tale ultimo sistema detto di stripping prevede l’adozione di un componente chiamato eiettore (in figura) che per poter svolgere l’aspirazione dell’acqua dai doppi fondi deve essere accoppiato ad una pompa centrifuga.

Schema rappresentante uno eiettore

Invece, per quanto riguarda la fase di carico della zavorra si avrà che questa avviene in due diverse fasi: una prima fase in cui sarà possibile effettuare il riempimento dei doppi fondi senza azionare le pompe di zavorra ed una seconda fase in cui il riempimento delle casse è eseguito con l’ausilio delle suddette pompe.

Infatti, più nello specifico la fase di caricazione della zavorra avviene simultaneamente alla fase di scarico del carico pagante, pertanto, in una prima fase la nave risulterà avere un galleggiamento massimo (poiché la maggior parte del carico pagante è ancora a bordo) e quindi basterà aprire le aperture delle prese mare per poter consentire all’acqua di fluire verso i locali interni. In questa prima fase, quindi, si avrà una velocità abbastanza elevata del fluido pari a 𝑤=√2𝑔𝐻 essendo 𝐻 molto elevata (distanza verticale tra pelo libero mare e apertura scafo) e quindi portate elevate.

Successivamente, poiché il carico sarà scaricato più velocemente di quanto non si carichi acqua di zavorra, allora la nave emergerà, per cui 𝐻 diminuirà e con essa anche la velocità 𝑤, nonché la portata. L’acqua in questa fase continuerà ad entrare nei doppi fondi, essendo questi posti sottobattente ma lo farà troppo lentamente. Pertanto, per agevolare la fase di riempimento dei locali da allagare si azionano le pompe di zavorra entrando quindi nella seconda fase di caricazione.

Ovviamente la fase di caricazione della zavorra avviene in maniera settoriale, ovvero solo quando una cassa sarà riempita a tappo si provvederà al riempimento della successiva. Tale accortezza si rende necessaria per evitare la formazione di più specchi liberi, pericolosi per la stabilità.

Quali sono i fattori che influenzano la scelta delle pompe e del piping a servizio di un sistema di zavorra?

La bidirezionalità del sistema non implica che la pompa asservita debba poter girare in entrambi i versi, infatti, la fase di scarico e carico saranno eseguite sfruttando un unico verso di rotazione della pompa centrifuga ma con configurazione di impianto differente. Inoltre, per un impianto di zavorra non è pensabile pagare in termini di bassa portata poiché dalla velocità di caricazione e scarico delle casse dipende la permanenza in porto di una nave.

Da tali considerazioni si evince che le pompe di zavorra devono poter manipolare portate elevate in tempi brevi, cosa che le rende idonee anche a lavorare in situazioni emergenziali; Ragion per cui vengono usate in caso di emergenza al servizio dell’impianto di sentina attraverso un’interconnessione.

Come già accennato, il completamento dello svuotamento della cassa avviene tramite un sistema di stripping. Questo manipolerà portate molto più piccole rispetto a quelle gestite dall’impianto di zavorra. Di tale aspetto si dovrà necessariamente tener conto quando si deciderà il diametro delle condotte del sistema di zavorra, poiché da esso dipenderà l’instaurarsi, prima o dopo, del regime di cavitazione e quindi da esso dipenderà il momento di avvio del sistema di stripping stesso.

In altre parole, se si scegliesse un diametro delle condotte di zavorra troppo piccolo allora in tal caso si raggiungerebbe più velocemente la condizione di cavitazione rispetto a se fosse stato scelto un diametro più grande; motivo per cui, in tale situazione, si avrebbe prima l’arresto delle pompe di zavorra con il conseguente avvio anticipato del sistema di stripping (rispetto a se fosse stato scelto un diametro più grande). Pertanto, in tale circostanza le casse di zavorra risulteranno completamente svuotate in un tempo maggiore.

Testo a cura di Ilenia Paparo