P108 完成版
2016/3 月

P-45 バラスト管装置設計基準( JSDS-10 造船艤装設計基準
造船艤装設計基準/第 1 回改定版 )2016 年 3 月
公益社団法人日本船舶海洋工学会
社団法人日本船舶海洋工学会
造船設計・生産技術研究会
造船設計部会 編1

まえがき
昭和 46 年（1971 年）に「JSDS-10 造船艤装設計基準(10) バラスト管装置設計基準」の発行以
来、 見直しが行われていなかった。 その後の船舶をとりまく環境の変化、規則改正等により実際の艤装設計の内容にそぐわない項目が複数見受けられていた。
今回の改定では、それらの項目を全面的に改定した。
一方、2004 年に IMO で採択された「バラスト水管理条約」により、今後の建造船ではバラスト水処理装置の装備が必要となるので、今回追記した。
また、設計者の参考用に、過去に発生したバラスト操作中の損傷事例を紹介した。
これから、バラスト管装置を勉強しようと思う技術者にとって、実際の設計に役にたつ基礎知識をできるだけわかりやすく記載したつもりである。 また、艤装設計のベテランの方々にも、ご自分の知識の整理に役立てていただければ幸いである。

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日本船舶海洋工学会 造船設計・生産技術研究会 造船設計部会 委員名簿 (平成 28 年 3 月現在)
委員名
◎ 部会長 荒井 誠
顧問
顧問
顧問
委員

井上 義行
細田 龍介
福地 信義
大和 裕幸

委員
委員
委員
幹事幹事

田中 進
長谷川 和彦
田中 太氏
東 英一
松本 起宜

委員
＊ 委員
＊ 委員

金湖 富士夫
岸本 研一
稲垣 秀彦

委員
委員
＊ 委員

中村 千春
高木 圭一郎
山田 英城

委員

山﨑 英司

委員

加藤 恒司

委員
委員
○ 委員

出川 雄一郎
中桐 裕明
阿部 三十六委員
委員

津上 由紀夫
大黒 克伸

＊ 委員

野村 明宏

委員
委員

丸田 康貴
大橋 徹也

所属
横浜国立大学 大学院 工学研究院
海洋空間のシステムデザイン教室 教授
横浜国立大学 名誉教授
大阪府立大学 名誉教授
九州大学 名誉教授
東京大学 理事・副学長（兼 大学院 新領域創成科学研究科 人間環境学専攻 教授）
広島大学 大学院 工学研究科 輸送・環境システム専攻 准教授
大阪大学 工学部 船舶海洋工学教室 教授
九州大学 大学院工学研究院 海洋システム工学部門 准教授
三菱重工業(株) 交通･輸送ドメイン 船舶･海洋事業部 長崎技術部 次長
ジャパン マリンユナイテッド(株) 商船事業本部 基本設計部
船装グループ グループ長
海上技術安全研究所 海洋リスク評価系 系付上席(一財)日本海事協会 船体部 主管
住友重機械マリンエンジニアリング(株) 製造本部
船装設計Ｇ 主任技師
ジャパン マリンユナイテッド(株) 呉事業所 設計部
船装設計グループ グループ長
佐世保重工業(株) 設計部 船装設計課 課長
ジャパン マリンユナイテッド(株) 商船事業本部 基本設計部
船装グループ 主査
三菱重工業(株) 交通･輸送ドメイン 船舶･海洋事業部 長崎技術部
艤装設計グループ 主席技師
川崎重工業(株) 船舶海洋カンパニー 技術本部
造船設計部 船装設計第二課 課長
サノヤス造船(株) 技術本部 船舶設計部 船装設計課 課長
三井造船(株) 船舶艦艇事業本部 艦船設計部 船装設計課 課長[旧所属] 三井造船(株) 千葉事業所 船舶･艦艇事業本部 船舶設計部
船装設計課 課長(株)名村造船所 伊万里事業所 設計本部 参事
ジャパン マリンユナイテッド(株) 有明事業所
設計部 船装設計グループ グループ長
三菱重工業(株) 交通･輸送ドメイン 船舶･海洋事業部
下関技術部 船装設計課 課長(株)大島造船所 設計部 船装設計課 主任
川崎重工業(株) 船舶海洋カンパニー 技術本部
基本設計部 基本計画第一課 主事◎ P108「バラスト管装置設計基準の見直し」研究委員会 委員長○ 同 委員会リーダー＊ 討議参加 及び 執筆担当
＊ (一財)日本海事協会 材料艤装部 技師 久村 洋輔＊ 住友重機械マリンエンジニアリング(株) 製造本部 設計部 船装設計Ｇ 岸本 大輔＊ 三井造船(株) 船舶艦艇事業本部 船舶設計部 船装設計課 田中 大輝
3

目
第１編
MES

概要

次・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・5

第２編 バラストタンクの構成と配置 ・・・・・・・・・・・・・・・6

JMU

第３編 バラスト管装置設計の手順 ・・・・・・・・・・・・・・・ 7

MHI

第４編 バラスト管系統図 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・8
JMU

第５編 バラスト管径および注排水時間の計算法 ・・・・・・・・・・10
第６編

弁の選定

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・15

SHI

第７編 バラストポンプおよびエダクタ ・・・・・・・・・・・・・・16
MHINK

第８編 バラスト水処理装置について ・・・・・・・・・・・・・・・18
第９編 バラスト操作中の損傷事例と設計上の注意点 ・・・・・・・・・20

MES

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第１編

概要

1.1 対象船舶
本書で取り扱う対象船舶は、総トン数 500 トン以上の貨物船を想定している。

1.2

バラストの目的

船舶では航海中はもちろん、停泊中・荷役中でも船体の復原性を保たなければならない。
空船状態で航海するときは、経済的に航海するため、できるだけ排水量を少なくし喫水を浅くして船速を増すことが望ましい。
しかし、あまり喫水を浅くすると推進器や舵が水面に出て推進器効率・舵効率が低下し、ひいては船体振動・スラミング・プロペラレーシングなどの発生原因となる。 また、GM は過大となってローリング周期は短くなり、乗り心地が悪くなる。さらに風圧面積も大となるため転覆する危険も生じてくる。
船尾機関船の軽荷状態では、海水バラストを搭載しなければ船首船底が水面上に出るほど船尾トリムを生じ航行不能となる。
さらに波浪や積荷による過大曲げモーメント・過大剪断力・共振を防止し、港湾の水深、ローダーの高さによる喫水の制限、荷役中のトリムの調整などの船体調整が必要である。
このように船舶は、航海状態・積荷状態・出入港する港湾の事情・その他種々の状況に応じてそれぞれ適切な排水量・喫水・トリム・GM などを迅速に確保するため、船体の適当な個所にバラストタンクを配置し、このタンクに海水バラストを注排水する。
以上、バラストの主な目的をまとめると次のとおりである。
(1) それぞれの状況に応じて適切な排水量・喫水・トリムの保持(2) 適切な GM とし、適当な復原力の保持(3) 過大曲げモーメント・過大剪断力の軽減(4) 船体振動の減少
上記の目的のためのバラストには、海水バラストのほかに固定バラスト(棒鋼・銑鉄・砂・砂利・コンクリートなど〉を船底に搭載することもあるが、本書では海水バラストについて記述する。
海水バラストをタンクに注水することをバラスティング(BALLASTING)、排水することをデバラスティング(DEBALLASTING) という。

5第2編

バラストタンクの構成と配置

2.1 船種によるバラストタンクの構成と配置

バラストタンクは船種に適応するように構成されている。船首尾のバラストタンクは船種によっても共通であるが、中央部のバラストタンクの配置は船種によって異なるのでこれについて記述する。

図 2－1

図 2－3

タンカーの中央断面

ばら積み貨物船の中央断面

6

図 2－2

鉱石運搬船の中央断面

図 2－4コンテナ船の中央断面

第3編
3.1バラスト管装置設計の手順

バラスト管設計の条件

バラスト管設計の条件は 1.2 の「バラストの目的」で述べたようなそれぞれの状況に応じて、予定した時間内に予定したバラストタンクへ注水あるいは船外へ排水できるようにすることである。
したがって(1) バラストタンクの容量・配置・用途(2) 予定注排水時間(3) バラストポンプの容量・台数の 3 項目が、バラスト管設計の基本条件となる。
また、装置として建造・保船とも経済的で、かつ、完全な操作が得られ修理が容易であることは当然必要とされる。
3.2

バラストタンクの容量・配置・用途の確認

一般配置および建造仕様書の決定した段階ではバラストタンクの配置は決っているが、バラストタンクの用途はいろいろあるので、これらの点を確認してバラスト管を設計しなければならない。とくに通常航海 (Normal Ballast Voyage) に用いる常用タンクとヘビーバラスト航海 (Heavy Ballast Voyage) のみに用いる非常用タンクとは分けて考えねばならない。
3.3

バラストポンプの決定

注排水時間に一番大きく影響するのはバラストポンプの容量である。
注排水時間が決定されている場合にはバラスト計算によりポンプ容量も決定できる。
しかし、一般には実績等を参考にして決められている。
なお、バラストポンプの流量は比較的簡単に決められるが、水頭は各船の管系統・管径により変ってくるので必ず確認しなければならない。
3.4

弁および弁操作の決定

一般にバラスト管に用いられる弁は玉形弁・アングル弁、仕切弁、バタフライ弁の 3 型式であり、それぞれ手動または動力で操作される。
3.5

管径および管材質の決定

管径決定の際、一番要点となるのは何個のバラストタンクを同時に注排水するかということで、これによって管径は大きくことなってくる。
いたずらに安全・余裕設計をすることなく、用途・実状をよく検討して経済性も考えて管径を決定しなければならない。
7

第4編

バラスト管系統図

4.1 タンク部ダイヤグラム
マニホールド方式

メインライン方式

8リングメイン方式

ダクトキール方式

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第5編

バラスト管径および注排水時間の計算法

図 5－910記号の説明5.1

基礎理論(1) ポンプ性能曲線との近似式
ポンプを一定回転数で運転すると、ポンプの性能曲線は二次式で近似される。

(2) 管系の損失抵抗の関係式
管系の損失抵抗には直管部の摩擦損失と弁、エルボ、オリフィスなどによる形状損失がある。それらの一般式は次式で表わされる。

(3) ポンプの吐出量(Ｑ )と全揚程( Ｈ T)および NPSHre との関係式(イ)

ポンプの吸込側タンクに流体が十分あり、 ポンプが NPSHre 曲線に支配されないとき、全揚程(Ｈ T)の一般式は次式で表わされる。

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(ロ) ポンプの吸込側タンクに流体が減少してポンプの吐出量が NPSHre 曲線に支配されるとき、NPSHav の一般式は次式で表わされる。

(ハ) その他の関係式(4) 任意時間 ｔ における実揚程(Ｈ t)の式は(5,23)式で示される。

5.7

バラスト注水時間の計算例
ここではタンカーのバラスト注水時間についてシミュレーション計算例を示す。
計算するにあたってトリムを含めると複雑化するため、トリム無しの状態とする。
(1) 対象タンク(2) インプットデータの要目
12シミュレーション計算でインプットする主要なデータを以下に示す。

(3) 計算結果
シミュレーション計算の結果を、以下に示す。

13

14

第6編

弁の選定

各弁の性能等について資料をのせる。
バラスト管に用いられる弁は、普通玉形弁・アングル弁・仕切弁およびバタフライ弁である。また、トップサイドタンクの排水弁としてサーフェス弁を用いることがある。
一般に口径が小さい管(100～150φ以下)には玉形弁またはアングル弁を用い、口径が大となると仕切弁またはバタフライ弁が用いられる。
仕切弁は損失抵抗が小さく、また漏洩の点で信頼性が高い。しかし仕切弁は重量・寸法・操作トルクが大きいため、口径が 400φ以上の弁にはほとんどバタフライ弁が用いられている。
バタフライ弁は、構造上、漏洩やライニングの剥離等の事故が過去に生じたが、現在はこれらは改良されている。
弁の重量・寸法の比較を図 6-1～図 6-2 に表わした。

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第7編

7.1

バラストポンプおよびエダクタポンプ

ポンプは次の 3 つに大別される。すなわち、往復動ポンプ(Reciprocating pump)・回転ポンプ(Rotary pump)・遠心ポンプ(Centrifugal pump)である。
7.1.1

往復動ポンプ(Reciprocating pump)

船用往復ポンプの使用分野は次第に少なくなってきたが、小容量、高圧に適すること、吸入性能が良いこと、さらに後で述べるように吐出圧力の変動に対して吐出容量がほとんど変らないので、特殊用途に用いられる。
7.1.2

回転ポンプ(Rotary pump)

回転ポンプは往復動ポンプと同じく、容積式ポンプ(Positive displacement pump)で、ポンプの内部で漏洩を最少限度に保つシールラインをもっている。したがって、このポンプの原理としては、シールラインを境として一方が吸入圧、他方が吐出圧になっていて、シールラインの移動により液を押し出していくものである。
（1）ギアポンプ(Gear pump)
最も簡単なロータリーポンプで 2 個～数個の歯車がかみ合いながら回転し、歯がポンプ吸入側で分れ時に液体でそのスペースを満す。液は、ケーシング内面と 2 枚の歯に囲まれて、吐出側に送られて、ここで歯が再びかみ合うので液は吐き出される。
（2）ネジポンプ(Screw pump)
このポンプには 1 本ないし 3 本のスクリュー・ロータがあり、ロータが回転すると液はスクリューのネジの間のスペースを満たし、かみ合いのシールラインが移動するにつれて軸方向に吐出される。
7.1.3

遠心ポンプ（Centrifugal pump）

水を旋回して遠心力を与え、その速度のエネルギーを利用して送水するもので、インペラを満水してケーシング内で回転し、放出した水は渦形室でこれを集め吐出管へ送水する。
外方へ水を放出するために羽根車の中央部に局部真空ができて、吸水管内の水を連続的に吸入する。
遠心ポンプは大容量の吐出が可能であり、脈動現象がなくまた、小型で効率も高く多段になると高揚程を出すので、船用ポンプとして多く用いられている。

167.2エダクタ

エダクタは駆動水（driving water）が吸込口周りに作る負圧により液を吸入し、吐出するもので、船用としてはポンプと同じく、ウォーターバラストタンク等のストリッピング手段として、またはビルジ等の排出用として、さらにバラストポンプにかわって船首水艙のバラスト排水の手段として使われる。
エダクタの駆動水は消防ポンプ*・雑用水ポンプ・バラストポンプ・ビルジポンプ・バタワ
ースポンプ等より得られる。

17第8編

バラスト水処理装置について

バラスト水管理条約附属書の規則 D-2 に規定される水質基準は表 8-1 の通りである。
表 8-1

バラスト水の排出基準
対象生物のサイズと種類

規則 D-2 における排出基準50μ m 以上

10 個/m3 未満

10μ m 以上 50μ m 未満

10 個/mℓ 未満

病毒性コレラ菌

1cfu/100mℓ 未満

大腸菌

250cfu/100mℓ 未満

腸球菌

100 cfu/100mℓ 未満（cfu : colony forming unit）

バラスト水処理装置の承認のためのガイドラインとして、「バラスト水管理システムの承認のためのガイドライン（G8 ガイドライン）」及び「活性物質を使用するバラスト水管理システムの承認のためのガイドライン（G9 ガイドライン）」が IMO により作成されている。バラスト水管理のために活性物質を使用するバラスト水処理装置は、G9 ガイドラインに従って IMO の承認を取得する必要があり、さらに全てのバラスト水処理装置は G8 ガイドラインに従って旗国政府による承認を取得する必要がある。ただし、旗国政府によっては、他国政府の承認したバラスト水処理装置の自国籍船への搭載を認めている。装置選択の際には船籍国の要件を確認する必要がある。

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バラスト水処理装置のしくみ
バラスト水処理装置は様々な種類のものが開発されている。標準的なバラスト水処理装置のしくみは、第 8-1 図のとおりである。
船外から取水されたバラスト水は、バラストポンプを通してフィルター等により物理的処理が行われ、通常 50μm 程度より大きな生物やゴミが取り除かれる。物理的処理としては他にキャビテーションを利用する装置もある。その後、薬品等の化学的処理によりバラタンク排水
バラスト水処理装置
取水バラスト

物理的処理

化学的処理

タンク注水

ポンプ再処理、船外排出中和処理

第 8-1 図バラスト水処理装置の一般的な処理方法

スト水中に残っている生物の殺滅処理を行い、処理水をバラストタンクへ注水する。化学的処理として、薬品以外にも例えば①バラスト水に紫外線を照射する、②バラスト水中の酸素量を低下させる、③オゾン等の化学物質を添加しその殺菌力を利用する等の方法がある。船外へ排出する際にバラスト水の再処理や中和処理が必要なシステムの場合には、これらの処理の後に船外へ排出することとなる。排水時に再処理または中和処理を必要としないシステムの場合には、重力によるバラスト水の直接排水が可能である。

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第9編

バラスト操作中の損傷事例と設計上の注意点

9.1 概要バラスト操作中の損傷事故で最も頻度が高いのが、水撃（ウォーターハンマー）によるものである。
バラストポンプ使用時でも、重力注排水時でも、大量の水が配管内を移送される。これらの流れには大きな運動エネルギーがあるので、弁を開けたり、閉めたりすると、比較的容易に水撃が生じる。
本編では、水撃によるバラスト操作中の損傷事例と設計上の注意点について述べる。
9.2 水撃（ウォーターハンマー）とは配管内を定常に流れる水を思い浮かべてみる。スムーズに流れ、圧力変動もなく穏やかである。この状態で配管末端のバルブを閉め、流れを急激に止めてしまうとどうなるか？ 定常に流れていた水が行き場を失い、閉まったバルブで圧力上昇が発生することは想像に難くない。これは満員電車が急停車し、立っている人が次々に前方に倒れかかる様子に似ている。
この状態は、流れの運動エネルギーが行き場を失って、圧力エネルギーに変換されると考えられる。逆にバルブを急激に開いて開放する場合は圧力降下を生じる。このような圧力変動は配管や流体の上流・下流へ瞬間的に伝わっていく。この速さを「圧力伝播速度」といい、10℃の水ならば 1,425m/s という超高速で圧力変動が伝わっていく。

9.3 設計上の注意点
前述の通り、バラスト操作中の損傷事故の大半は水撃によるものである。
このことから、設計者として知っておくほうがよいと思われる点を以下に述べる。
（１） ポンプや配管が損傷するような水撃は比較的容易に発生する。
1） ポンプ運転時では、バルブを閉止する際の事故例が多い。
2） デバラスト時で、かつ、タンクの液位が高い時にポンプを運転する場合は、上流側のエネルギーが非常に大きいので、容易に水撃が発生しやすい。
3） ポンプ停止の、重力注排水の場合でも、バラスト配管内部が海水で満たされていない場合等では、比較的容易に水撃が発生する。
4） 弁口径１インチ当たり２秒の標準的弁開閉速度であっても、不適切な弁操作等により水撃が発生することがある。
5） 造船所の海上公試中にも水撃が発生することがある。
6） その他、急激な流速変化による管内圧力の上昇・下降時、またはポンプ・弁の操作時等水撃発生の要因は複数あると考えられる。
（２） まずは設計者として、上記を認識することが重要である。その上で、これらを防止する対策を検討することになるが、船舶設備面の改善、 バラスト操作をする人側の改善の両側面からの検討が必要である。
残念ながら、現時点では、具体的、有効的 かつ現実的な対策はなかなか見つかっていない。

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