化學(xué)品船防污染系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

曹東江

(揚(yáng)州海翔船舶科技有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225009)

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化學(xué)品船防污染系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

曹東江

(揚(yáng)州海翔船舶科技有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225009)

根據(jù)MAPOL 73/78公約附則II中對(duì)有關(guān)化學(xué)品船舶的液貨的殘余物量、不同貨物的洗艙程序、有毒液體物質(zhì)殘余物的排放控制等規(guī)定，對(duì)化學(xué)品船防污染系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。通過有效掃艙系統(tǒng)、洗艙系統(tǒng)、液貨艙通風(fēng)系統(tǒng)、水下排放系統(tǒng)等設(shè)計(jì)可有效控制化學(xué)品船卸貨以后艙內(nèi)殘留的有毒殘余液貨量，減少其對(duì)海洋污染。

化學(xué)品船；防污染；有毒液體物質(zhì)；掃艙系統(tǒng)；水下排放；設(shè)計(jì)

0　引言

國(guó)際海事組織(IMO)為了防止和控制船舶運(yùn)輸過程中對(duì)海洋環(huán)境造成的污染，制定了各種公約和議定書，其中MAPOL 73/78公約附則II就是針對(duì)化學(xué)品在運(yùn)輸過程中可能會(huì)造成對(duì)海洋環(huán)境污染而制定的，它反映了對(duì)排放含有毒液體化學(xué)品污水的約束和具體規(guī)定。本文圍繞MAPOL 73/78公約的相關(guān)要求，簡(jiǎn)要介紹化學(xué)品船防止有毒物質(zhì)污染系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1　有毒液體物質(zhì)的分類

排入海水中的有毒物質(zhì)，由于其物理、化學(xué)性質(zhì)的差別很大，所以對(duì)海洋環(huán)境的影響也各不相同。MAPOL73/78公約附則II按照有毒液體釋放到海洋中帶來的危害程度，將其分為X、Y、Z、OS類。

X類：這類有毒液體物質(zhì)如從洗艙或排壓載的作業(yè)中排放入海，將被認(rèn)為會(huì)對(duì)海洋資源或人類健康產(chǎn)生重大危害。例如：煤焦油、磷(黃或白)、液態(tài)化學(xué)廢料等。

Y類：這類有毒液體物質(zhì)如從洗艙或排壓載的作業(yè)中排放入海，將被認(rèn)為會(huì)對(duì)海洋資源或人類健康產(chǎn)生危害。例如：花生油、甲醇、橄欖油、硝酸、硫酸等。

Z類：這類有毒液體物質(zhì)如從洗艙或排壓載的作業(yè)中排放入海，將被認(rèn)為會(huì)對(duì)海洋資源或人類健康產(chǎn)生較小危害。例如：鹽酸、乳酸、氯化鉀溶液、尿酸溶液等。

OS類：這類物質(zhì)如從洗艙或排壓載的作業(yè)中排放入海，目前認(rèn)為對(duì)海洋資源、人類健康、海上休憩環(huán)境或其他合法的利用并無危害。例如：蘋果汁、糖蜜、橘子汁等。

2　殘余液貨量要求與有效掃艙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1掃艙殘余液貨量要求

化學(xué)品船在正常的貨物輸送時(shí)應(yīng)盡可能地將貨卸干凈，這樣排入到海中的貨物就可少一些。MAPOL 73/78公約附則II要求每艘船舶必須配備合適的泵吸和管路系統(tǒng)，以確保指定運(yùn)載X類、Y類和Z類的每一液貨艙在卸貨后所留存的殘余物量不超過表1的要求。表中，N/A為不適用意思，IBC船舶為國(guó)際散裝運(yùn)輸危險(xiǎn)化學(xué)品船，BCH船舶為散裝運(yùn)輸危險(xiǎn)化學(xué)品船。

表1　掃艙殘余液貨量要求

2.2有效掃艙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

化學(xué)品船是否符合有效掃艙的要求將作為頒發(fā)化學(xué)品液貨船適裝證書(COF證書)前必不可少的檢驗(yàn)項(xiàng)目之一，不符合要求的船舶就不能獲得裝載相應(yīng)物質(zhì)的COF證書，也就不能承運(yùn)相應(yīng)物質(zhì)。因此，液貨管系的設(shè)計(jì)對(duì)化學(xué)品來說至關(guān)重要，尤其是設(shè)置合理、有效的掃艙系統(tǒng)。

化學(xué)品船的液貨裝卸主要有獨(dú)立式液貨裝卸系統(tǒng)和主管式液貨裝卸系統(tǒng)這2種形式的系統(tǒng)。

(1)獨(dú)立式液貨裝卸系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是無液貨泵艙，每一或每組液貨艙設(shè)置1臺(tái)液貨泵(潛液泵或深井泵)，每臺(tái)液貨泵設(shè)有單獨(dú)的甲板液貨管路，潛液泵或深井泵自帶有掃艙系統(tǒng)，不需再設(shè)置另外的掃艙管系。當(dāng)卸貨到最后階段液貨艙幾乎全部卸空時(shí)，即可開始執(zhí)行掃艙程序。掃艙時(shí)，首先要降低液貨泵的轉(zhuǎn)速，關(guān)閉主液貨泵出口處的主液貨閥，其次，打開小通徑的掃艙閥，液貨艙內(nèi)以及液貨泵內(nèi)的殘余液貨將通過小通徑的掃艙管排至主液貨閥前的主液貨管內(nèi)，同時(shí)在主液貨閥后設(shè)有吹掃球閥用于連接壓縮空氣軟管，在掃艙最后階段吹入壓縮空氣將主液貨閥后液貨管內(nèi)的殘液，以及液貨泵內(nèi)的殘液通過小通徑的掃艙管排至主液貨閥前，這時(shí)低速運(yùn)轉(zhuǎn)的液貨泵葉輪就像1個(gè)止回閥，可防止液貨回到液貨艙。掃艙結(jié)束后，液貨艙和液貨泵內(nèi)不再有殘液，此時(shí)系統(tǒng)的殘液主要集中在主液貨閥前的液貨管內(nèi)。管系設(shè)計(jì)時(shí)需考慮設(shè)置1套小通徑的主液貨管掃線管路，掃線管從主液貨閥前接至裝卸油站處的橫跨管閥外側(cè)。同時(shí)在橫跨管閥內(nèi)側(cè)設(shè)有連接壓縮空氣的掃線管路吹掃小球閥，接入壓縮空氣可將主液貨管內(nèi)的殘液通過掃線管排岸。掃線管路同時(shí)也跟接至污液艙的縱向公共掃線管相連接，通過壓縮空氣也可將主液貨管內(nèi)的殘液通過掃線管排至污液艙。

(2)主管式液貨裝卸系統(tǒng)一般設(shè)有泵艙，使用常規(guī)液貨泵，每一液貨泵設(shè)置1根總管，從總管引出支管至相應(yīng)的液貨艙。主管式液貨裝卸系統(tǒng)適用于液貨品種固定的專用化學(xué)品船，以及運(yùn)載貨品品種不多的中小型化學(xué)品船。主管式液貨裝卸系統(tǒng)由于吸入管較長(zhǎng)，最后階段殘留在液貨艙的殘液較多，液貨泵自身又無掃艙能力，所以需要設(shè)置單獨(dú)的掃艙系統(tǒng)用于清掃液貨艙內(nèi)的殘液、液貨泵內(nèi)的以及主液貨管內(nèi)的殘液。主管式液貨裝卸系統(tǒng)的掃艙系統(tǒng)采用1臺(tái)小排量的掃艙泵，在液貨艙設(shè)有單獨(dú)的小通徑掃艙管接至掃艙泵，液貨泵和主液貨管設(shè)有小通徑掃線管接至掃艙泵。當(dāng)有多臺(tái)液貨泵時(shí)，掃艙管系將會(huì)很復(fù)雜，而且掃艙系統(tǒng)本身也會(huì)產(chǎn)生殘余量很難清掃。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)船舶主要裝運(yùn)貨品、建造成本等要素綜合考慮，選擇合理的系統(tǒng)形式。

3　強(qiáng)制預(yù)洗要求和洗艙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1強(qiáng)制預(yù)洗要求

MAPOL 73/78公約附則II附錄VI規(guī)定，運(yùn)載X類物質(zhì)的化學(xué)品船在卸貨后必須按照規(guī)定的程序進(jìn)行預(yù)洗；對(duì)于運(yùn)載Y類和Z類物質(zhì)的化學(xué)品船在卸貨后殘余液貨量不滿足公約要求的，也必須按照規(guī)定的程序進(jìn)行預(yù)洗；洗艙水必須排放到卸貨港的接收設(shè)備。規(guī)定需進(jìn)行強(qiáng)制預(yù)洗的物質(zhì)大致如下：

(1)X類物質(zhì)。

(2)屬于凝固性或高黏度的Y類、Z類物質(zhì)。

(3)非凝固性或低粘度物質(zhì)但未經(jīng)有效掃艙，而代替措施又不能使剩余貨物量減少到公約要求的掃艙要求時(shí)，必須對(duì)該艙進(jìn)行預(yù)洗。

(4)特殊區(qū)域內(nèi)的Y類物質(zhì)(但可以留存殘余物于船上，帶至特殊區(qū)域外洗艙排放入海)。

3.2洗艙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

化學(xué)品船的洗艙系統(tǒng)由固定式洗艙機(jī)或可攜式洗艙機(jī)、洗艙泵、洗艙水加熱器、洗艙管路組成，主要設(shè)備可按照以下公式設(shè)計(jì)。

3.2.1洗艙機(jī)的容量

式中：QV1為洗艙機(jī)最小容量，m3/h；r為每液貨艙的殘余量，m3；V為液貨艙的艙容，m3；K為系數(shù)。

3.2.2洗艙泵的容量

qVP≥nWqVW

式中：qVP為洗艙泵容量，m3/h；nW為同時(shí)工作洗艙機(jī)臺(tái)數(shù)；qVW為洗艙機(jī)的工作容量，m3/h。

洗艙泵的排壓沒有規(guī)定具體壓力值，一般在清洗裝過X類以及Y類、Z類凝固性物質(zhì)的貨艙時(shí)，要有一個(gè)較大的壓力有效地作用于貨艙結(jié)構(gòu)，達(dá)到充分清洗效果。另外，只有在足夠高壓下才能使洗艙機(jī)在艙內(nèi)最長(zhǎng)距離實(shí)施洗艙作業(yè)。

3.2.3洗艙水溫度

在計(jì)算洗艙水加熱器時(shí)，對(duì)于主要在高緯度地區(qū)航行的船舶，洗艙水的初始溫度可按0 ℃計(jì)算；對(duì)于主要在熱帶地區(qū)航行的船舶，洗艙水初始溫度可按5 ℃計(jì)算；其他地區(qū)航行的船舶，洗艙水初始溫度可按22～25 ℃計(jì)算。對(duì)于預(yù)洗裝過凝固性貨品的貨艙時(shí)，需要把洗艙水溫度加熱至60 ℃以上；預(yù)洗裝過非凝固性貨品以及在20 ℃時(shí)其黏度等于或大于25 mPa.s的物質(zhì)的貨艙時(shí)，也需要把洗艙水溫度加熱至60 ℃以上；預(yù)洗要求高溫洗艙的貨品的貨艙時(shí)，需要使用80～85 ℃(最高90 ℃)的熱水。

3.2.4洗艙機(jī)的位置

在預(yù)洗裝過凝固性的X類、Y類、Z類物質(zhì)的貨艙時(shí)，洗艙機(jī)可先放在中間部位進(jìn)行清洗，對(duì)于某些未洗到的部位可視其情況變動(dòng)位置后再進(jìn)行清洗。根據(jù)公約的排放標(biāo)準(zhǔn)中允許有一定量的殘余物存在的規(guī)定，在預(yù)洗裝過非凝固性的X類、Y類、Z類物質(zhì)的貨艙時(shí)，只需針對(duì)重點(diǎn)部位，放在1個(gè)固定位置就可以。

4　液貨艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1吹掃程序

對(duì)于物質(zhì)在20 ℃時(shí)蒸汽壓力超過5×103Pa的液貨殘余，MAPOL 73/78公約附則II附錄VII規(guī)定可用通風(fēng)作業(yè)從液貨艙中除去。采用通風(fēng)作業(yè)除去貨艙、泵和管路中的液貨殘余物，可以省去洗艙、掃艙、排放程序，節(jié)約船舶的營(yíng)運(yùn)成本。MAPOL 73/78公約附則II附錄VII規(guī)定，采用通風(fēng)清除液貨艙內(nèi)的殘液應(yīng)按如下程序：

(1)管路內(nèi)液貨應(yīng)泄去，并且用通風(fēng)設(shè)備進(jìn)一步將液體清除。

(2)為提高艙內(nèi)殘余物的揮發(fā)性，將船舶橫傾和縱傾應(yīng)調(diào)整到盡可能最小的程度。

(3)通風(fēng)設(shè)備產(chǎn)生的氣流應(yīng)能夠到達(dá)液貨艙底部的通風(fēng)機(jī)。

(4)通風(fēng)設(shè)備布置的位置應(yīng)最靠近液貨艙匯集阱或吸入點(diǎn)。

(5)通風(fēng)設(shè)備應(yīng)盡可能使氣流直接吹到液貨艙收集井或吸口位置，并盡可能避免使氣流沖擊液貨艙構(gòu)件。

(6)通風(fēng)應(yīng)持續(xù)到液貨艙內(nèi)看不到有液體留存為止，應(yīng)通過目視檢查或等效方法來核實(shí)。

清除液貨艙內(nèi)殘余物的氣流量與液貨艙的高度應(yīng)相對(duì)應(yīng)。圖1為MAPOL 73/78公約附則II附錄VII規(guī)定的最少氣流量與氣流量到達(dá)深度的函數(shù)關(guān)系，液貨艙吹掃風(fēng)機(jī)的排量可據(jù)此選取。圖1中，假設(shè)所選水力風(fēng)機(jī)入口直徑為30 cm，氣流量若需達(dá)到32 m深，則進(jìn)口處最小氣流量至少要173.5 m3/min，也就是所選擇的液貨艙吹掃風(fēng)機(jī)的排量要大于173.5 m3/min。

4.2液貨艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液貨吹掃通風(fēng)機(jī)尺寸和功率比較大，設(shè)計(jì)時(shí)一般布置在船首安全區(qū)域。通風(fēng)管從船首安全區(qū)域延伸至液貨裝卸站處，使用時(shí)用軟管連接液貨裝卸管，通過液貨裝卸管將干燥空氣吹入液貨艙。

5　水下排放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

5.1排放有毒液體物質(zhì)的要求

MAPOL 73/78公約附則II規(guī)定在南極區(qū)域(南緯60°以南海域)，禁止任何有毒液體物質(zhì)或含有此類物質(zhì)的混合物排放入海；在非南極區(qū)域，對(duì)于裝運(yùn)X類物質(zhì)的船舶在卸貨后應(yīng)進(jìn)行預(yù)洗，清洗的殘余物濃度重量低于0.1%之后，將艙內(nèi)剩余的洗艙水完全排至接收設(shè)備后，灌入艙內(nèi)的任何水可參照下述排放標(biāo)準(zhǔn)排放入海里。對(duì)于裝運(yùn)Y類、Z類物質(zhì)的船舶在卸貨后，若卸貨后貨物殘余物的數(shù)量不滿足公約要求，也需按照上述程序進(jìn)行預(yù)洗。當(dāng)清洗的殘余物濃度重量低于0.1%之后，將艙內(nèi)剩余的洗艙水完全排至接收設(shè)備后，隨后灌入艙內(nèi)的任何水方可參照下述排放標(biāo)準(zhǔn)排放入海里。

排放標(biāo)準(zhǔn)如下：

圖1　最少氣流量與氣流量到達(dá)深度的函數(shù)關(guān)系

(1)船舶在海上航行，自航船航速至少為7 kn，或非自航船航速至少為4 kn。

(2)水線以下通過水下排放口進(jìn)行排放，不超過水下排放口的最高設(shè)計(jì)排放速率。

(3)排放時(shí)距最近陸地不少于12 n mile，水深不少于25 m。

如裝運(yùn)Y類、Z類物質(zhì)的船舶位于距最近陸地不小于12 n mile，且水深不小于25 m的水域中，而灌入已清洗液貨艙的，含前次所載物質(zhì)的量小于1×10-6的壓載水，可排放入海，無需考慮其排放率。

由于大多數(shù)有毒液體物質(zhì)不像油類物質(zhì)那樣浮在海面上，為了使有毒液體物質(zhì)的殘余物與海水迅速充分混合，最好的辦法是借助于船舶的邊界層將其引入船尾跡流。船舶在行駛時(shí)，在船舷和水流間形成的邊界層是水的紊流區(qū)域，將有毒液體物質(zhì)的殘余物排入這個(gè)邊界層后，首先排出物可在邊界層內(nèi)迅速稀釋，隨即可進(jìn)入船尾跡流

中進(jìn)一步稀釋、擴(kuò)散。為此，MAPOL 73/78公約附則II對(duì)有毒物質(zhì)殘余物水下排放口進(jìn)行如下規(guī)定：

(1)水下排放口應(yīng)位于貨物區(qū)域內(nèi)舭部彎曲處附近，其布置應(yīng)避免在船舶吸入海水時(shí)將其殘余物或水混合物重新吸入。

(2)水下排放口應(yīng)布置在使排放入海的殘余物或水混合物不通過船舶的邊界層。為此，當(dāng)排放方向與船殼板成直角時(shí)，排放口的最小直徑由下列公式算出：

式中：d為排放口最小直徑，m；L為從首垂線到排放口距離，m；Q為船舶通過排放口排放殘余物或水混合物所選的最高速率，m3/h。

(3)當(dāng)排放方向與船殼外部成一角度時(shí)，上述關(guān)系應(yīng)以Q的分量來計(jì)算。

5.2水下排放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

有毒液體物質(zhì)殘余物一般采用污液泵(獨(dú)立液貨裝卸系統(tǒng))或掃艙泵(主管式液貨裝卸系統(tǒng))排放，不再設(shè)置單獨(dú)的排放泵，就是上述公式中Q也應(yīng)按照污液泵或掃艙泵額定流量計(jì)算水下排放口的直徑。當(dāng)水下排放口與舭部船殼板成一定角度布置時(shí)，Q應(yīng)按照垂直船殼板的分量計(jì)算。水下排放口應(yīng)布置在船舶進(jìn)水口的另一側(cè)，避免重新吸入排放物的風(fēng)險(xiǎn)。

6　設(shè)計(jì)時(shí)的其他注意事項(xiàng)

(1)對(duì)具有多吸口的長(zhǎng)軸深井泵，還須配有真空或壓力掃艙系統(tǒng)，即先用壓縮空氣使多吸口泵罩形成一定的真空度，使殘余液貨吸入，然后再用壓縮空氣將殘余液貨掃至岸上。

(2)跟油船不同，MAPOL 73/78公約附則II不要求化學(xué)品船配置專用污油水艙，如某些沖洗程序可能需要污油水艙，液貨艙可被用作污油水艙。

(3)在用通風(fēng)除去液貨艙內(nèi)有毒液體物質(zhì)殘余前，應(yīng)考慮到關(guān)于液貨可燃性和毒性的安全危險(xiǎn)。關(guān)于貨艙開口的操作要求，應(yīng)參考SOLAS公約、《國(guó)際散裝化學(xué)品規(guī)則》、《散裝化學(xué)品規(guī)則》。通風(fēng)程序還應(yīng)參照國(guó)際航運(yùn)公會(huì)(ICS)《液貨船安全指南(化學(xué)品)》中的相關(guān)規(guī)定。

(4)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮液貨掃艙系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)的備用措施。一般是采用1臺(tái)帶獨(dú)立動(dòng)力單元的便攜式液貨泵，當(dāng)某一液貨艙的液貨系統(tǒng)或掃艙系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，將便攜式液貨泵放置于該艙內(nèi)，用液壓軟管連接液壓動(dòng)力管驅(qū)動(dòng)便攜式液貨泵，便攜式液貨泵出口接有貨油軟管，可將出現(xiàn)故障的液貨艙內(nèi)的殘液排至相鄰的液貨艙。

7　結(jié)語

化學(xué)品船的防污染系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合船舶運(yùn)載的貨品、碼頭的設(shè)施、建造成本、營(yíng)運(yùn)成本等各方面的因素綜合考慮。對(duì)于運(yùn)載貨品品種不多的中小型化學(xué)品船宜采用泵艙泵的液貨管系，而對(duì)于運(yùn)載貨品繁多的大型船舶則應(yīng)采用一艙一泵液貨管系；對(duì)于不裝運(yùn)或很少裝運(yùn)在20 ℃時(shí)蒸汽壓力超過5×103Pa的物質(zhì)的船舶，則可不設(shè)置液貨艙通風(fēng)機(jī)。對(duì)主要裝運(yùn)X類物質(zhì)和凝固性或高黏度的Y類、Z類物質(zhì)的船舶則需考慮設(shè)置固定洗艙機(jī)，同時(shí)增加洗艙水加熱系統(tǒng)的容量，避免使用碼頭的洗艙設(shè)備增加營(yíng)運(yùn)成本。只有結(jié)合各個(gè)方面的要求，才能設(shè)計(jì)出既符合規(guī)范和公約要求，同時(shí)又滿足船東的使用要求的合理系統(tǒng)。

[1]中國(guó)船舶工業(yè)總公司. 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013.

[2]黃恒祥.輪機(jī)工程手冊(cè)[M]. 北京：人民交通出版社，1992.

[3]劉斌,李凱.化學(xué)品船安全知識(shí)和操作[M]. 大連：大連海事大學(xué)出版社，1999.

[4]段佩海.船舶防污染技術(shù)[M]. 大連：大連海事大學(xué)出版社，2000.

2016-01-15

曹東江(1973—)，男，工程師，從事船舶科研與設(shè)計(jì)工作。

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