大型化學(xué)品船水下排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 昆，董瑞華

（大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)所有限公司，遼寧 大連 116005）

大型化學(xué)品船水下排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 昆，董瑞華

（大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)所有限公司，遼寧 大連 116005）

為避免對(duì)海洋資源及人類健康造成危害，或?qū)Ｉ系男蓓h(huán)境及其他合法利用造成損害，對(duì)化學(xué)品船有毒液貨殘余物的排放有著非常嚴(yán)格的規(guī)定。有毒液貨殘余物的排放操作不僅與貨物污染分類及其物理性質(zhì)有關(guān)，而且與排放區(qū)域、船舶的航速及水下排放口的位置密切相關(guān)。對(duì)于大型化學(xué)品船，由于水下排放口的尺寸過(guò)大，給施工帶來(lái)極大的不便。通過(guò)分析MARPOL公約附則Ⅱ及IBC Code等相關(guān)規(guī)范，對(duì)化學(xué)品船有毒液貨殘余物水下排放的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)計(jì)算和分析，將大型化學(xué)品船水下排放口與水下排放管路分開(kāi)，將水下排放口設(shè)置在海底閥箱內(nèi)，既能有效地解決施工不便的問(wèn)題，又能降低船舶的空船質(zhì)量。研究成果可為大型化學(xué)品船水下排放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

化學(xué)品船；有毒液貨；水下排放；污染分類；殘余物

0 引 言

化學(xué)品船是用來(lái)運(yùn)輸散裝有毒液體的液貨船，散裝有毒液體從其貨艙內(nèi)卸載后，一部分有毒液貨會(huì)殘余貨艙內(nèi)，一旦這部分液貨直接排放入海，會(huì)對(duì)海上環(huán)境造成危害。世界各國(guó)已意識(shí)到船舶故意、隨意或意外排放油類及其他有害物質(zhì)是造成污染的一項(xiàng)重要來(lái)源。國(guó)際海事組織（International Maritime Organization，IMO）制定了《國(guó)際防止船舶污染公約》（簡(jiǎn)稱MARPOL公約）［1］，旨在消除油類及其他有害物質(zhì)的有意排放，使這些物質(zhì)的排放減小至最低限度。MARPOL公約附則Ⅱ《防止散裝有毒液體物質(zhì)污染規(guī)則》給出了裝運(yùn)有毒液體的化學(xué)品船水下排放的相關(guān)要求，其中：第12條對(duì)液貨水下排放的位置、排放口的最小直徑有詳細(xì)的規(guī)定；第13條對(duì)排放規(guī)定及排放標(biāo)準(zhǔn)有詳細(xì)的闡述。

1 化學(xué)品船水下排放相關(guān)規(guī)定

世界各國(guó)的法定檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)或船級(jí)社［2］已將海洋環(huán)境保護(hù)列入船舶修造規(guī)范，并引入了環(huán)保船級(jí)符號(hào)，禁止超出排放限制的有毒液體物質(zhì)或包含上述物質(zhì)的壓載水、洗艙水及其他殘余物或混合物排放入海。在允許排放時(shí)，還需考慮每個(gè)貨艙排放入海的最大量、排放時(shí)的船速、排放海域與最近陸地間的距離、排放海域的最小水深、艉部伴流的有害物質(zhì)最高濃度、排放前的物質(zhì)稀釋及水下排放效果的要求。因此，化學(xué)品船水下排放研究是承接化學(xué)品船等運(yùn)輸有毒液體液貨船設(shè)計(jì)建造的重要一環(huán)。

液貨船水下排放規(guī)定的出發(fā)點(diǎn)是確保裝運(yùn)的液貨卸載到所剩殘余物已不會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成任何危害的程度，這樣的殘余物稱為“可忽略”的殘余物［3］。

MARPOL公約附則Ⅱ中控制化學(xué)品船有毒液體操作性排放的基本原則是：

1） 確保每艘化學(xué)品船卸載后，有毒液體物質(zhì)的殘余量減少到環(huán)境保護(hù)允許的最少量，不至于構(gòu)成對(duì)海洋環(huán)境的危害；

2） 應(yīng)確保允許排放的有毒殘余物能立即與海水有效地混合；

3） 應(yīng)限制排放有毒殘余物與最近陸地的距離和海域的最小水深。

可以認(rèn)為，上述3個(gè)原則若都能確保執(zhí)行，則能做到：在排放前有毒液體物質(zhì)已經(jīng)降低到環(huán)境保護(hù)允許的最小量，且排放入海后將立即與海水混合并迅速擴(kuò)散。這樣就能從根本上避免構(gòu)成對(duì)海洋環(huán)境危害的可能性。

為此，MARPOL公約附則II對(duì)水下排放的標(biāo)準(zhǔn)作了明確的規(guī)定：船舶在海上航行時(shí)，自航船航速≥7kn；非自航船航速≥4kn；在水線以下通過(guò)水下排放口排放時(shí)，不能超過(guò)水下排放口的最高設(shè)計(jì)速率；排放時(shí)與最近陸地的距離≥12n mile，水深≥25m。

2 水下排放口最小直徑計(jì)算

根據(jù)MARPOL公約附則Ⅱ及《國(guó)際散裝運(yùn)輸危險(xiǎn)化學(xué)品船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)則》（IBC Code）［4］的要求，按標(biāo)準(zhǔn)排放入海的殘余物/水混合物不能穿透船舶的邊界層，而隨該邊界層流至艉部，經(jīng)螺旋槳攪拌后，艉部跡流最大濃度應(yīng)小于安全危害的規(guī)定值。因此，水下排出口的尺寸必須按照MARPOL公約附則Ⅰ規(guī)定的公式，即

式（1）中：D為排放口最小直徑；L為從艏垂線至排放口的距離；Qd為通過(guò)排放口，船舶可排放殘余物/水混合物的最大排放速率。

當(dāng)排放方向與船殼板形成一定角度α?xí)r，用最大排放速率Qd的垂直船殼板的分量（即Qd·cosα）來(lái)代替 Qd。

由于大型化學(xué)品船的分艙較大，液貨泵及洗艙泵的容量也相應(yīng)增加，因此最大排放速率Qd一般較大。為了使水下排放口的直徑盡量小，一般會(huì)將水下排放口的位置布置在貨艙區(qū)尾端，但受相關(guān)要求的限制，水下排放口必須遠(yuǎn)離機(jī)艙的海底閥箱。以某8萬(wàn)噸級(jí)化學(xué)品船［5］為例，圖1是其艙室布置圖。

根據(jù)該船的船型參數(shù)，取水下排放口距最后一個(gè)貨艙后壁 5m，得到從艏垂線至排放口的距離L=176.3m （見(jiàn)圖1）。貨艙內(nèi)的可排放殘余物/水混合物通過(guò)液貨深井泵經(jīng)過(guò)甲板液貨總管排至水下管路，再排放入海，單個(gè)液貨深井泵的排量即為排放的最大速率：Qd=900 m3/h 。將其代入式（1），可得D=1.02 m 。

圖1 某8萬(wàn)噸級(jí)化學(xué)品船艙室布置

3 水下排放口及排放管路設(shè)計(jì)

大型化學(xué)品船水下排放口的最小直徑計(jì)算值較大，遠(yuǎn)大于液貨系統(tǒng)的液貨輸送主管的直徑。若按計(jì)算值來(lái)設(shè)置水下排放管路，則會(huì)造成整個(gè)管路口徑過(guò)大，給管路的布置帶來(lái)非常大的困難，且浪費(fèi)材料和增加空船質(zhì)量。經(jīng)對(duì)規(guī)范進(jìn)行仔細(xì)研究并咨詢挪威船級(jí)社等船級(jí)社的相關(guān)專家，得出結(jié)論：規(guī)范中對(duì)水下最小排放口的要求僅針對(duì)從船體外板排出時(shí)的口徑，對(duì)整個(gè)排放的管路并沒(méi)有要求。因此，圖1所示化學(xué)品船水下排放口和排放管路的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案是在船舶舭部設(shè)置一個(gè)海底門(mén)作為水下排放口，將殘余物/水混合物通過(guò)排出管排至海底門(mén)，再通過(guò)海底門(mén)在船殼外板上的排放口排放入海，外板上的排放口應(yīng)滿足排放速率要求。

該船的具體相關(guān)參數(shù)為：按設(shè)計(jì)手冊(cè)推薦流速選取殘余物排出管路的流速V=4 m/s ；按一臺(tái)液貨泵的排量選取殘余物排出管路的排量Q=900 m3/h ；通過(guò)計(jì)算可得到殘余物排出管路規(guī)格為φ325mm×16mm；參見(jiàn)前文的計(jì)算結(jié)果，水下排放口最小直徑Dj=1020 mm ；選取該船的水下排放口直徑D=1050 mm 。

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，該船的水下排放管路從D=1050 mm 的管路減小至規(guī)格為φ325mm×16mm的管路，并在第六壓載艙的舭部設(shè)置一個(gè)水下排放海底門(mén)，將舷外開(kāi)孔定為φ1050mm（見(jiàn)圖2）。設(shè)計(jì)方案優(yōu)化后，貨艙內(nèi)可排放的殘余物/水混合物將被液貨泵從貨艙內(nèi)經(jīng)過(guò)φ325mm×16mm的水下排放管排放至該海底門(mén)再排放入海。優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案既可滿足船級(jí)社對(duì)水下排放管路直徑的要求，同時(shí)又避免了因排放管路直徑太大而給施工帶來(lái)困難的問(wèn)題。

圖2 水下排放口設(shè)計(jì)方案

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)化學(xué)品船水下排放相關(guān)規(guī)定及要求進(jìn)行研究，針對(duì)大型化學(xué)品船的特點(diǎn)，對(duì)其水下排放管路及水下排放口進(jìn)行了計(jì)算，并優(yōu)化設(shè)計(jì)了水下排放管路及水下排放口，給出了一套大型化學(xué)品船水下排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案。

對(duì)于大型化學(xué)品船而言，水下排放口的設(shè)計(jì)除了要滿足規(guī)范規(guī)則要求之外，還要在布置上注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

1） 水下排放口要盡可能地布置在貨艙區(qū)的艉端，這樣就可以盡可能地減小水下排放口的尺寸；

2） 水下排放口的高度要低于最少壓載吃水時(shí)的水線，用以保證船舶航行時(shí)水下排放口始終處于水線以下；

3） 設(shè)計(jì)水下排放用的海底門(mén)時(shí)，要充分考慮船舶的外板線型，不要將水下排放海底門(mén)布置在船舶舭部的外板曲面上，降低船舶建造時(shí)的施工難度。

［1］ IMO. MARPOL consolidated edition 2006［S］.

［2］ DNV. Rules for classification of ships［S］.

［3］ 江彥橋. 海洋船舶防污染技術(shù)［M］. 上海：上海交通大學(xué)出版社，2000.

［4］ IMO. International code for the construction and equipment of ships carrying dangerous chemicals in bulk （IBC Code）［S］.

［5］ 袁永生，張兆新，郝金鳳，等. 80000噸化學(xué)品船功能定位分析及線型方案設(shè)計(jì)［J］. 船舶工程，2015， 37 （3）： 13-16.

Design of Underwater Discharge System for Large Chemical Tankers

WANG Kun，DONG Rui-hua
（Design and Research Institute， Dalian Shipbuilding Industry Co.， Ltd.， Dalian 116005， China）

There are very strict rules for the discharge of noxious residues from chemical carriers to prevent the hazardous effect on ocean resources and human health， and to avoid the influence on ocean environment and other legal exploitations. The discharge operation not only depends on the sorts and physical properties of the noxious residues， but also depends greatly on the discharge region， ship speed and the location of underwater discharge outlet onboard. It is difficult for large chemical tankers to place the discharge outlet as the size of outlet is extremely large. Therefore the design is optimized according to Annex II of MARPOL conventions， IBC Code and other regulations. On the basis of calculations and analysis， the discharge pipe is separated from the underwater discharge outlet and the underwater discharge outlet is place inside the sea chest to solve the problem of construction inconvenience and to reduce the lightweight of the ship. This study provides references for the design of underwater discharge system of large chemical tankers.

chemical tanker； noxious liquid cargo； underwater discharge； pollution category； residue

U674.13+3.2

B

2095-4069 （2016） 05-0032-03

10.14056/j.cnki.naoe.2016.05.006

2015-09-09

工信部“80000噸級(jí)化學(xué)品船綠色安全設(shè)計(jì)技術(shù)研究”項(xiàng)目

王昆，男，高級(jí)工程師，1978年生。2001年畢業(yè)于大連水產(chǎn)學(xué)院熱力發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)，現(xiàn)從事船舶管系設(shè)計(jì)工作。