關(guān)于壓載水艙防淤積系統(tǒng)的探討

陸毅華

（廣州文沖船廠有限責(zé)任公司，廣州 510727）

摘 要：本文闡述通過擾泥器和防淤艙底附面層解決壓載水艙雜質(zhì)淤積的技術(shù)方案，具有制造和使用成本低、應(yīng)用技術(shù)成熟、不影響原有海水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、布置靈活、符合環(huán)保要求的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：壓載艙底淤積；擾泥器；防淤艙底附面層；空泡吹艙；超聲波清洗

中圖分類號(hào)：U662.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 前言

許多船舶都利用壓載水艙和壓載水系統(tǒng)保障船舶穩(wěn)性、調(diào)整船舶浮態(tài)和縱傾，但在使用壓載水的過程中，產(chǎn)生了相關(guān)的諸多問題：

（1）壓載水異域污染和生物侵害

IMPC 2004年推出了關(guān)于《船舶壓載水和沉積物控制和管理國(guó)際公約》及其附件，目前新建船舶基本都會(huì)考慮安裝合要求的壓載水處理設(shè)備，或預(yù)留安裝位置，本文不多論述。

（2）壓載水中沉積物

沉積物逐漸積聚在壓載艙中，造成死艙容增加、燃料成本增大和船體腐蝕加重的后果。如何盡量減少壓載水沉積物在壓載艙中的積累，需采取的技術(shù)措施等，是本文的探討的目的。

2 壓載水艙底淤積的成因

在壓載水進(jìn)出和存留在壓載艙的過程中，產(chǎn)生了壓載水沉積物：

（1）壓載水進(jìn)入壓載艙

在壓載泵的作用下，壓載水由海底門通過海水濾器進(jìn)入壓載水管路。海底門上的格柵用于阻擋可見雜物和較大的顆粒進(jìn)入，但對(duì)細(xì)小的泥沙和微生物沒有阻擋效果。目前新建船舶上開始應(yīng)用壓載水處理系統(tǒng)，可將進(jìn)入雜質(zhì)限制在50 μm甚至20 μm以下，但壓載水處理系統(tǒng)主要目的是控制水中有害微生物的濃度。

進(jìn)入壓載水管路中的壓載水，至少存在三種雜質(zhì)：

第一，泥沙顆粒及其伴隨的有機(jī)質(zhì)、礦物質(zhì)；

第二，破碎的物料雜質(zhì)，來(lái)源于動(dòng)、植物或飄浮物料，是生物性蛋白質(zhì)與無(wú)機(jī)物的混合物；

第三，微生物和細(xì)菌。

（2）壓載水停留在壓載艙

壓載水留存在壓載艙中的時(shí)間從幾天到數(shù)十天甚至更長(zhǎng)，在這期間艙內(nèi)壓載水雜質(zhì)主要有三種變化情況：

① 混合、懸浮和沉降：壓載水中物理雜質(zhì)在航行慣性水流和自身電荷的作用下發(fā)生混合，細(xì)顆粒融成大顆料，其中較重顆粒率先沉入艙底，越細(xì)的顆粒沉降時(shí)間越長(zhǎng)。研究資料表明，20 μm級(jí)以下的雜質(zhì)因其自身的懸浮和電荷互斥影響，具有靜水中長(zhǎng)期懸浮的能力，這種大小的雜質(zhì)占?jí)狠d水中雜質(zhì)顆粒的主體，艙內(nèi)適當(dāng)?shù)乃鲾_動(dòng)使其懸浮能力超過一般國(guó)際航線的航行周期；

② 化學(xué)與生物作用：雜質(zhì)中的酸堿物質(zhì)作用形成鈣化鹽顆粒，微生物活動(dòng)及殘骸在船體上形成菌斑及腐蝕；

③ 壓實(shí)與固化：壓載艙底沉積物在水壓的反復(fù)作用下，以固體顆料為主干，伴以鹽堿和電化學(xué)腐蝕，以淤泥狀牢固地粘附在艙底結(jié)構(gòu)上。

（3）壓載水排出壓載艙

壓載水向艙外排出時(shí)，仍處于懸浮態(tài)的水中雜質(zhì)和部分艙底浮渣將被排出船外，但大部分艙底沉積物受粘附力和結(jié)構(gòu)阻擋不能被排出船外，日積月累形成死艙容。這種沉積物不能以常規(guī)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清理，造成沉積物越來(lái)越多。

3 防止壓載水艙底淤積的一般方法

避免壓載水艙雜質(zhì)沉積的方法，主要有：設(shè)計(jì)方法、機(jī)械清理和人工清除。

（1）常規(guī)設(shè)計(jì)方法

① 無(wú)壓載水艙設(shè)計(jì)：由于技術(shù)和成本局限，這種方法不能普遍適用于各種船舶；

② 淡水壓載艙設(shè)計(jì)：壓載水中雜質(zhì)和有害微生物問題由岸上設(shè)備解決，基本解決了壓載水艙沉積物問題，但受港口條件和淡水加注成本限制，這種方法只適用于中小型船舶，較少船東接受這種方法；

③ 壓載艙上下分艙設(shè)計(jì)：上層壓載艙安裝有與下層壓載水艙直通的豎管，可將上層壓載水艙上層較清潔的壓載水導(dǎo)入下層壓載艙，上層壓載艙設(shè)置某些機(jī)械設(shè)備對(duì)艙內(nèi)做局部清潔。這種方法增加結(jié)構(gòu)重量，不適用于中小船舶；

④ 海水過濾器技術(shù)：利用專用的海水濾器盡量去除海水雜質(zhì)，其成本高、功耗大、占用機(jī)艙空間，可延緩但不能解決壓載水艙雜質(zhì)淤積的問題。

（2）機(jī)械清理方法

船舶自備的專用壓載水艙清艙設(shè)備，一般是安排專用管路在排放壓載水時(shí)由噴射泵對(duì)艙底進(jìn)行局部清刷，可一定程度上減少壓載水沉積物積留問題。

（3）人工清理方法

當(dāng)船舶進(jìn)行塢修期間雇傭工人進(jìn)艙清理，但工人的工作環(huán)境惡劣，清除效率低下，但可靠直觀，是目前大多數(shù)船舶采用的處理方法。

4 防止壓載水艙底淤積的新方法探討

（1）“堵”的方法

目前各大公司對(duì)壓載水艙底沉積物的處理辦法，一是順其自然酌情處理，二是“堵”的辦法。順其自然是將清淤視為船東責(zé)任，而非船舶功能，設(shè)備只負(fù)責(zé)對(duì)水中有害細(xì)菌微生物的控制；“堵”的辦法就是通過過濾或分離技術(shù)，將壓載水中雜質(zhì)盡量隔離或分離出來(lái)，努力使進(jìn)艙的壓載水變成干凈水。

如果采取“堵”的方法，則必須改變?cè)Ｋ芟翟O(shè)計(jì)，提高設(shè)備要求（如增加壓載泵壓頭）。

（2）“疏”的方法

避免壓載水雜質(zhì)沉積的關(guān)鍵不在于清除，而在于防止沉積。若保持水中雜質(zhì)的流動(dòng)性，使其不能沉積艙底或形成艙底粘附，基本就會(huì)隨壓載水排出，輔以簡(jiǎn)單的技術(shù)手段也更容易清除艙底不牢固的沉積層，這個(gè)方法比“堵”的方法有利，能避免改變?cè)Ｋ芟?，減少能耗。

（3）避免雜質(zhì)艙底粘附的措施

① 細(xì)小顆粒如20 μm級(jí)的雜質(zhì)為壓載水雜質(zhì)的主要部分，只要艙內(nèi)有輕微的對(duì)流就可以長(zhǎng)期懸浮，直至船舶到港排除壓載水。因此，考慮擾動(dòng)沉積雜質(zhì)及將較大粒塊破碎成懸浮態(tài)的較細(xì)顆粒的技術(shù)措施。

艙內(nèi)壓載水適當(dāng)流動(dòng)將帶動(dòng)雜質(zhì)流動(dòng)，但不必考慮加強(qiáng)壓載艙內(nèi)水的流動(dòng)性，流動(dòng)性大反而會(huì)導(dǎo)致大顆粒在結(jié)構(gòu)阻礙處或背水處積聚，艙內(nèi)水可隨航行慣性自由運(yùn)動(dòng)，若加強(qiáng)艙內(nèi)水的流動(dòng)性就必需考慮適應(yīng)流動(dòng)性的結(jié)構(gòu)調(diào)整，導(dǎo)致能耗增加。

② 采用光滑材質(zhì)或涂料為艙底材料，加以適當(dāng)?shù)臋C(jī)械攪動(dòng)和清除措施，盡量破壞艙底層水中雜質(zhì)的粘附條件，保持水中雜質(zhì)的懸浮或不能牢固附著艙底，這是應(yīng)采取的主要措施和方法。

不易粘附的艙底材質(zhì)，考慮由涂料或?qū)Ｓ冒宀膶?shí)現(xiàn)，其應(yīng)具有良好的耐沖擊、耐磨、自潤(rùn)滑性高（不易粘附）、無(wú)毒、防水、耐腐蝕、成本低、方便施工的特點(diǎn)，比如超高分子量聚乙烯。

超高分子量聚乙烯優(yōu)點(diǎn)為：極好的耐磨性、卓越的耐化學(xué)腐蝕性、良好的抗沖擊性、自潤(rùn)滑性、耐熱性、無(wú)毒、耐水、耐化學(xué)藥品性；缺點(diǎn)是耐熱性（熱變形溫度）低、加工成型性差，外表面硬度、剛性、耐蠕變性不如一般工程塑料，膨脹系數(shù)偏大，流動(dòng)性較差，熔融狀態(tài)下粘度極高，是呈橡膠狀的高粘彈性體。

選用超高分子量聚乙烯材料為壓載艙底襯墊的原因是：

廣泛成熟的行業(yè)應(yīng)用：這種材料的特性使其可以代替碳鋼、不銹鋼、青銅等材料，廣泛用于紡織、造紙、食品機(jī)械、運(yùn)輸、醫(yī)療、煤礦、化工等部門；

類似用途的使用經(jīng)驗(yàn)：利用其自潤(rùn)滑與難黏附性、耐磨性與耐沖擊性，已應(yīng)用在推土板、挖土機(jī)鏟斗和自卸車車廂的內(nèi)襯，以及輸送煤、水泥、石灰石、小麥、砂糖等物質(zhì)的料倉(cāng)、料斗、槽內(nèi)襯墊；

采購(gòu)方便與成本低廉：這種材質(zhì)在國(guó)內(nèi)有眾多的廠家可選，成本相對(duì)低廉，加以緊固件其安裝成本類似于同面積的艙內(nèi)涂裝成本。

5 防止壓載水艙底淤積的技術(shù)方案

見圖1。

5.1 工作原理

解決壓載水艙底淤積的基本原理是通過起破碎和物理擾動(dòng)作用的機(jī)械措施（簡(jiǎn)稱擾泥器）和不易粘附的艙底材質(zhì)，實(shí)現(xiàn)艙底水中雜質(zhì)在船舶航行期間保持懸浮狀態(tài)，達(dá)到其不能積淀在艙底并基本能隨壓載水排出艙外的目的。

本方案由擾泥器；防淤艙底附面層；控制器；顯示與報(bào)警器設(shè)備構(gòu)成。

5.1.1 擾泥器

擾泥器利用空化效應(yīng)，對(duì)壓載水里和壓載艙底接近沉淀的軟性雜質(zhì)進(jìn)行足夠頻次的反復(fù)擾動(dòng)和破碎，使絕大部分雜質(zhì)顆料足夠細(xì)小在水中保持懸浮，小部分能沉淀的顆粒將隨擾處于水中反復(fù)沉降、破碎和艙底浮動(dòng)狀態(tài)，破壞沉積雜質(zhì)在艙底壓實(shí)粘附的條件。擾泥器可由高壓空泡發(fā)生器和潛水超聲波發(fā)生器單獨(dú)或組合而成。

空泡發(fā)生器由以一定間隔分布于壓載艙底骨材上方、在每一骨材橫檔之間至少有一個(gè)高壓空氣噴嘴的高壓空氣管組成。布置在機(jī)械處所的高壓空氣瓶，在控制器的作用下空泡發(fā)生器對(duì)相應(yīng)的壓載艙按預(yù)定程序進(jìn)行間斷短暫釋放高壓空氣的吹艙作業(yè)，高壓空氣的水產(chǎn)生沖擊和空泡，對(duì)水中軟性雜質(zhì)起到破碎和艙內(nèi)清洗作用。為避免空化效應(yīng)對(duì)艙壁和涂料的損傷，空氣管氣嘴應(yīng)距艙壁1 m以上?？諝鈬娮鞄в兄够亻y，避免海水雜質(zhì)進(jìn)入空氣管。

壓縮空氣管也可接入船舶日用淡水系統(tǒng)，可對(duì)壓縮空氣管和空氣噴頭進(jìn)行反沖洗或壓載水艙空艙時(shí)洗艙，之后接入舶舶日用空氣吹干管內(nèi)水份。

壓載艙底以一定間隔安置潛水超聲波發(fā)生器，每個(gè)壓載艙不少于2個(gè)，但不多于5個(gè)。建議潛水超聲波發(fā)生器功率1 kW，頂部有防沖擊保護(hù)罩，布置間隔15 m，盡可能與艙壁保持距離。同壓載艙的潛水超聲波發(fā)生器在控制器的作用下間歇性共同或交替工作，壓載水近艙底處中產(chǎn)生空泡空化效應(yīng)進(jìn)行超聲波清洗作業(yè)，清除艙底和骨材上的沉積物。在壓載艙鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)的保護(hù)下，超聲波不會(huì)透出艙外對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。

5.1.2 防淤艙底附面層

固定于壓載水艙底，用于防止壓載水中沉積物牢固附著，保持艙底沉積物的可流動(dòng)性，并保護(hù)艙底和部分艙壁鋼材避免擾泥器空泡空化效應(yīng)的不良影響。建議采用超高分子量聚乙烯材料。

5.1.3 控制器

控制器包括空壓機(jī)起動(dòng)器、空氣瓶、低開關(guān)、高壓空氣分配閥箱、擾泥器程控設(shè)備、壓載水艙低液位和艙頂壓力傳感器、通用報(bào)警及輸出端口等。如控制閥箱布置在主甲板以下，需設(shè)置截止裝置防止海水倒灌。

為保證操作需用的空氣量，高壓空氣發(fā)生器建議由布置在機(jī)械處所的3 MPa空壓機(jī)及空氣瓶、減壓閥組和壓縮空氣分配器組成，受控制器控制，也可作為主、輔機(jī)備用起動(dòng)空氣的來(lái)源。

5.1.4 顯示與報(bào)警器

工作站配顯示器或控制板和報(bào)警蜂鳴器，報(bào)警內(nèi)容包括：壓載艙壓力高報(bào)警；空壓機(jī)運(yùn)行故障報(bào)警；電源故障；水浸報(bào)警。

5.2 技術(shù)措施

（1）各壓載艙底安裝超高分子量聚乙烯滑板，以螺栓固定，也可采用螺母表面直接固定；

（2）壓載艙內(nèi)延骨材橫向布設(shè)高壓空氣管、艙底骨材上方布置潛水超聲波發(fā)生器作為擾泥器。每一骨材橫檔至少有1個(gè)空氣噴嘴，每個(gè)壓載水艙至少2個(gè)潛水超聲波發(fā)生器?？諝庾罡邏毫εc主空氣瓶相同，一般為3.0 MPa，保證高壓空氣能在滿艙時(shí)嘖出進(jìn)行擾泥工作，具體的噴口壓力根據(jù)壓載艙實(shí)船艙深確定，由控制閥箱里的減壓閥調(diào)整?？諝馄靠杉孀鲋?、輔機(jī)的備用起動(dòng)空氣源；

（3）壓載艙內(nèi)設(shè)低液位傳感器，用于切斷擾泥器，避免造成艙內(nèi)雜質(zhì)飛濺或產(chǎn)生非安全因素；

各壓載艙頂部設(shè)壓力傳感器，提供報(bào)警信號(hào)，防止因透氣頭意外封堵而造成壓載艙內(nèi)超壓情況；

為保證空氣用量，在機(jī)械處所適當(dāng)處配3 MPa空壓機(jī)和高壓空氣瓶至少一組，以及減壓閥、相關(guān)的控制箱和空氣閥組。起動(dòng)空氣系統(tǒng)也可增加擾泥專用的管路和控制閥，在保證起動(dòng)空氣需求的前提下參與吹艙作業(yè)，有關(guān)運(yùn)行信號(hào)與報(bào)警可接入AMS系統(tǒng)。

各種技術(shù)措施配置及效果，見表1。

5.3 使用方法

（1）工作模式選擇：自動(dòng)/遙控/手動(dòng)；

（2）自動(dòng)功能：航行與排壓載水兩個(gè)工況。

船舶航行期間，在程控器的作用下擾泥器工作，各壓載水艙進(jìn)行掃描式的逐批次的間歇式吹艙作業(yè)，空泡發(fā)生器對(duì)作業(yè)壓載水艙進(jìn)行每小時(shí)若干次累計(jì)時(shí)間約1～3分鐘的高壓空氣噴發(fā)，超聲波發(fā)生器進(jìn)行5～10分鐘的超聲波清洗作業(yè)。作業(yè)頻次根據(jù)進(jìn)艙海水水質(zhì)情況選擇低、中、高檔位，由程控器控制。

排放壓載水時(shí)，對(duì)應(yīng)壓載艙的擾泥器工作，間歇進(jìn)行30～90 s持續(xù)時(shí)間的空氣噴發(fā)，持續(xù)共同或交替的超聲清洗作業(yè)，直至艙內(nèi)水位低為止；

壓載艙內(nèi)水位低和艙內(nèi)壓力高，都能自動(dòng)停止對(duì)應(yīng)壓載艙擾泥器工作。艙內(nèi)壓力高和海水倒灌水浸將觸發(fā)設(shè)備報(bào)警。

（3）遙控功能：可由工作站或控制板遙控實(shí)現(xiàn)壓載艙加入吹艙作業(yè)的分組數(shù)量、作業(yè)頻次和工作順序，系統(tǒng)的起動(dòng)、暫停、停止、應(yīng)急停止、報(bào)警功能，配工作指示器和報(bào)警器。

（4）本地工作模式：本地控制箱提供系統(tǒng)起動(dòng)、停止、應(yīng)急停止、報(bào)警功能。

5.4 優(yōu)點(diǎn)及效益

（1）純物理工作方式、無(wú)毒、無(wú)產(chǎn)生物，符合環(huán)保和防爆要求；

（2）不改變?cè)瓑狠d水管系布置和設(shè)備技術(shù)要求，適用于所有采用壓載水艙設(shè)計(jì)的船舶；

（3）材料和設(shè)備成本低，技術(shù)方法成熟易實(shí)現(xiàn)；

（4）占用機(jī)艙空間小，設(shè)備布置靈活，方案可兼具提供主、輔機(jī)備用起動(dòng)空氣能力，增加船舶安全性；

（5）程控分組間歇作業(yè)使系統(tǒng)能耗很低，可根據(jù)需要靈活避開電力負(fù)荷重載時(shí)間或休息時(shí)間；

（6）可有效避免非沙石質(zhì)、金屬性顆粒在壓載水艙底淤積，減輕壓載水艙腐蝕程度；

（7）去除的壓載艙沉積物重量，相當(dāng)于保證了船舶裝載量，或節(jié)省了航行油耗；

（8）節(jié)省船東定期清理壓載水艙的營(yíng)運(yùn)成本。