挪威船級社CLEAN（DESIGN）的標準要求及其 在集裝箱船輪機設計上的應用

姚 飛 董 越 李 華 段玉龍 馬天帥

（1. 中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011； 2. 中國船級社江蘇分社 南京 210011； 3. 海裝裝備項目管理中心 北京 100071）

0 引 言

民用運輸船舶研發(fā)過程中必須滿足入級規(guī)范的設計要求，其中與環(huán)保相關(guān)的船級符號是船舶滿足相應環(huán)保要求的設計依據(jù)。DNVGL 中的CLEAN（DESIGN）符號就是其中的典型代表，對該符號的研究有著很強的現(xiàn)實意義和應用價值。

CLEAN（DESIGN）符號是CLEAN 符號的強化版，在過往的船舶設計和相關(guān)研究中，大多針對CLEAN 符號，而對CLEAN（DESIGN）符號的涉獵較少。王井豐等[1]對比研究了不同船級社環(huán)保符號對船舶制冷系統(tǒng)制冷劑使用的影響，李杰[2]研究了CLEAN（DESIGN）符號對艙底水系統(tǒng)設計的影響，單興鵬等[3]研究了CLEAN（DESIGN）符號在深水海洋工程船上的應用，蔡君等[4]研究了滿足CLEAN（DESIGN）符號的外置組合型艉管和軸系，陳佳君[5]研究了CLEAN（DESIGN）符號對船用制冷劑的要求，但目前尚無CLEAN（DESIGN）在集裝箱船輪機設計方面的系統(tǒng)研究。本文深入研究了DNVGL 最新規(guī)范中CLEAN（DESIGN）符號對集裝箱運輸船輪機設計的影響，總結(jié)提煉了相較于CLEAN 符號的新變化和新要求，介紹了實船項目中滿足CLEAN（DESIGN）符號的設計方法，為該符號在后續(xù)船舶設計中的應用提供了一定的參考和借鑒。

1 CLEAN（DESIGN）符號的設計要求

1.1 CLEAN符號的設計要求

CLEAN 符號提出了限制和減少船上能源供應系統(tǒng)、貨物裝卸系統(tǒng)和日用系統(tǒng)等各種系統(tǒng)的排放要求，包括對排放到空氣中和排放到海水中的要求。

1.1.1 排放到空氣中

CLEAN 符號要求固定滅火系統(tǒng)和滅火器中使用的物質(zhì)不具有全球變暖潛勢，或使用的物質(zhì)符合全球變暖潛能值（global warming potential, GWP）小于4 000 且臭氧衰減指數(shù)（ozone depleting potential, ODP）為 0 的要求。

1.1.2 排放到海水中

（1）燃油加注站和其他油加注站的要求

所有燃油儲存艙均應配備高液位報警以防止溢流。若燃油儲存艙設有通向另一個配備高液位報警的燃油儲存/日用艙，則該儲存艙無需設置高液位報警。若船舶設計有燃油溢流艙，則應在溢流艙設置低液位報警以指示油艙處于溢流狀態(tài)。

燃油、滑油、其他油加注站以及其余可能發(fā)生溢油的位置均應設置滴油盤，以防止油類外溢污染海洋。CLEAN 符號規(guī)定了滴油盤的最小容積：小于1 600 總噸的船舶為80 L，不小于1 600 總噸的船舶為160 L。

燃油艙、滑油艙、液壓油艙和溢流艙的透氣管和溢流管出口也應布置滴油盤，其最小容積：小于1 600 總噸的船舶為40 L，不小于1 600 總噸的船舶為100 L。

（2）艙底水系統(tǒng)

船舶應配備油水分離器和油分計（艙底水油分報警器），還應提供故障安全裝置，以防油水分離器和/或艙底水油分報警器在故障時發(fā)生排放。艙底水油分報警器應滿足MARPOL 公約附則I 第14條和IMO Res.MEPC.107（49）的要求。

（3）生活污水系統(tǒng)

所有生活污水（黑水）在排放前均應經(jīng)過船級社型式認可的生活污水處理裝置處理，處理過程中產(chǎn)生的廢渣僅限船舶在航線上以不小于4 kn 的速度航行時才可排放。生活污水排放速率應按照 MEPC.157（55）中關(guān)于未經(jīng)處理的生活污水排放速率標準進行。

經(jīng)過處理的生活污水排舷外管應與生活污水廢渣的排舷外管分開，或在每次使用排渣泵后對管路進行適當清潔。

（4）油/水分界面

滑油/油脂可能泄漏到海洋中的任何位置，以下位置都易產(chǎn)生油/水分界面，如艉管軸承、舵軸承、艏側(cè)推、甲板機械及液壓操作設備等。對油/水分界面應保持密切監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)泄漏，應立即啟動糾正措施并記錄在油/水分界面日志中。

1.2 限定詞“DESIGN”的特殊要求

限定詞“DESIGN”給出了相較于CLEAN 符號更嚴格的減排限排要求，此外還規(guī)定了船舶設計方面的要求。一般情況下，擁有CLEAN（DESIGN）符號的船舶應滿足CLEAN 符號的所有要求。

1.2.1 排放到空氣中

CLEAN（DESIGN）對船舶使用的滅火物質(zhì)有著更高要求，其GWP 的上限為2 000，同時還禁止使用全氟辛烷磺酸及其衍生物質(zhì)量分數(shù)超過0.001%的滅火泡沫。

1.2.2 排放到海水中

（1）燃油加注站和其他油加注站的要求

CLEAN 符號提出的高液位報警要求也需應用于滑油艙、液壓油艙和其他油加注艙。直升機、救生艇、補給船及救援艇等輔助船舶均應提供加注站和滴油盤，以便收集溢出的燃油并將其泄放到安全位置。油料加注裝置的滴油盤應配備封閉式泄放裝置并通至甲板收集艙或油渣艙。

（2）生物污損

依據(jù)MEPC.207（62），應向船舶提供生物污損管理計劃。

（3）艙底水和油渣系統(tǒng)

所有船舶均應配備艙底水油水分離器、油分報警器以及自動停止裝置，使得排舷外水中的油分和油燃燒后的污染物含量不超過0.000 5%體積分數(shù)。

CLEAN（DESIGN）符號規(guī)定從超過0.000 5%體積分數(shù)油分的艙底水排放到自動停止裝置響應的總時間（包括艙底水警報的響應時間）應小于20 s。油分報警器必須為不同來源的艙底水提供聯(lián)鎖，使之每次只能將1 個來源的含油艙底水排到舷外。

艙底水艙的最小總?cè)萘繎绫? 所示。

表1 艙底水艙總艙容

表中：P為主機額定功率，kW。對于不配置主機的非常規(guī)推進系統(tǒng)（如柴電推進），P可以認為是所有輔機或最高載荷工況（如正常海上航行工況、動力定位和裝載等）的總和。

鍋爐和經(jīng)濟器清灰的洗滌水需設置單獨的水艙來收集，水艙的進水口應設有煙灰收集濾袋或等效裝置。

（4）生活污水和灰水系統(tǒng)

船舶應設有生活污水收集艙及向岸上輸送的裝置和灰水收集艙。生活污水收集艙及灰水收集艙的艙容應充分考慮船員數(shù)量和預計的停港時間。對于重力式馬桶，黑水量按每人每天70 L 計算；對于真空馬桶，黑水量按每人每天25 L 計算?；宜堪疵咳嗣刻?10 L 計算。在港口停留的時間應不少于4 d。

黑水和灰水收集艙均應設置高液位報警和透氣管路，且黑水系統(tǒng)透氣管路應獨立于其他系統(tǒng)的透氣管路，以避免臭氣污染其他系統(tǒng)。

灰水不可直接排至舷外，必須先經(jīng)過生活污水處理裝置的處理。對于船員和乘客總數(shù)超過30 人的船舶，廚房灰水系統(tǒng)的排水總管需安裝撇油器，并接至合適的收集艙。撇油器與收集艙距離較遠時，應設置伴熱和足夠坡度的管路以利于泄放。

（5）艉管潤滑和密封設計

除水潤滑外，艉管密封設計應保證潤滑劑不與海水接觸。如果使用生物降解滑油，應采取措施控制油的含水量，并確保密封材料與生物降解滑油相容；如果使用化石類滑油，則應安裝有效且受監(jiān)控的雙重屏障密封系統(tǒng)。

1.2.3 建造和設計

（1）燃油艙保護

艙容低于10 m3的油艙可設置在雙層底，但這些未受保護的油艙總艙容應小于40 m3；雙層底之外的油艙單艙艙容不得超過1 500 m3。

艙底水沉淀艙及艙底水預置柜與船體外板的距離應不小于0.76 m（艙底水沉淀艙下游的艙底水預置柜或艙底水儲存艙無此要求）。如果出于技術(shù)設計的考慮，可降低主機滑油循環(huán)艙下方所需的雙層底高度。

油艙應位于船底外板型線以上h的高度。其中h為船寬（B）的1/20 或2.0 m 的較小值，h的最小值是0.76 m。在舭部區(qū)域以及舭部沒有明顯轉(zhuǎn)彎的位置，燃油艙的邊界線應平行于船底，如圖1[6]所示。

圖1 油艙底板與船底外板的高度示意圖

油艙側(cè)板與舷側(cè)外板的距離示意參見圖2[6]。

圖2 油艙側(cè)板與舷側(cè)外板的距離示意圖

油艙總?cè)莘e低于5 000 m3的船舶，油艙應位于舷側(cè)外板型線內(nèi)側(cè)。如圖2 中的左側(cè)圖所示，其邊界線定義為與舷側(cè)外板垂直且距離不小于w的位置：

式中：C為燃油艙總?cè)莘e的98%，m3；w為油艙側(cè)板與舷側(cè)外板的最小距離，其最小值是1.0 m，但對于艙容小于500 m3的單個油艙，w最小值為0.76 m。

油艙總?cè)莘e不低于5 000 m3的船舶，油艙應位于舷側(cè)外板型線內(nèi)側(cè)。如圖2 中的右側(cè)圖所示，其邊界線定義為與舷側(cè)外板垂直且距離不小于w的位置：

式中：C為燃油艙總?cè)莘e的98%，m3；w的最小值為 1.0 m。

（2）雜項

油管管路距船底小于h或距舷側(cè)小于w的，應在艙內(nèi)或緊鄰艙的位置安裝閥門或類似的關(guān)閉裝置。閥門為故障安全型，在海上除燃油駁運的任何時候都應保持關(guān)閉且能從易于進入的封閉處所操作。

若油艙內(nèi)設有吸油井，則吸油井可在距離h定義的分界線以下伸入雙層底，但吸油井要盡量偏小，且井底與船底殼的距離不小于0.5h，如圖3[6]所示。

圖3 吸油井與船底殼的距離示意圖

2 實船項目輪機設計

該型雙燃料集裝箱船由于總體尺寸較小且船體線型瘦削，因而機艙布置相較于萬箱以上的集裝箱船明顯緊湊。在該船的設計過程中充分研究了DNVGL 規(guī)范中CLEAN（DESIGN）符號的設計要求，并結(jié)合實船特點和設計上的難點，提出了滿足符號要求且行之有效的設計方法。

2.1 機艙液艙布置

在該型集裝箱船廢油艙的布置設計中，由于底層甲板有較多設備的燃/滑油泄放且均為重力泄放，因而廢油艙（至少有1 個）必須設置在位置更低的雙層底上。根據(jù)MARPOL 公約附則I 的要求，該船油渣艙的總艙容計算如下：

式中：Vs為油渣艙的總艙容，m3；K1為無量綱因數(shù)，適用于主機使用前需要用分油機凈化的重油；K2為無量綱因數(shù)，適用于柴油或主機使用前無需用分油機凈化的重油；C1為重油日消耗量，m3/d；C2為低硫柴油日消耗量，m3/d；D1為重油油渣可以排岸的港口間最大航行時間，d；D2為低硫柴油油渣可以排岸的港口間最大航行時間，d。

依據(jù)上述計算，設置燃油油渣艙容積25.9 m3、滑油油渣艙容積18.1 m3，其總?cè)莘e為44 m3，超過所需的34.8 m3。在燃油/滑油油渣艙總艙容44 m3的情況下，用于集中儲存油渣、設備泄放的廢油以及滴油盤收集的廢油等的廢油艙總艙容也應不低于44 m3。由于該型箱船船東要求廢油艙盡量大（其萬箱以上的箱船廢油艙容積可 達100 m3以 上），根 據(jù)CLEAN（DESIGN）符號的要求，位于雙層底的單個油艙容積應小于 10 m3，故在雙層底設置容積7.8 m3的2 號廢油艙，在高處的三甲板設置容積77.3 m3的1 號廢油艙。當2 號廢油艙達到高液位時，通過油渣泵將油渣及廢油等泵送到三甲板的1 號廢油艙，也可靠港后泵至岸上或通過焚燒爐焚燒處理。

2.2 生活污水處理

為了進一步降低船舶灰水對海洋水體造成的污染，CLEAN（DESIGN）符號不允許灰水直接排至舷外，必須先經(jīng)過生活污水處理裝置的處理。此舉提高了船舶對生活污水處理裝置的要求，不僅需要生活污水處理裝置具備灰水（包括廚房廢水）處理能力，還要求裝置的處理容量大幅增加。

以中國船舶及海洋工程設計研究院（MARIC）設計的另一型集裝箱船為比較對象，該船同樣入級挪威船級社（DNVGL），同時擁有CLEAN 符號，上建生活區(qū)36 人，配備的生活污水處理裝置容量為 2 800 L/d。本型集裝箱船上建生活區(qū)35 人，配備的生活污水處理裝置容量為6 010 L/d。對比發(fā)現(xiàn)：在人數(shù)基本一致的情況下，滿足CLEAN（DESIGN）符號的集裝箱船生活污水處理裝置的處理能力（容量）是滿足CLEAN 符號的集裝箱船的2 倍以上，其根源就在于CLEAN（DESIGN）符號額外要求的灰水處理能力。

2.3 燃油艙保護

集裝箱船的快速性體現(xiàn)在航行速度快和貨物裝卸速度快，本型集裝箱運輸船最高航速為22 kn。高航速也意味著船舶在發(fā)生意外碰撞時的破損情況更為嚴重。CLEAN（DESIGN）符號考慮到該因素，在設計上加強了對燃油艙的保護，降低了因船體破損引發(fā)的油艙泄漏風險。

結(jié)合1.2.3 節(jié)CLEAN（DESIGN）符號的要求和本型集裝箱船的船寬、油艙總艙容等信息，本船型寬（B）42.80 m，B/20 = 2.14 m ＞ 2 m，因此h的計算值是2.0 m；燃油艙總艙容3 277.8 m3，小于 5 000 m3，依據(jù)公式（1），w的計算值為0.786 m。h≥w，對照前頁圖2 中左側(cè)圖的情形，燃油艙保護布置如圖4 和下頁圖5 所示。

圖4 典型機艙內(nèi)油艙布置

圖5 典型燃油深艙布置

艙底水預置柜布置在底層甲板面以上，如下頁圖6 所示，艙柜外壁距離舷側(cè)外板最近處0.82 m，超過CLEAN（DESIGN）符號要求的0.76 m。

圖6 艙底水預置柜布置

3 結(jié) 論

越來越嚴格的環(huán)保與排放要求是航運界不可扭轉(zhuǎn)并加速演進的大趨勢，而集裝箱船作為三大主力運輸船型之一，在世界航運市場有著舉足輕重的重要影響[7]。挪威船級社作為集裝箱船入級最多的船級社，是很多新造集裝箱船的重要入級選擇之一。在此背景下，研究挪威船級社CLEAN（DESIGN）符號在集裝箱船上的應用有著很強的現(xiàn)實意義和參考價值。本文通過研究和總結(jié)得出如下結(jié)論：

（1）CLEAN（DESIGN）附加符號是此前應用較多的CLEAN 符號的增強版本，對集裝箱船向空氣、海洋排放及其他方面的要求進一步提高，同時針對因破艙導致燃油泄漏繼而引發(fā)的海洋污染提出了燃油艙保護設計，顯著提升了集裝箱船在突發(fā)極端情況下的防污染能力。

（2）本文系統(tǒng)研究了CLEAN（DESIGN）符號在集裝箱船輪機設計上的應用，并結(jié)合實船項目的重點和難點介紹了廢油艙布置、生活污水處理裝置選型以及燃油艙保護等設計，對后續(xù)采用該符號的集裝箱船設計有一定參考價值。

（3）對CLEAN（DESIGN）符號的研究啟發(fā)了更高環(huán)保水平集裝箱船輪機設計的思路，通過進一步提高向大氣、海洋排放的要求和標準（如將允許排舷外的含油艙底水要求提高到0.000 5%體積分數(shù)以上）；通過對集裝箱船海上碰撞進行仿真分析，確定燃油艙壁距離船體外板的理想距離（不低于該符號的最低要求）等，可以設計出更加環(huán)保的集裝箱運輸船。