化學品船防污染系統的設計與研究

曹東江

(揚州海翔船舶科技有限公司，江蘇 揚州 225009)

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化學品船防污染系統的設計與研究

曹東江

(揚州海翔船舶科技有限公司，江蘇 揚州 225009)

根據MAPOL 73/78公約附則II中對有關化學品船舶的液貨的殘余物量、不同貨物的洗艙程序、有毒液體物質殘余物的排放控制等規定，對化學品船防污染系統的設計進行研究。通過有效掃艙系統、洗艙系統、液貨艙通風系統、水下排放系統等設計可有效控制化學品船卸貨以后艙內殘留的有毒殘余液貨量，減少其對海洋污染。

化學品船；防污染；有毒液體物質；掃艙系統；水下排放；設計

0　引言

國際海事組織(IMO)為了防止和控制船舶運輸過程中對海洋環境造成的污染，制定了各種公約和議定書，其中MAPOL 73/78公約附則II就是針對化學品在運輸過程中可能會造成對海洋環境污染而制定的，它反映了對排放含有毒液體化學品污水的約束和具體規定。本文圍繞MAPOL 73/78公約的相關要求，簡要介紹化學品船防止有毒物質污染系統的設計。

1　有毒液體物質的分類

排入海水中的有毒物質，由于其物理、化學性質的差別很大，所以對海洋環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：這類有毒液體物質如從洗艙或排壓載的作業中排放入海，將被認為會對海洋資源或人類健康產生重大危害。例如：煤焦油、磷(黃或白)、液態化學廢料等。

Y類：這類有毒液體物質如從洗艙或排壓載的作業中排放入海，將被認為會對海洋資源或人類健康產生危害。例如：花生油、甲醇、橄欖油、硝酸、硫酸等。

Z類：這類有毒液體物質如從洗艙或排壓載的作業中排放入海，將被認為會對海洋資源或人類健康產生較小危害。例如：鹽酸、乳酸、氯化鉀溶液、尿酸溶液等。

OS類：這類物質如從洗艙或排壓載的作業中排放入海，目前認為對海洋資源、人類健康、海上休憩環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的設計

2.1掃艙殘余液貨量要求

化學品船在正常的貨物輸送時應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，以確保指定運載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船舶為國際散裝運輸危險化學品船，BCH船舶為散裝運輸危險化學品船。

表1　掃艙殘余液貨量要求

2.2有效掃艙系統的設計

化學品船是否符合有效掃艙的要求將作為頒發化學品液貨船適裝證書(COF證書)前必不可少的檢驗項目之一，不符合要求的船舶就不能獲得裝載相應物質的COF證書，也就不能承運相應物質。因此，液貨管系的設計對化學品來說至關重要，尤其是設置合理、有效的掃艙系統。

化學品船的液貨裝卸主要有獨立式液貨裝卸系統和主管式液貨裝卸系統這2種形式的系統。

(1)獨立式液貨裝卸系統的主要特點是無液貨泵艙，每一或每組液貨艙設置1臺液貨泵(潛液泵或深井泵)，每臺液貨泵設有單獨的甲板液貨管路，潛液泵或深井泵自帶有掃艙系統，不需再設置另外的掃艙管系。當卸貨到最后階段液貨艙幾乎全部卸空時，即可開始執行掃艙程序。掃艙時，首先要降低液貨泵的轉速，關閉主液貨泵出口處的主液貨閥，其次，打開小通徑的掃艙閥，液貨艙內以及液貨泵內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，同時在主液貨閥后設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的殘液，以及液貨泵內的殘液通過小通徑的掃艙管排至主液貨閥前，這時低速運轉的液貨泵葉輪就像1個止回閥，可防止液貨回到液貨艙。掃艙結束后，液貨艙和液貨泵內不再有殘液，此時系統的殘液主要集中在主液貨閥前的液貨管內。管系設計時需考慮設置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。同時在橫跨管閥內側設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的殘液通過掃線管排岸。掃線管路同時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的殘液通過掃線管排至污液艙。

(2)主管式液貨裝卸系統一般設有泵艙，使用常規液貨泵，每一液貨泵設置1根總管，從總管引出支管至相應的液貨艙。主管式液貨裝卸系統適用于液貨品種固定的專用化學品船，以及運載貨品品種不多的中小型化學品船。主管式液貨裝卸系統由于吸入管較長，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，所以需要設置單獨的掃艙系統用于清掃液貨艙內的殘液、液貨泵內的以及主液貨管內的殘液。主管式液貨裝卸系統的掃艙系統采用1臺小排量的掃艙泵，在液貨艙設有單獨的小通徑掃艙管接至掃艙泵，液貨泵和主液貨管設有小通徑掃線管接至掃艙泵。當有多臺液貨泵時，掃艙管系將會很復雜，而且掃艙系統本身也會產生殘余量很難清掃。設計時，應根據船舶主要裝運貨品、建造成本等要素綜合考慮，選擇合理的系統形式。

3　強制預洗要求和洗艙系統的設計

3.1強制預洗要求

MAPOL 73/78公約附則II附錄VI規定，運載X類物質的化學品船在卸貨后必須按照規定的程序進行預洗；對于運載Y類和Z類物質的化學品船在卸貨后殘余液貨量不滿足公約要求的，也必須按照規定的程序進行預洗；洗艙水必須排放到卸貨港的接收設備。規定需進行強制預洗的物質大致如下：

(1)X類物質。

(2)屬于凝固性或高黏度的Y類、Z類物質。

(3)非凝固性或低粘度物質但未經有效掃艙，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，必須對該艙進行預洗。

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

3.2洗艙系統的設計

化學品船的洗艙系統由固定式洗艙機或可攜式洗艙機、洗艙泵、洗艙水加熱器、洗艙管路組成，主要設備可按照以下公式設計。

3.2.1洗艙機的容量

式中：QV1為洗艙機最小容量，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。

3.2.2洗艙泵的容量

qVP≥nWqVW

式中：qVP為洗艙泵容量，m3/h；nW為同時工作洗艙機臺數；qVW為洗艙機的工作容量，m3/h。

洗艙泵的排壓沒有規定具體壓力值，一般在清洗裝過X類以及Y類、Z類凝固性物質的貨艙時，要有一個較大的壓力有效地作用于貨艙結構，達到充分清洗效果。另外，只有在足夠高壓下才能使洗艙機在艙內最長距離實施洗艙作業。

3.2.3洗艙水溫度

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

3.2.4洗艙機的位置

在預洗裝過凝固性的X類、Y類、Z類物質的貨艙時，洗艙機可先放在中間部位進行清洗，對于某些未洗到的部位可視其情況變動位置后再進行清洗。根據公約的排放標準中允許有一定量的殘余物存在的規定，在預洗裝過非凝固性的X類、Y類、Z類物質的貨艙時，只需針對重點部位，放在1個固定位置就可以。

4　液貨艙通風系統設計

4.1吹掃程序

對于物質在20 ℃時蒸汽壓力超過5×103Pa的液貨殘余，MAPOL 73/78公約附則II附錄VII規定可用通風作業從液貨艙中除去。采用通風作業除去貨艙、泵和管路中的液貨殘余物，可以省去洗艙、掃艙、排放程序，節約船舶的營運成本。MAPOL 73/78公約附則II附錄VII規定，采用通風清除液貨艙內的殘液應按如下程序：

(1)管路內液貨應泄去，并且用通風設備進一步將液體清除。

(2)為提高艙內殘余物的揮發性，將船舶橫傾和縱傾應調整到盡可能最小的程度。

(3)通風設備產生的氣流應能夠到達液貨艙底部的通風機。

(4)通風設備布置的位置應最靠近液貨艙匯集阱或吸入點。

(5)通風設備應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件。

(6)通風應持續到液貨艙內看不到有液體留存為止，應通過目視檢查或等效方法來核實。

清除液貨艙內殘余物的氣流量與液貨艙的高度應相對應。圖1為MAPOL 73/78公約附則II附錄VII規定的最少氣流量與氣流量到達深度的函數關系，液貨艙吹掃風機的排量可據此選取。圖1中，假設所選水力風機入口直徑為30 cm，氣流量若需達到32 m深，則進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機的排量要大于173.5 m3/min。

4.2液貨艙通風系統設計

液貨吹掃通風機尺寸和功率比較大，設計時一般布置在船首安全區域。通風管從船首安全區域延伸至液貨裝卸站處，使用時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　水下排放系統的設計

5.1排放有毒液體物質的要求

MAPOL 73/78公約附則II規定在南極區域(南緯60°以南海域)，禁止任何有毒液體物質或含有此類物質的混合物排放入海；在非南極區域，對于裝運X類物質的船舶在卸貨后應進行預洗，清洗的殘余物濃度重量低于0.1%之后，將艙內剩余的洗艙水完全排至接收設備后，灌入艙內的任何水可參照下述排放標準排放入海里。對于裝運Y類、Z類物質的船舶在卸貨后，若卸貨后貨物殘余物的數量不滿足公約要求，也需按照上述程序進行預洗。當清洗的殘余物濃度重量低于0.1%之后，將艙內剩余的洗艙水完全排至接收設備后，隨后灌入艙內的任何水方可參照下述排放標準排放入海里。

排放標準如下：

圖1　最少氣流量與氣流量到達深度的函數關系

(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行排放，不超過水下排放口的最高設計排放速率。

(3)排放時距最近陸地不少于12 n mile，水深不少于25 m。

如裝運Y類、Z類物質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。

由于大多數有毒液體物質不像油類物質那樣浮在海面上，為了使有毒液體物質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，在船舷和水流間形成的邊界層是水的紊流區域，將有毒液體物質的殘余物排入這個邊界層后，首先排出物可在邊界層內迅速稀釋，隨即可進入船尾跡流

中進一步稀釋、擴散。為此，MAPOL 73/78公約附則II對有毒物質殘余物水下排放口進行如下規定：

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

(2)水下排放口應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，當排放方向與船殼板成直角時，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)當排放方向與船殼外部成一角度時，上述關系應以Q的分量來計算。

5.2水下排放系統的設計

有毒液體物質殘余物一般采用污液泵(獨立液貨裝卸系統)或掃艙泵(主管式液貨裝卸系統)排放，不再設置單獨的排放泵，就是上述公式中Q也應按照污液泵或掃艙泵額定流量計算水下排放口的直徑。當水下排放口與舭部船殼板成一定角度布置時，Q應按照垂直船殼板的分量計算。水下排放口應布置在船舶進水口的另一側，避免重新吸入排放物的風險。

6　設計時的其他注意事項

(1)對具有多吸口的長軸深井泵，還須配有真空或壓力掃艙系統，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)在用通風除去液貨艙內有毒液體物質殘余前，應考慮到關于液貨可燃性和毒性的安全危險。關于貨艙開口的操作要求，應參考SOLAS公約、《國際散裝化學品規則》、《散裝化學品規則》。通風程序還應參照國際航運公會(ICS)《液貨船安全指南(化學品)》中的相關規定。

(4)設計應考慮液貨掃艙系統出現故障時的備用措施。一般是采用1臺帶獨立動力單元的便攜式液貨泵，當某一液貨艙的液貨系統或掃艙系統出現故障時，將便攜式液貨泵放置于該艙內，用液壓軟管連接液壓動力管驅動便攜式液貨泵，便攜式液貨泵出口接有貨油軟管，可將出現故障的液貨艙內的殘液排至相鄰的液貨艙。

7　結語

化學品船的防污染系統設計時應結合船舶運載的貨品、碼頭的設施、建造成本、營運成本等各方面的因素綜合考慮。對于運載貨品品種不多的中小型化學品船宜采用泵艙泵的液貨管系，而對于運載貨品繁多的大型船舶則應采用一艙一泵液貨管系；對于不裝運或很少裝運在20 ℃時蒸汽壓力超過5×103Pa的物質的船舶，則可不設置液貨艙通風機。對主要裝運X類物質和凝固性或高黏度的Y類、Z類物質的船舶則需考慮設置固定洗艙機，同時增加洗艙水加熱系統的容量，避免使用碼頭的洗艙設備增加營運成本。只有結合各個方面的要求，才能設計出既符合規范和公約要求，同時又滿足船東的使用要求的合理系統。

[1]中國船舶工業總公司. 船舶設計實用手冊[M]. 北京：國防工業出版社，2013.

[2]黃恒祥.輪機工程手冊[M]. 北京：人民交通出版社，1992.

[3]劉斌,李凱.化學品船安全知識和操作[M]. 大連：大連海事大學出版社，1999.

[4]段佩海.船舶防污染技術[M]. 大連：大連海事大學出版社，2000.

2016-01-15

曹東江(1973—)，男，工程師，從事船舶科研與設計工作。

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