化学品船防污染系统的设计与研究

曹东江

(扬州海翔船舶科技有限公司，江苏 扬州 225009)



化学品船防污染系统的设计与研究

曹东江

(扬州海翔船舶科技有限公司，江苏 扬州 225009)

根据MAPOL 73/78公约附则II中对有关化学品船舶的液货的残余物量、不同货物的洗舱程序、有毒液体物质残余物的排放控制等规定，对化学品船防污染系统的设计进行研究。通过有效扫舱系统、洗舱系统、液货舱通风系统、水下排放系统等设计可有效控制化学品船卸货以后舱内残留的有毒残余液货量，减少其对海洋污染。

化学品船；防污染；有毒液体物质；扫舱系统；水下排放；设计

0　引言

国际海事组织(IMO)为了防止和控制船舶运输过程中对海洋环境造成的污染，制定了各种公约和议定书，其中MAPOL 73/78公约附则II就是针对化学品在运输过程中可能会造成对海洋环境污染而制定的，它反映了对排放含有毒液体化学品污水的约束和具体规定。本文围绕MAPOL 73/78公约的相关要求，简要介绍化学品船防止有毒物质污染系统的设计。

1　有毒液体物质的分类

排入海水中的有毒物质，由于其物理、化学性质的差别很大，所以对海洋环境的影响也各不相同。MAPOL73/78公约附则II按照有毒液体释放到海洋中带来的危害程度，将其分为X、Y、Z、OS类。

X类：这类有毒液体物质如从洗舱或排压载的作业中排放入海，将被认为会对海洋资源或人类健康产生重大危害。例如：煤焦油、磷(黄或白)、液态化学废料等。

Y类：这类有毒液体物质如从洗舱或排压载的作业中排放入海，将被认为会对海洋资源或人类健康产生危害。例如：花生油、甲醇、橄榄油、硝酸、硫酸等。

Z类：这类有毒液体物质如从洗舱或排压载的作业中排放入海，将被认为会对海洋资源或人类健康产生较小危害。例如：盐酸、乳酸、氯化钾溶液、尿酸溶液等。

OS类：这类物质如从洗舱或排压载的作业中排放入海，目前认为对海洋资源、人类健康、海上休憩环境或其他合法的利用并无危害。例如：苹果汁、糖蜜、橘子汁等。

2　残余液货量要求与有效扫舱系统的设计

2.1扫舱残余液货量要求

化学品船在正常的货物输送时应尽可能地将货卸干净，这样排入到海中的货物就可少一些。MAPOL 73/78公约附则II要求每艘船舶必须配备合适的泵吸和管路系统，以确保指定运载X类、Y类和Z类的每一液货舱在卸货后所留存的残余物量不超过表1的要求。表中，N/A为不适用意思，IBC船舶为国际散装运输危险化学品船，BCH船舶为散装运输危险化学品船。

表1　扫舱残余液货量要求

2.2有效扫舱系统的设计

化学品船是否符合有效扫舱的要求将作为颁发化学品液货船适装证书(COF证书)前必不可少的检验项目之一，不符合要求的船舶就不能获得装载相应物质的COF证书，也就不能承运相应物质。因此，液货管系的设计对化学品来说至关重要，尤其是设置合理、有效的扫舱系统。

化学品船的液货装卸主要有独立式液货装卸系统和主管式液货装卸系统这2种形式的系统。

(1)独立式液货装卸系统的主要特点是无液货泵舱，每一或每组液货舱设置1台液货泵(潜液泵或深井泵)，每台液货泵设有单独的甲板液货管路，潜液泵或深井泵自带有扫舱系统，不需再设置另外的扫舱管系。当卸货到最后阶段液货舱几乎全部卸空时，即可开始执行扫舱程序。扫舱时，首先要降低液货泵的转速，关闭主液货泵出口处的主液货阀，其次，打开小通径的扫舱阀，液货舱内以及液货泵内的残余液货将通过小通径的扫舱管排至主液货阀前的主液货管内，同时在主液货阀后设有吹扫球阀用于连接压缩空气软管，在扫舱最后阶段吹入压缩空气将主液货阀后液货管内的残液，以及液货泵内的残液通过小通径的扫舱管排至主液货阀前，这时低速运转的液货泵叶轮就像1个止回阀，可防止液货回到液货舱。扫舱结束后，液货舱和液货泵内不再有残液，此时系统的残液主要集中在主液货阀前的液货管内。管系设计时需考虑设置1套小通径的主液货管扫线管路，扫线管从主液货阀前接至装卸油站处的横跨管阀外侧。同时在横跨管阀内侧设有连接压缩空气的扫线管路吹扫小球阀，接入压缩空气可将主液货管内的残液通过扫线管排岸。扫线管路同时也跟接至污液舱的纵向公共扫线管相连接，通过压缩空气也可将主液货管内的残液通过扫线管排至污液舱。

(2)主管式液货装卸系统一般设有泵舱，使用常规液货泵，每一液货泵设置1根总管，从总管引出支管至相应的液货舱。主管式液货装卸系统适用于液货品种固定的专用化学品船，以及运载货品品种不多的中小型化学品船。主管式液货装卸系统由于吸入管较长，最后阶段残留在液货舱的残液较多，液货泵自身又无扫舱能力，所以需要设置单独的扫舱系统用于清扫液货舱内的残液、液货泵内的以及主液货管内的残液。主管式液货装卸系统的扫舱系统采用1台小排量的扫舱泵，在液货舱设有单独的小通径扫舱管接至扫舱泵，液货泵和主液货管设有小通径扫线管接至扫舱泵。当有多台液货泵时，扫舱管系将会很复杂，而且扫舱系统本身也会产生残余量很难清扫。设计时，应根据船舶主要装运货品、建造成本等要素综合考虑，选择合理的系统形式。

3　强制预洗要求和洗舱系统的设计

3.1强制预洗要求

MAPOL 73/78公约附则II附录VI规定，运载X类物质的化学品船在卸货后必须按照规定的程序进行预洗；对于运载Y类和Z类物质的化学品船在卸货后残余液货量不满足公约要求的，也必须按照规定的程序进行预洗；洗舱水必须排放到卸货港的接收设备。规定需进行强制预洗的物质大致如下：

(1)X类物质。

(2)属于凝固性或高黏度的Y类、Z类物质。

(3)非凝固性或低粘度物质但未经有效扫舱，而代替措施又不能使剩余货物量减少到公约要求的扫舱要求时，必须对该舱进行预洗。

(4)特殊区域内的Y类物质(但可以留存残余物于船上，带至特殊区域外洗舱排放入海)。

3.2洗舱系统的设计

化学品船的洗舱系统由固定式洗舱机或可携式洗舱机、洗舱泵、洗舱水加热器、洗舱管路组成，主要设备可按照以下公式设计。

3.2.1洗舱机的容量

式中：QV1为洗舱机最小容量，m3/h；r为每液货舱的残余量，m3；V为液货舱的舱容，m3；K为系数。

3.2.2洗舱泵的容量

qVP≥nWqVW

式中：qVP为洗舱泵容量，m3/h；nW为同时工作洗舱机台数；qVW为洗舱机的工作容量，m3/h。

洗舱泵的排压没有规定具体压力值，一般在清洗装过X类以及Y类、Z类凝固性物质的货舱时，要有一个较大的压力有效地作用于货舱结构，达到充分清洗效果。另外，只有在足够高压下才能使洗舱机在舱内最长距离实施洗舱作业。

3.2.3洗舱水温度

在计算洗舱水加热器时，对于主要在高纬度地区航行的船舶，洗舱水的初始温度可按0 ℃计算；对于主要在热带地区航行的船舶，洗舱水初始温度可按5 ℃计算；其他地区航行的船舶，洗舱水初始温度可按22～25 ℃计算。对于预洗装过凝固性货品的货舱时，需要把洗舱水温度加热至60 ℃以上；预洗装过非凝固性货品以及在20 ℃时其黏度等于或大于25 mPa.s的物质的货舱时，也需要把洗舱水温度加热至60 ℃以上；预洗要求高温洗舱的货品的货舱时，需要使用80～85 ℃(最高90 ℃)的热水。

3.2.4洗舱机的位置

在预洗装过凝固性的X类、Y类、Z类物质的货舱时，洗舱机可先放在中间部位进行清洗，对于某些未洗到的部位可视其情况变动位置后再进行清洗。根据公约的排放标准中允许有一定量的残余物存在的规定，在预洗装过非凝固性的X类、Y类、Z类物质的货舱时，只需针对重点部位，放在1个固定位置就可以。

4　液货舱通风系统设计

4.1吹扫程序

对于物质在20 ℃时蒸汽压力超过5×103Pa的液货残余，MAPOL 73/78公约附则II附录VII规定可用通风作业从液货舱中除去。采用通风作业除去货舱、泵和管路中的液货残余物，可以省去洗舱、扫舱、排放程序，节约船舶的营运成本。MAPOL 73/78公约附则II附录VII规定，采用通风清除液货舱内的残液应按如下程序：

(1)管路内液货应泄去，并且用通风设备进一步将液体清除。

(2)为提高舱内残余物的挥发性，将船舶横倾和纵倾应调整到尽可能最小的程度。

(3)通风设备产生的气流应能够到达液货舱底部的通风机。

(4)通风设备布置的位置应最靠近液货舱汇集阱或吸入点。

(5)通风设备应尽可能使气流直接吹到液货舱收集井或吸口位置，并尽可能避免使气流冲击液货舱构件。

(6)通风应持续到液货舱内看不到有液体留存为止，应通过目视检查或等效方法来核实。

清除液货舱内残余物的气流量与液货舱的高度应相对应。图1为MAPOL 73/78公约附则II附录VII规定的最少气流量与气流量到达深度的函数关系，液货舱吹扫风机的排量可据此选取。图1中，假设所选水力风机入口直径为30 cm，气流量若需达到32 m深，则进口处最小气流量至少要173.5 m3/min，也就是所选择的液货舱吹扫风机的排量要大于173.5 m3/min。

4.2液货舱通风系统设计

液货吹扫通风机尺寸和功率比较大，设计时一般布置在船首安全区域。通风管从船首安全区域延伸至液货装卸站处，使用时用软管连接液货装卸管，通过液货装卸管将干燥空气吹入液货舱。

5　水下排放系统的设计

5.1排放有毒液体物质的要求

MAPOL 73/78公约附则II规定在南极区域(南纬60°以南海域)，禁止任何有毒液体物质或含有此类物质的混合物排放入海；在非南极区域，对于装运X类物质的船舶在卸货后应进行预洗，清洗的残余物浓度重量低于0.1%之后，将舱内剩余的洗舱水完全排至接收设备后，灌入舱内的任何水可参照下述排放标准排放入海里。对于装运Y类、Z类物质的船舶在卸货后，若卸货后货物残余物的数量不满足公约要求，也需按照上述程序进行预洗。当清洗的残余物浓度重量低于0.1%之后，将舱内剩余的洗舱水完全排至接收设备后，随后灌入舱内的任何水方可参照下述排放标准排放入海里。

排放标准如下：

图1　最少气流量与气流量到达深度的函数关系

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

(2)水线以下通过水下排放口进行排放，不超过水下排放口的最高设计排放速率。

(3)排放时距最近陆地不少于12 n mile，水深不少于25 m。

如装运Y类、Z类物质的船舶位于距最近陆地不小于12 n mile，且水深不小于25 m的水域中，而灌入已清洗液货舱的，含前次所载物质的量小于1×10-6的压载水，可排放入海，无需考虑其排放率。

由于大多数有毒液体物质不像油类物质那样浮在海面上，为了使有毒液体物质的残余物与海水迅速充分混合，最好的办法是借助于船舶的边界层将其引入船尾迹流。船舶在行驶时，在船舷和水流间形成的边界层是水的紊流区域，将有毒液体物质的残余物排入这个边界层后，首先排出物可在边界层内迅速稀释，随即可进入船尾迹流

中进一步稀释、扩散。为此，MAPOL 73/78公约附则II对有毒物质残余物水下排放口进行如下规定：

(1)水下排放口应位于货物区域内舭部弯曲处附近，其布置应避免在船舶吸入海水时将其残余物或水混合物重新吸入。

(2)水下排放口应布置在使排放入海的残余物或水混合物不通过船舶的边界层。为此，当排放方向与船壳板成直角时，排放口的最小直径由下列公式算出：

式中：d为排放口最小直径，m；L为从首垂线到排放口距离，m；Q为船舶通过排放口排放残余物或水混合物所选的最高速率，m3/h。

(3)当排放方向与船壳外部成一角度时，上述关系应以Q的分量来计算。

5.2水下排放系统的设计

有毒液体物质残余物一般采用污液泵(独立液货装卸系统)或扫舱泵(主管式液货装卸系统)排放，不再设置单独的排放泵，就是上述公式中Q也应按照污液泵或扫舱泵额定流量计算水下排放口的直径。当水下排放口与舭部船壳板成一定角度布置时，Q应按照垂直船壳板的分量计算。水下排放口应布置在船舶进水口的另一侧，避免重新吸入排放物的风险。

6　设计时的其他注意事项

(1)对具有多吸口的长轴深井泵，还须配有真空或压力扫舱系统，即先用压缩空气使多吸口泵罩形成一定的真空度，使残余液货吸入，然后再用压缩空气将残余液货扫至岸上。

(2)跟油船不同，MAPOL 73/78公约附则II不要求化学品船配置专用污油水舱，如某些冲洗程序可能需要污油水舱，液货舱可被用作污油水舱。

(3)在用通风除去液货舱内有毒液体物质残余前，应考虑到关于液货可燃性和毒性的安全危险。关于货舱开口的操作要求，应参考SOLAS公约、《国际散装化学品规则》、《散装化学品规则》。通风程序还应参照国际航运公会(ICS)《液货船安全指南(化学品)》中的相关规定。

(4)设计应考虑液货扫舱系统出现故障时的备用措施。一般是采用1台带独立动力单元的便携式液货泵，当某一液货舱的液货系统或扫舱系统出现故障时，将便携式液货泵放置于该舱内，用液压软管连接液压动力管驱动便携式液货泵，便携式液货泵出口接有货油软管，可将出现故障的液货舱内的残液排至相邻的液货舱。

7　结语

化学品船的防污染系统设计时应结合船舶运载的货品、码头的设施、建造成本、营运成本等各方面的因素综合考虑。对于运载货品品种不多的中小型化学品船宜采用泵舱泵的液货管系，而对于运载货品繁多的大型船舶则应采用一舱一泵液货管系；对于不装运或很少装运在20 ℃时蒸汽压力超过5×103Pa的物质的船舶，则可不设置液货舱通风机。对主要装运X类物质和凝固性或高黏度的Y类、Z类物质的船舶则需考虑设置固定洗舱机，同时增加洗舱水加热系统的容量，避免使用码头的洗舱设备增加营运成本。只有结合各个方面的要求，才能设计出既符合规范和公约要求，同时又满足船东的使用要求的合理系统。

[1]中国船舶工业总公司. 船舶设计实用手册[M]. 北京：国防工业出版社，2013.

[2]黄恒祥.轮机工程手册[M]. 北京：人民交通出版社，1992.

[3]刘斌,李凯.化学品船安全知识和操作[M]. 大连：大连海事大学出版社，1999.

[4]段佩海.船舶防污染技术[M]. 大连：大连海事大学出版社，2000.

2016-01-15

曹东江(1973—)，男，工程师，从事船舶科研与设计工作。

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