8萬(wàn)噸級(jí)化學(xué)品船洗艙系統(tǒng)設(shè)計(jì)

臧大偉，董瑞華，王 昆，張書(shū)杰，崔曉敏，王吉祥

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

8萬(wàn)噸級(jí)化學(xué)品船洗艙系統(tǒng)設(shè)計(jì)

臧大偉，董瑞華，王 昆，張書(shū)杰，崔曉敏，王吉祥

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

常規(guī)化學(xué)品船洗艙系統(tǒng)由洗艙泵、洗艙水加熱器、固定式洗艙機(jī)、洗艙程序控制裝置及洗艙管系組成，用以保證有效地洗艙。基于MARPOL公約對(duì)大型化學(xué)品船洗艙系統(tǒng)的規(guī)定，對(duì)洗艙系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的選型、系統(tǒng)的配置及管系的設(shè)計(jì)等進(jìn)行研究分析，并簡(jiǎn)單介紹化學(xué)品船洗艙管系的分類及特點(diǎn)，總結(jié)化學(xué)品船洗艙管系設(shè)計(jì)的基本原則。以8萬(wàn)噸級(jí)化學(xué)品船為例，對(duì)洗艙泵排量、加熱器熱負(fù)荷和蒸汽耗量、洗艙機(jī)容量的計(jì)算及管路設(shè)計(jì)的基本原則進(jìn)行研究，尋求最優(yōu)的解決方案。

船舶、艦船工程；化學(xué)品船；洗艙系統(tǒng)；選型計(jì)算

0 引 言

化學(xué)品船通常一次裝載多種貨品，且各種貨品不能相互混合，因此在裝載前需對(duì)貨艙進(jìn)行清洗，以防止貨品被污染?；瘜W(xué)品船洗艙是參照油船的洗艙方式和方法發(fā)展起來(lái)的，既類似于成品油船采用海水作為洗艙的主要介質(zhì)，又區(qū)別于油船需要使用工業(yè)淡水或清潔劑、添加劑及溶劑進(jìn)行預(yù)洗或清洗。由于化學(xué)品船所裝載的液貨種類眾多，洗艙的最終目的是使貨艙達(dá)到高度清潔以保證運(yùn)輸貨品的質(zhì)量，因此洗艙采用的程序和洗艙組合也多種多樣，這些洗艙程序要滿足《國(guó)際防止船舶造成污染公約》（MARPOL公約）附則Ⅱ附錄B、《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規(guī)則）和《散裝運(yùn)輸危險(xiǎn)化學(xué)品船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)則》（BCH規(guī)則）的約束。另外，挪威船級(jí)社（DNV）規(guī)范DNV ETC 96中有對(duì)化學(xué)品船洗艙效果的相關(guān)建議。這里以8萬(wàn)噸級(jí)Ⅰ類化學(xué)品船為例，對(duì)化學(xué)品船所遵照的防污染公約及配置的洗艙機(jī)、洗艙水加熱器、洗艙泵和洗艙系統(tǒng)設(shè)計(jì)等進(jìn)行分析與介紹。

1 洗艙系統(tǒng)相關(guān)規(guī)定的研究[1-3]

MARPOL公約附則Ⅱ“控制散裝有毒液體物質(zhì)污染規(guī)則”及其1992年修正案是現(xiàn)代化學(xué)品船洗艙系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)基本依據(jù)。MARPOR公約附錄6中對(duì)預(yù)洗程序作出了嚴(yán)格明確的規(guī)定。另外，現(xiàn)代化學(xué)品船洗艙均遵守《國(guó)際海上人命安全公約》（SOLAS公約）對(duì)洗艙、單個(gè)噴嘴容量及液貨艙內(nèi)洗艙機(jī)總?cè)萘康南拗坪鸵?guī)定。DNV ETC 96對(duì)固定式洗艙機(jī)清洗程度提出了要求，要求清洗到艙內(nèi)面積的96%；同時(shí)，要求便攜式洗艙機(jī)能覆蓋剩余艙內(nèi)面積。

常用的洗艙介質(zhì)有淡水、海水和清潔劑溶液等。對(duì)于大部分貨品而言，洗艙水的溫度越高，其水溶性越大，洗艙效果越好。通常洗艙水的溫度≥20℃，但洗艙時(shí)還要考慮液貨閃點(diǎn)、飽和蒸汽壓力、溶解熱及靜電聚集等因素。針對(duì)不同的洗艙程序及貨品，通常會(huì)采用冷海（淡）水、微熱海（淡）水（20～30℃）、溫海（淡）水（50℃）及熱海（淡）水（80℃左右）等不同溫度的海（淡）水洗艙。

洗艙程序分為預(yù)洗、清洗、噴洗、汽蒸、排空及干燥等。洗艙組合是指上一次運(yùn)載液貨卸載后、擬裝載下一次運(yùn)載液貨前，按照某些特定的程序進(jìn)行洗艙的過(guò)程。根據(jù)所裝貨品的不同，有的需要上述6個(gè)洗艙程序，有的則只需要2個(gè)洗艙程序。這些洗艙程序及方法是洗艙系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)確定諸如洗艙機(jī)型式、工作壓力、布置方位、洗艙加熱溫度、循環(huán)洗艙管路布置方式和洗艙機(jī)排量等參數(shù)的重要依據(jù)。

2 洗艙設(shè)備的選型與基本參數(shù)的確定

2.1 洗艙泵

對(duì)于化學(xué)品船洗艙系統(tǒng)，通常設(shè)置有海水洗艙系統(tǒng)和淡水洗艙系統(tǒng)，其中：海水洗艙通常使用布置在甲板區(qū)域的某個(gè)壓載艙的深井泵，深井泵的驅(qū)動(dòng)方式一般為液壓或電動(dòng)；淡水洗艙需要設(shè)置單獨(dú)的淡水儲(chǔ)存艙，通常使用機(jī)艙內(nèi)艙底的消防總用泵。

2.1.1 洗艙泵排量

洗艙泵排量是指洗艙機(jī)進(jìn)口壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)一定噴嘴口徑的水量數(shù)值，由每臺(tái)洗艙機(jī)排量及同時(shí)工作的洗艙機(jī)數(shù)量決定，可按式(1)計(jì)算。

式(1)中： Qp為洗艙泵排量，m3/h；n為同時(shí)工作的洗艙機(jī)臺(tái)數(shù)； Qt為每臺(tái)洗艙機(jī)排量，m3/h。一般取 Qp略大于 nQt3～5m3/h為宜。

2.1.2 洗艙泵揚(yáng)程

洗艙泵通過(guò)設(shè)置在其附近的海水閥吸入海水或從淡水艙中吸入淡水，依次經(jīng)洗艙機(jī)加熱器、洗艙水排出總管、洗艙水排出支管至洗艙機(jī)。因此，洗艙泵揚(yáng)程應(yīng)保證最遠(yuǎn)端的洗艙機(jī)的進(jìn)口壓力能達(dá)到設(shè)計(jì)指定的洗艙機(jī)進(jìn)口壓力。洗艙機(jī)揚(yáng)程可按式(2)計(jì)算。

式(2)中： PP為洗艙泵揚(yáng)程，MPa； Pt為洗艙機(jī)進(jìn)口壓力（設(shè)計(jì)工作點(diǎn)壓力），MPa； Pe為洗艙水加熱器管束沿程阻力損失，MPa； Pf1為洗艙泵吸入管段局部阻力損失，MPa； Pf2為洗艙泵排出管段（至洗艙機(jī)）及局部阻力損失，MPa； h1為輕載水線至洗艙泵的高度差（負(fù)值），MPa； h2為洗艙泵至洗艙機(jī)進(jìn)口高度差，MPa。

洗艙泵設(shè)備估算時(shí)，洗艙機(jī)進(jìn)口壓力常取0.8～1.0MPa，目標(biāo)船選取0.8MPa。洗艙加熱器管阻力約取0.05MPa，洗艙水吸入、排出總管內(nèi)水的流速應(yīng)在1～1.5m/s，洗艙水排出支管的速度須≤2m/s。因此，總管及局部阻力損失取 0.08～0.10MPa，高度差 h1及 h2則根據(jù)實(shí)船情況取值。根據(jù)上述公式，可得目標(biāo)船洗艙泵揚(yáng)程在1.2MPa左右。

2.2 洗艙水加熱器

化學(xué)品船常用熱海水或熱淡水洗艙，這就需要將舷外的海水或淡水艙內(nèi)的淡水通過(guò)洗艙泵輸送至洗艙水加熱器內(nèi)加熱。洗艙水加熱器多為殼管式結(jié)構(gòu)，加熱介質(zhì)一般采用船上蒸汽鍋爐產(chǎn)生的蒸汽。洗艙水加熱器的加熱面積由加熱器進(jìn)口和排出口海水（或淡水）的溫度、每臺(tái)洗艙機(jī)的流量及同時(shí)工作的洗艙機(jī)臺(tái)數(shù)決定。

1) 洗艙加熱器屬于無(wú)變相傳熱，加熱量Q按式(3)計(jì)算。

式(3)中：Q為熱負(fù)荷，kJ/h；G為質(zhì)量流量，kg/h； GP為比熱容，kJ/(kg·K)；t1''，t1'為加熱器的海水進(jìn)、出口溫度，℃； t2''， t2'為加熱器的蒸汽進(jìn)、出口溫度，℃。

2) 蒸汽耗量按式(4)計(jì)算。

式(4)中：D為蒸汽耗量；Q為加熱器熱負(fù)荷；i''為蒸汽熱焓；i為凝水熱焓；α為熱損失系數(shù)，取0.95～0.98。

2.3 洗艙機(jī)

洗艙機(jī)的性能參數(shù)包括最大射程、有效射程、進(jìn)口壓力、流量和噴嘴直徑等，其中：最大射程是指靜態(tài)空氣中洗艙機(jī)水平方向噴射水未出現(xiàn)散射的距離，與洗艙機(jī)進(jìn)口壓力、噴嘴直徑等有關(guān)；有效射程約為最大射程的2/3?；瘜W(xué)品船洗艙機(jī)通常采用不銹鋼材料。

進(jìn)口壓力是指洗艙介質(zhì)進(jìn)入洗艙機(jī)之前所需要的壓力。帶驅(qū)動(dòng)裝置的固定式單噴嘴洗艙機(jī)器的工作壓力范圍為0.5～1.2MPa。當(dāng)噴嘴直徑一定時(shí)，洗艙機(jī)進(jìn)口壓力越大，流量、洗艙機(jī)水平旋轉(zhuǎn)速度及最大射程就越大。若選擇的洗艙機(jī)進(jìn)口壓力偏小，則噴射水可能達(dá)不到有效射程范圍；若選擇的洗艙機(jī)進(jìn)口壓力過(guò)大，則可能出現(xiàn)射程大大超過(guò)有效射程、流量偏大、經(jīng)濟(jì)效益差的狀況。因此，洗艙機(jī)進(jìn)口壓力主要以液貨艙尺度和有效射程為依據(jù)進(jìn)行選擇。

對(duì)于化學(xué)品船，選用的洗艙機(jī)最大排量通常≤17.5m3/h。化學(xué)品船洗艙時(shí)間需要3～5h?，F(xiàn)代化學(xué)品船通常采用多級(jí)式單噴嘴洗艙機(jī)，與普通洗艙機(jī)相比可節(jié)省熱水30%，節(jié)省時(shí)間50%。大型化學(xué)品船采用的噴嘴為φ10mm～φ12mm，中小型化學(xué)品船采用的噴嘴為φ6mm～φ10mm。

對(duì)于不同貨品，洗艙機(jī)容量計(jì)算式[4]為

式(5)中： QV1為洗艙機(jī)最小容量，m3/h；K為系數(shù)（X類，非固化低黏度物質(zhì)， K= 1.2；X類，固化物質(zhì)或高黏度物質(zhì)， K= 1.4；Y類，非固化低黏度物質(zhì)， K= 0.5；Y類，非固化低黏度物質(zhì)， K= 1.0）；γ為每液貨艙的殘余量，m3；V為液貨艙的艙容，m3。

圖1為某洗艙機(jī)的性能曲線。由此，目標(biāo)船洗艙機(jī)排量選取16m3/h，進(jìn)口壓力為0.8MPa，噴嘴直徑選取φ12mm。

圖1 洗艙機(jī)性能曲線

2.4 洗艙機(jī)布置

在初定洗艙機(jī)使用形式和基本參數(shù)之后，必須確定洗艙機(jī)在甲板上的布置位置。布置通常由洗艙機(jī)設(shè)備廠家完成，并需船級(jí)社認(rèn)可。由于液貨艙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、各艙形式不同，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按照預(yù)定的洗艙機(jī)數(shù)量和位置，通過(guò)陰影圖計(jì)算出每個(gè)艙不能直接沖洗到的部位及面積總和。固定式洗艙不能沖洗的部分可用便攜式洗艙機(jī)沖洗，達(dá)到陰影面積為“零”的效果。通常船廠需要提供給洗艙機(jī)廠家總布置圖、橫剖面圖、縱剖面圖、主要結(jié)構(gòu)件圖、被清洗的油密艙壁、典型艙結(jié)構(gòu)圖、一般艙結(jié)構(gòu)圖和甲板布置詳圖等圖樣。

3 洗艙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 洗艙管系分類及其特點(diǎn)[5]

按照洗艙程序?qū)芟档囊?，將洗艙管系可分為非循環(huán)洗艙管系和循環(huán)洗艙管系2部分，其中：非循環(huán)洗艙管系針對(duì)預(yù)洗、沖洗等所有程序；而循環(huán)洗艙管系針對(duì)洗艙程序和MARPOL公約附則II要求的某種程序。

3.1.1 非循環(huán)洗艙管系

非循環(huán)洗艙管系僅與海水、淡水管路相聯(lián)系，與液貨管系無(wú)任何形式的連接。海水洗艙通常用獨(dú)立式洗艙泵布置在壓載艙內(nèi)，從壓載艙的海底閥箱中吸入海水；淡水洗艙通常通過(guò)機(jī)艙艙底的消防總用泵，從淡水艙中吸入淡水。吸入的海水或淡水經(jīng)洗艙水加熱器、上甲板洗艙水排出總管及上甲板排出支管排到各固定式洗艙裝置。洗艙產(chǎn)生的洗艙污水由液貨深井泵排至岸上的接收裝置，或在規(guī)定許可的條件下通過(guò)水下排放管排入海中。非循環(huán)洗艙管系示意見(jiàn)圖2。

3.1.2 循環(huán)洗艙管系

循環(huán)洗艙管系與液貨系統(tǒng)有一定聯(lián)系，利用部分液貨管系實(shí)現(xiàn)清洗再循環(huán)，循環(huán)次數(shù)可達(dá)到2次以上。大型化學(xué)品船循環(huán)洗艙管系通常以深井泵為前提設(shè)計(jì)。洗艙水先由非循環(huán)洗艙管系注入污水艙，并按一定比例放入清洗劑；利用污水艙深井泵將洗艙介質(zhì)排至洗艙水加熱器加熱，隨后排至洗艙機(jī)進(jìn)行洗艙；洗艙后的介質(zhì)通過(guò)液貨系統(tǒng)集管區(qū)橫跨管由專設(shè)的污水艙連接管注入污水艙。按照上述流程達(dá)到循環(huán)洗艙的目的。

顯然，甲板中部通岸加油站橫跨管與專設(shè)的污水艙的連接處必須設(shè)置可拆短管，在不進(jìn)行閉式洗艙時(shí)必須拆下并用盲板法蘭封住終端，實(shí)現(xiàn)有毒物質(zhì)的有效隔離。循環(huán)洗艙管系示意見(jiàn)圖3。

圖2 非循環(huán)洗艙管系示意

圖3 循環(huán)洗艙管系示意

3.2 洗艙管系設(shè)計(jì)基本原則

為保證洗艙作業(yè)的安全，需注意洗艙管系與貨物管系的隔離、管路腐蝕、洗艙機(jī)進(jìn)口壓力恒定及電氣接地等問(wèn)題。因此，在設(shè)計(jì)洗艙系統(tǒng)的過(guò)程中應(yīng)注意以下基本原則：

1) 洗艙水管以固定管系相連時(shí)，應(yīng)在上甲板洗艙總管上采取安裝可拆卸短管及不銹鋼截止止回閥等隔離措施。

2) 由于各固定式洗艙機(jī)是通過(guò)洗艙水支管和洗艙水總管相通的，因此為防止液貨艙之間出現(xiàn)液貨蒸汽或洗艙水相互流通的危險(xiǎn)，應(yīng)在洗艙機(jī)進(jìn)口球閥前端及洗艙支管與總管之間設(shè)置盲通法蘭。

3) 若化學(xué)品船上未設(shè)置足夠的固定式洗艙機(jī)，且要求所有液貨艙表面都能沖洗到，則應(yīng)設(shè)置前述的循環(huán)洗艙管路。循環(huán)洗艙時(shí)必須考慮到貨品的濃縮性和反應(yīng)性，多采用便攜式洗艙機(jī)和洗艙軟管。

4) 若淡水總管及支管僅與手?jǐn)y式洗艙機(jī)相連接使用，則可不考慮淡水（洗艙）管與貨艙的有效隔斷。

5) 洗艙水總管應(yīng)設(shè)置在高于各洗艙支管的位置，以便洗艙水能完全泄放至液貨艙；淡水洗艙總管更應(yīng)設(shè)置在整個(gè)洗艙管路的最高處，尤其應(yīng)保證循環(huán)洗艙后混有液貨殘留物的洗艙介質(zhì)能泄放至液貨艙。

6) 洗艙泵吸入管段和洗艙泵與洗艙水加熱器進(jìn)水端（包括旁通閥進(jìn)水端）之間的管段通常與一般海水管一樣采用無(wú)縫鋼管鍍鋅或銅鎳合金等耐海水腐蝕的材料。

7) 閥件多采用局部阻力系數(shù)小的球閥或蝶閥。

8) 盲板法蘭、可拆短管及截止止回閥均采用不銹鋼316或316L材質(zhì)。

9) 若獨(dú)立式淡水管來(lái)自于機(jī)艙且僅與便攜式洗艙機(jī)及洗艙軟管相連，則淡水管可為一般的無(wú)縫鋼管鍍鋅，閥件可為鋼質(zhì)或銅質(zhì)的球閥。

10) 甲板洗艙管的異徑接頭形式與液貨管一樣采用的是底部平的鍥形異徑接頭，以排除在該處殘留洗艙水的可能。

11) 洗艙時(shí)易產(chǎn)生靜電集聚，應(yīng)注意洗艙機(jī)（特別是便攜式洗艙機(jī)）的電氣接地，采用接地性能良好的專用洗艙軟管及中間接頭。

4 8萬(wàn)噸級(jí)化學(xué)品船洗艙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

目標(biāo)船設(shè)置有淡水洗艙系統(tǒng)和海水洗艙系統(tǒng)。艉尖艙為淡水艙，淡水洗艙利用機(jī)艙艙底的消防總用泵，海水洗艙利用安裝在4號(hào)壓載艙內(nèi)的液壓深井泵（2臺(tái)左右對(duì)稱）。該船可實(shí)現(xiàn)循環(huán)洗艙和非循環(huán)洗艙。根據(jù)艙容的不同，各貨艙分別設(shè)置 2～4臺(tái)洗艙機(jī)，并設(shè)置 2臺(tái)便攜式洗艙機(jī)，固定式洗艙機(jī)的容量為16m3/h×0.80MPa，噴嘴直徑為φ12mm。根據(jù)洗艙所用水量，洗艙泵排量為2×135m3/h×0.80MPa。洗艙海水加熱器加熱量按4個(gè)艙洗艙水量、海水溫度為20～80℃進(jìn)行計(jì)算。8萬(wàn)噸級(jí)化學(xué)品船洗艙系統(tǒng)典型圖見(jiàn)圖4。

圖4 8萬(wàn)噸級(jí)化學(xué)品船洗艙系統(tǒng)典型圖

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)化學(xué)品船洗艙系統(tǒng)的相關(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)，以8萬(wàn)噸級(jí)化學(xué)品船為例介紹了實(shí)船的設(shè)計(jì)方法。由于化學(xué)品船類型、船體結(jié)構(gòu)及所裝貨品多種多樣，洗艙系統(tǒng)也有一定的差異。隨著對(duì)化學(xué)品船的營(yíng)運(yùn)要求不斷提高，特別是近年來(lái)爆炸事故頻發(fā)，對(duì)大型化學(xué)品船的安全要求越來(lái)越高，洗艙系統(tǒng)及管系設(shè)計(jì)仍需不斷完善。

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

[2] IMO. International code for the construction and equipment of ships carrying dangerous chemicals in bulk (IBC CODE) 2007 edition[S].

[3] Det Norske Veritas. Rules for classification of ships[S]. 2011.

[4] 黃恒詳. 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)[M]. 3版. 北京：.國(guó)防工業(yè)出版社，2013.

[5] 張德榮. 化學(xué)品船洗艙系統(tǒng)[J]. 廣船科技，2004 (3): 14-18.

Design of Tank Cleaning System for 80000dwt Chemical Tanker

ZANG Da-wei，DONG Rui-hua，WANG Kun，ZHANG Shu-jie，CUI Xiao-min，WANG Ji-xiang

（Dalian Shipbuilding Industry Engineering and Research Institute Co., Ltd., Dalian 116005, China）

An effective tank cleaning systems normally consists of cleaning pumps, washing water heaters, stationery cleaning machine, cleaning procedure control device and cleaning tubes. Based on MARPOL convention on tank cleaning systems of large chemical tankers, this paper analyzes the equipment selection, system configuration and piping system design of the tank cleaning system; briefly introduces the categorization and characteristics of the piping systems, and summarizes the basic principles of the cleaning system design. Taking the 80000dwt chemical tanker as the example, it studies the cleaning pump capacity, heater thermal load and vapor consumption, calculation of the cleaning machine volume and basic principles of pipeline design with the purpose to find the optimal solution.

ship and naval architecture; chemical tanker; tank cleaning system; selection calculation

U664.9

A

2095-4069 (2016) 06-0033-06

2015-10-29

臧大偉，男，工程師，1983年生。2008年畢業(yè)于大連海事大學(xué)輪機(jī)自動(dòng)化與智能化專業(yè)，現(xiàn)從事船舶與海洋工程輪機(jī)管系設(shè)計(jì)與研究工作。

10.14056/j.cnki.naoe.2016.06.007