果汁運(yùn)輸改裝船關(guān)鍵工程控制方案研究

徐深泉

(中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433)

將原船為2 500 TEU的集裝箱船(圖1)，改裝成一艘具有裝載27 000 m3果汁能力的運(yùn)輸船(圖2)。該船改裝后總長(zhǎng)210.54 m，型寬29.80 m，型深16.40 m，設(shè)計(jì)吃水11.40 m，配備15只獨(dú)立液貨罐。

獨(dú)立液貨罐采用食品級(jí)不銹鋼材料制作而成，能同時(shí)裝載2種不同果汁。貨艙區(qū)域?yàn)槿^緣覆蓋，冷卻方式采用貨艙低溫冷卻罐體，并以內(nèi)循環(huán)的方式進(jìn)行貨物的冷卻交換。為防止果汁在運(yùn)輸過(guò)程中氧化、被細(xì)菌污染，特別配置了氮?dú)怛?qū)氧系統(tǒng)、鹽水空壓機(jī)冷卻機(jī)組系統(tǒng)，能有效的將貨艙溫度長(zhǎng)時(shí)間控制在0～10 ℃范圍內(nèi)。

圖1 2 500 TEU集裝箱船

圖2 27 000 m3果汁運(yùn)輸船

1 船體結(jié)構(gòu)改裝控制方案

1.1 主體工程

原船拆除3臺(tái)甲板起重機(jī)、艙口蓋、艙口圍、主甲板、貨艙縱向結(jié)構(gòu)、集裝箱甲板梁、導(dǎo)軌等相關(guān)結(jié)構(gòu)約700余噸，新制結(jié)構(gòu)物質(zhì)量達(dá)到1 650余噸，共劃分為85個(gè)分段，主要為新加底部平臺(tái)分段及主甲板以上的頂棚分段。

1.2 新加底部平臺(tái)分段工程

貨艙底部新增一層860 mm隔層結(jié)構(gòu)，從1#貨艙后艙壁一直延伸至5#貨艙，5#貨艙左舷底部增加泄放艙，收集貨罐沖洗污水，右舷主甲板區(qū)域增加一個(gè)鹽水艙。為配合罐體坡面底座外形，對(duì)2#、5#貨艙兩側(cè)的邊壓載艙艙室結(jié)構(gòu)進(jìn)行削斜改裝，以便坡面底座罐體的安裝。1#貨艙底部增加了淡水艙和空艙。因新加底部平臺(tái)分段在設(shè)計(jì)時(shí)下口加放了 30 mm 余量，而平臺(tái)分段距原船內(nèi)底板高度僅0.86 m，空間狹小，艙內(nèi)修割余量施工人員很難施展，既影響工程進(jìn)度又無(wú)法確保施工質(zhì)量。因此，在分段吊裝時(shí)，采用無(wú)余量的施工方案。

利用激光經(jīng)緯儀測(cè)出原船內(nèi)底板縱桁、橫向肋板等強(qiáng)結(jié)構(gòu)處的平整度差值。統(tǒng)計(jì)整合相關(guān)數(shù)據(jù)，確定與原船內(nèi)底板縱桁相對(duì)應(yīng)的新底部平臺(tái)縱桁下口余量值。按照?qǐng)D紙和測(cè)量數(shù)據(jù)，在分段對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)處進(jìn)行劃線，余量修割后吊裝分段?？紤]到浮態(tài)下?lián)隙鹊挠绊?，環(huán)縫焊接時(shí)，可進(jìn)塢釋放船體應(yīng)力后完成焊接。

1.3 新加 C 型頂棚甲板總段工程

全船共劃分為 6 個(gè)頂棚甲板總段，最大總段質(zhì)量約280 t，最小總段質(zhì)量約130 t，改裝結(jié)構(gòu)以縱骨架式居多。原船 1#～5#艙各對(duì)應(yīng)一個(gè)頂棚總段，艉部生活區(qū)前甲板新加設(shè)備間，對(duì)應(yīng)一個(gè)頂棚總段。除艏艉2個(gè)總段特殊外，其余4個(gè)總段長(zhǎng)度均為 30 m左右，寬度為25.5 m，高度為4.5 m。

艏部防浪板改低改小，以適應(yīng)貨艙的改裝設(shè)計(jì)需要。主甲板平臺(tái)在1#、2#、5#貨艙增加升高平臺(tái)結(jié)構(gòu)，以起到穩(wěn)固罐體作用，右舷平臺(tái)位置上增加梯道直通貨艙下方。

頂棚甲板從1#貨艙一直延伸至上建前壁，層高4 500 mm，頂棚甲板使用縱骨160×7、140×7的AH36球扁鋼，橫向、縱向設(shè)有大型T排。兩側(cè)縱壁上T排結(jié)構(gòu)直接插入原船艙口圍下方安裝。

頂棚甲板總段安裝前，液貨罐已吊裝入艙，艙壁絕緣保溫材料也已安裝。因此，總段內(nèi)大量鐵舾件需在總段吊裝前安裝到位。同時(shí)，總段吊裝電焊時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注防火安全及設(shè)備設(shè)施保護(hù)工作。

2 貨艙絕緣工程控制方案

2.1 技術(shù)要求

對(duì)高酸性濃縮果汁而言，當(dāng)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)大于72%時(shí)，微生物常溫下不易繁殖。濃縮橙汁的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)只有65%，常溫下不能阻止微生物的繁殖。因此，橙汁和濃縮橙汁在運(yùn)輸過(guò)程中需保持低溫狀態(tài)，防止橙汁氧化。

橙汁運(yùn)輸船的貨艙絕緣系統(tǒng)是保證橙汁在運(yùn)輸過(guò)程中始終處在低溫狀態(tài)的重要技術(shù)方案。在船體結(jié)構(gòu)上安裝隔熱絕緣使貨罐直接暴露在低溫環(huán)境中，利用冷傳輸?shù)脑恚ㄟ^(guò)冷卻不銹鋼液貨罐來(lái)冷卻貨罐內(nèi)的橙汁，從而保證橙汁在運(yùn)輸過(guò)程中始終處于低溫狀態(tài)。

2.2 貨艙絕緣材料選擇

貨艙絕緣板選用船用聚氨酯冷庫(kù)板。聚氨酯冷庫(kù)板以輕質(zhì)聚氨酯發(fā)泡作為冷庫(kù)板的芯材，外部由彩鋼板和不銹鋼板組合而成。聚氨酯冷庫(kù)板具有以下特點(diǎn)：導(dǎo)熱系數(shù)低、熱工性能好。當(dāng)聚氨酯密度為35～40 kg/m3時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.018～0.024 W/(m·K)，是所有保溫材料中導(dǎo)熱系數(shù)最低的。硬質(zhì)聚氨酯具有防潮、防水、防火、阻燃、耐高溫、抗變形能力強(qiáng)、不易開(kāi)裂、飾面穩(wěn)定、安全度高等性能特點(diǎn)。選用聚氨酯發(fā)泡板用作冷庫(kù)板可以有效防止冷庫(kù)板因?yàn)樨浥搩?nèi)外溫差較大而導(dǎo)致的熱量傳播，從而使冷庫(kù)更加的節(jié)能，提高了冷庫(kù)的工作效率。聚氨酯冷庫(kù)板中禁含氯氟烴類(CFC)和氫氯氟烴(HCFC)2種物質(zhì)。

2.3 貨艙絕緣安裝

為保證最大載貨量，貨罐的外形尺寸及其距貨艙結(jié)構(gòu)的距離已在設(shè)計(jì)階段確定，因此，在滿足貨艙保溫效果的前提下，為了解決空間狹小的難題，貨艙艙壁上的絕緣板緊貼艙壁安裝。安裝絕緣板時(shí)，使用自攻螺釘將絕緣板固定在底座上，艙內(nèi)通過(guò)尼龍壓蓋密封自攻螺釘。

橫艙壁區(qū)域有燃油艙，為解決燃油艙艙壁溫度對(duì)貨艙溫度的影響，在燃油艙艙壁上增加隔熱巖棉，使貨艙絕緣板和燃油艙之間形成了隔熱層，可以有效解決貨艙內(nèi)允許回升溫度總值偏高的問(wèn)題。

頂棚甲板分段的所有結(jié)構(gòu)加強(qiáng)均安裝在貨艙一側(cè)，絕緣板無(wú)法緊貼甲板和艙壁安裝，在結(jié)構(gòu)加強(qiáng)之間增加木龍骨且木龍骨下沿和頂棚結(jié)構(gòu)大梁的下口平齊，保證了艙頂絕緣板安裝在同一平面內(nèi)。

貨罐頂部距絕緣板的距離偏小，其凈空間無(wú)法滿足貨罐頂部液位檢測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)、氮?dú)庾⑷胂到y(tǒng)及熱水沖洗系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的安裝，為解決此處絕緣板安裝問(wèn)題，需將貨罐頂部區(qū)域的絕緣板抬高，加大絕緣板和貨罐頂之間的間距。

3 液貨罐工程控制方案

該果汁改裝船共15個(gè)獨(dú)立貨罐，每個(gè)貨罐容積為1 820 m3，直徑為12.2 m，高度為18.8 m，總質(zhì)量約140 t。

貨罐分為底座、中間罐體、封頭和上部支撐4個(gè)部分。主體全部由食品級(jí)不銹鋼制作而成，底座和上部支撐由普通鋼制作。淺蝶型封頭為貨罐上的端蓋，是容器的主要承壓元件。貨罐自帶保溫和冷凍系統(tǒng)，對(duì)密封的要求極高。

3.1 液貨罐吊裝工程

1)吊裝前。吊裝前，船舶縱傾不超過(guò)0.5 m，平均吃水約5 m(誤差不得超過(guò)1 m)；主甲板以下貨艙結(jié)構(gòu)改造完成；貨艙絕緣保溫板按要求完成；罐體的限位工裝，按圖紙要求安裝完成。

2)吊裝。由于罐體吊耳布置在頂部四周，吊耳周圍沒(méi)有供人員站立的位置，也無(wú)法搭設(shè)腳手架進(jìn)行施工作業(yè)。在吊裝過(guò)程中，浮吊容易受涌浪、過(guò)往船舶和船舶?？看a頭的傾斜度影響，罐體表面受風(fēng)面積較大，同時(shí)罐體垂直進(jìn)艙時(shí)與艙壁之間間隙不到200 mm，同一艙室罐體之間間隙只有100 mm，在浮態(tài)下進(jìn)行罐體吊裝難度較大。船舶?？看a頭后，采用1 600 t的4個(gè)主鉤進(jìn)行貨罐吊裝，施工人員乘坐吊橋?qū)摅w頂部吊耳進(jìn)行吊索具連接，并在每個(gè)艙室的艙口圍四周焊接不同的限位工裝，達(dá)到保護(hù)墻壁絕緣及噴淋探頭的目的。

3.2 液貨罐安裝工程

1)安裝前需完成的工作。新加內(nèi)底結(jié)構(gòu)和原船底部結(jié)構(gòu)改裝工程完工；新內(nèi)底板貨罐中心線勘劃工作完成；限位塊和擋條安裝結(jié)束；隔熱墊木安裝結(jié)束；貨罐底部區(qū)域內(nèi)絕緣板安裝結(jié)束。

2)安裝。隔熱墊木安裝結(jié)束且水平平整度調(diào)整完畢后，將貨罐定位銷安裝在相應(yīng)的限位塊上。每個(gè)貨罐的定位銷數(shù)量不少于3個(gè)，且須分別安裝在不同平面的限位塊上，以確保貨罐在吊裝過(guò)程中精確落位。

貨罐吊起并緩慢進(jìn)艙，貨罐接近定位銷時(shí)需降低下降速度，避免其他因素對(duì)貨罐安裝精度產(chǎn)生影響；貨罐完全落下時(shí)，所有定位銷均應(yīng)正對(duì)貨罐底座上的螺栓孔；貨罐吊裝結(jié)束后，底部的所有定位螺栓應(yīng)安裝結(jié)束。

為保證貨罐的整體重量均勻分布在貨罐底部墊木上，貨罐底座和墊木的接觸面不能少于70%。貨罐底部采用特殊方案進(jìn)行固定，限位裝置500 mm范圍內(nèi)的空間，采用水泥基環(huán)氧進(jìn)行補(bǔ)缺，木塊和絕緣的開(kāi)縫處增加木板或塑料板封邊，防止限位裝置在澆注環(huán)氧時(shí)外流到其他區(qū)域，底部安裝絕緣板的區(qū)域存在的縫隙采用聚氨酯材料填充處理。完成上述工作后進(jìn)行環(huán)氧澆注，采用流水級(jí)的環(huán)氧進(jìn)行反向歐米茄澆注至最終需要的穩(wěn)固狀態(tài)。

平直區(qū)域測(cè)量間隙小于2 mm，采用不銹鋼墊片墊平處理。安裝前先需要制作1∶20的錐形楔子墊塊，用于抬高間隙處的縫隙，減少貨罐因重力下降的原因?qū)е麻g隙不均，難以塞入填充板的問(wèn)題。完成制作后，根據(jù)間隙測(cè)量分布圖對(duì)間隙大于等于2 mm的位置，按照填充鋼板大小均布錐形楔子墊塊，如部分區(qū)域有十字結(jié)構(gòu)則需要增加錐形楔子墊塊，并分布到對(duì)應(yīng)側(cè)。把楔子墊塊適當(dāng)敲入后，將預(yù)先加工好的不銹鋼薄填充板填入縫隙內(nèi)，待底部全部補(bǔ)齊完工后取出楔子并用封邊木條封閉。

斜向部分的基座和罐體的接觸面是施工中最難的區(qū)域。因結(jié)構(gòu)形態(tài)比較難控制，木塊的連接存在斷點(diǎn)，環(huán)氧施工泄漏也比較多，相對(duì)于前者受限制的因素較多。根據(jù)實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)該處區(qū)域的間隙比較大，最大有24 mm。施工前全部采用水泥基環(huán)氧封邊，澆注時(shí)采用分段式進(jìn)行澆注。確保填充空間的完整性，減少氣泡的出現(xiàn)。

4 貨艙管路系統(tǒng)工程控制方案

4.1 冷藏系統(tǒng)

貨艙冷藏系統(tǒng)采用的是鹽水間接冷卻的制冷形式，制冷劑在鹽水冷卻器內(nèi)先冷卻載冷劑“鹽水”，再通過(guò)載冷劑實(shí)現(xiàn)冷藏艙的降溫。該船冷藏系統(tǒng)管路及附件采用低溫管路(ASTM A333),鹽水管路從壓縮機(jī)組房間到貨艙空冷器需穿過(guò)貨艙艙壁，穿艙件為ROXTEC形式的密封穿艙件，貨艙中的縱向鹽水管路較長(zhǎng)，管路中間安裝膨脹接頭(滿足CaCl2和-25 ℃技術(shù)要求)。

在壓縮機(jī)間的空間布置鹽水冷卻管路時(shí)，需充分考慮管子外包覆的80 mm厚的絕熱材料，布置時(shí)盡量遠(yuǎn)離設(shè)備、基座、平臺(tái)角鋼等，留足充分空間以滿足絕熱材料的包覆。為保證系統(tǒng)能安全和正常的運(yùn)行，在管路的最高點(diǎn)設(shè)置透氣閥，最低點(diǎn)設(shè)置泄放閥，為方便透氣閥的操作，該船透氣閥都引至方便操作的高度位置。

鹽水管管系安裝前須磷化處理，因鋅層不能承受低溫介質(zhì)，管子內(nèi)部不能熱鍍鋅。

鹽水冷卻管路支撐若選擇不當(dāng)，不僅會(huì)影響管道系統(tǒng)整體美觀，給施工帶來(lái)不便，而且會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)形成冷/熱橋現(xiàn)象，易產(chǎn)生結(jié)露、結(jié)霜、發(fā)霉和管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。鹽水管路支撐一般采用木托，該船選用的是福樂(lè)斯(Armafix)支撐，與傳統(tǒng)的木托結(jié)構(gòu)相比，效果更好。

貨艙內(nèi)管路絕緣選用30 mm厚的福樂(lè)斯食品級(jí)絕緣，福樂(lè)斯是采用微板(Microban)技術(shù)的一種柔性絕熱材料，當(dāng)微生物與絕熱材料表面接觸時(shí)，福樂(lè)斯產(chǎn)品內(nèi)的Microban活性劑會(huì)穿透微生物組織的細(xì)胞壁，破環(huán)其活動(dòng)、生長(zhǎng)和繁殖。

4.2 液貨系統(tǒng)

該船液貨管路滿足運(yùn)輸非冷凍濃縮橙汁(NFC)和冷凍濃縮橙汁(FCOJ)的要求，管路、閥件等均采用食品級(jí)不銹鋼材料， NFC管路和FCOJ管路系統(tǒng)互相獨(dú)立，并配有獨(dú)立的輸送泵，因此，液貨系統(tǒng)管路非常多，采用集中的方式布置，為區(qū)分兩路液貨系統(tǒng)，在裝卸貨房間的上下兩層分別布置，F(xiàn)COJ管路設(shè)置有風(fēng)機(jī)，為獨(dú)立的絕緣冷卻風(fēng)道供風(fēng)。

5 電氣系統(tǒng)工程控制方案

原船為冷藏集裝箱船，有主發(fā)電機(jī)3臺(tái)，每臺(tái)功率1 805 kW，應(yīng)急發(fā)電機(jī)176 kW。改裝后，該船在航行過(guò)程中，不管處于普通航行狀態(tài)還是貨罐清洗狀態(tài)，只需運(yùn)行1臺(tái)主發(fā)電機(jī)；在靠港裝卸貨時(shí)，只需運(yùn)行2臺(tái)主發(fā)電機(jī)，另一臺(tái)處于備用狀態(tài)；船舶在靠港不進(jìn)行裝卸貨時(shí)全船功率為666 kW，如運(yùn)行1臺(tái)主發(fā)電機(jī)，使用效率低且浪費(fèi)燃油，應(yīng)急發(fā)電機(jī)功率為176 kW，滿足不了靠港時(shí)功率要求。因此，增加了1臺(tái)港泊發(fā)電機(jī)，功率為711 kW，并自帶脫硫、脫硝設(shè)備，滿足國(guó)際公約關(guān)于港口排放的要求，該發(fā)電機(jī)可滿足果汁船電力負(fù)荷的實(shí)際需要，提高發(fā)電機(jī)的使用效率，同時(shí)節(jié)省燃油。

5.1 電氣控制系統(tǒng)

該船自動(dòng)化液貨控制系統(tǒng)采用西門子PLC通過(guò)總線布置技術(shù)(PROFINET)，構(gòu)建了高性能的現(xiàn)場(chǎng)局域網(wǎng),實(shí)現(xiàn)對(duì)液貨系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控，既發(fā)揮了計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)提供良好人機(jī)互動(dòng)界面的優(yōu)點(diǎn)，又發(fā)揮了PLC 作為下位機(jī)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)可靠和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，從根本上提高了測(cè)量與控制的準(zhǔn)確度,減少了傳送誤差，提高了整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。

采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)液貨各系統(tǒng)的全面自動(dòng)控制，降低了能耗，有利于保證設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量，提高了整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化管理控制水平。

5.2 冷卻系統(tǒng)電氣控制

每個(gè)大艙設(shè)置一只冷卻信號(hào)采集箱，采集箱布置在貨艙橫梁上，采集冷卻器進(jìn)出口溫度信號(hào)、大艙溫度信號(hào)，通過(guò)網(wǎng)線傳輸?shù)娇刂剖覂?nèi)的控制箱，控制箱在接收信號(hào)后通過(guò)分析、判斷，發(fā)出指令，對(duì)冷卻壓縮機(jī)組、冷卻器風(fēng)機(jī)、閥門等進(jìn)行控制。

壓縮機(jī)間布置3臺(tái)鹽水冷卻壓縮機(jī)，每臺(tái)功率為184 kW，分別在貨控室、控制室和本地三處控制。由于壓縮機(jī)功率較大，為規(guī)避啟動(dòng)壓縮機(jī)對(duì)全船電網(wǎng)帶來(lái)的沖擊，確保全船電網(wǎng)安全，壓縮機(jī)組采用了變頻控制系統(tǒng)。

各貨艙均設(shè)置了信號(hào)采集箱，集號(hào)采集箱控制室之間的信號(hào)傳輸采用“環(huán)式”光纖傳輸，在一根光纖損壞的情況下，可利用另一根光纖進(jìn)行信號(hào)傳輸。

6 結(jié)束語(yǔ)

本次改裝項(xiàng)目重點(diǎn)鮮明，難點(diǎn)突出。核心工程主要集中在船體結(jié)構(gòu)改裝、貨艙絕緣安裝、液貨罐安裝、貨艙管路系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)5個(gè)方面。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵改裝工程的研究，優(yōu)化了工程施工控制方案，實(shí)現(xiàn)了以關(guān)鍵改裝工程為突破口，提前完成了各項(xiàng)工程節(jié)點(diǎn)的預(yù)期目標(biāo)。該改裝項(xiàng)目的完成，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)其他同類型的改裝項(xiàng)目具有借鑒意義。