硫磺船的预研

2010-09-22杨建华

船舶设计通讯 2010年2期

杨建华

（上海交通大学，上海 200240）

1 硫磺市场特点

硫磺是一种常见的无味无嗅的物体，纯的硫在常温下是黄色的晶体。在自然界中，硫磺主要以硫化物和硫酸盐的形式出现，在热泉和火山地区也有纯的硫磺存在，在我国几乎没有天然硫磺矿。硫磺在工业中使用广泛，如制造火药、工业用硫酸、橡胶业的硫化剂、医药用硫、肥料、杀虫剂等等。

因此，硫磺回收技术已经由单纯的环保技术发展成为兼具环保效益和经济效益的重要工艺技术。

世界硫磺供需量正在逐年增加。我国硫磺年产量由最初的100多万吨逐步增长至400多万吨，而年消费量却超过1200万吨，呈现出严重的供不应求局面。2008年，硫磺价格曾一度飙升至7000元/吨，2009年初受经济危机影响，跌至最低点500元/吨，但因其市场需求趋势，很快在四季度末回升至较高的市场价格1150元/吨，2010年继续保持增长势头。

因此，硫磺运输市场是一个非常值得重视的市场。

2 硫磺运输特点

液态硫作为煤、石油等的炼制附属品，厂家必须在130℃～140℃的保温罐中储存，储存成本较高，如不及时运输，将成为企业正常生产的障碍。硫的熔点约115℃，一旦运达目的地，存放在开敞的硫磺池中，液态硫随着温度的下降，很快就结晶为浅黄色粉末状，这就是工业使用中最常见的硫磺。硫磺是热的不良导体，要将大量常温状态下的硫磺粉末再加热到高温下的液态硫磺则非常困难，所以一旦液态硫结晶后，后续的运输方式通常就是将粉末状的硫磺打包运输了。而打包运输又将花费额外的人力、物力，并且粉末飞扬不利于环境保护。

因此直接将生产厂家的液态硫，快速驳运至适合硫磺运输的船只，再经保温储存运输至相应的需求点，是最经济、有效的运输方式。

目前，国内需要大量进口硫磺才能满足日益增长的需求。针对此需求，国内船东急需一批适合硫磺液态运输的船只，以抓住市场机遇，赢得商机。

3 硫磺船设计特点

硫磺船设计对我们来说是一个新的船型开发项目，基于沥青运输船的成功开发设计和实船营运经验，船型上有一些基本类似的特点可以借鉴运用，但硫磺船的设计又有其本身的特点，需要有针对性的开发设计。

根据化学品船规则要求，液态硫磺（molten sulphur)属于Ⅲ类化学品船舶，污染类别Z，具有安全危害性，适用于独立液货舱运输，闪点大于60℃，需要安装易燃和有毒气体探测。电气设备温度等级要求T3，在电器设备防爆要求方面应采用经验证确保用于气体安全区域的设备。

硫磺的密度约为1.80 t/m3，是常规液货的近2倍；硫磺的运输温度约为130℃～140℃，运输过程中需持续保温；液态硫在高温状态下所产生的蒸汽中含有硫化氢气体，其浓度应控制在爆炸下限的一半以下，即在整个蒸汽空间内的硫化氢浓度低于1.85%（按容积计）。这些特征使独立液货罐的设计、制造成为该船的重点和难点，货物自重、温度影响、防止危险气体积聚、液货晃荡动载荷对结构强度影响等等，设计人员需要根据这些特点逐一考虑，计算并选用合适的设计方案。

液态硫的驳运不同于其他液货，它必须配备专用硫磺运输泵。泵的型式多样，可以采用离心泵或螺杆泵；可以是立式深井泵，也可以是卧式的泵；但采用卧式泵需设独立的货泵舱。推荐最常用的是配置一舱一泵（或二泵）的立式深井式离心泵。驳运状态下的硫磺粘度并不高，与常温下的轻柴油粘度类似，但密度是轻柴油的2倍以上，并且遇水容易产生酸性腐蚀，遇低温容易产生结晶堵塞管道。因此深井泵的设计和布置都需要充分考虑这些情况。

4 硫磺船总体布置和结构特点

由于液态硫磺密度高，积载因数相对较小，液货舱应该选择合适的容积，以免产生容积富余的情况而引起过大的液货晃荡载荷。主尺度的选择和货舱、压载水舱的布置除了需要保证足够的排水量和足够的货舱、压载水舱容积外，还需要注意满足干舷计算、重量重心分布和破舱稳性等要求。

独立罐体的结构设计是硫磺船的重点和难点。因液态硫磺在高温状态下的气体挥发，容易发生气体积聚引起的爆炸，需要设计足够的气穴和通风系统。这使液态硫磺的装载不能达到98%以上的满舱状态，在独立罐体内必然出现自由液面。自由液面的存在，在各种工作环境中的运动状况，往往是影响其系统安全性的一个重要因素。自由液面会减小船舶的初稳性高，如果自由液面的面积很大，可能会使船舶失去初稳性，因此罐体顶部尽量设计为梯形的气穴型式，以减小自由液面。液货的晃荡运动还会对独立液货舱结构产生晃荡载荷。液舱结构设计根据规范要求相应的需要考虑适当的措施，如增加舱壁以减小自由液面及液货晃荡运动对结构产生的影响。

特别需要指出的是，硫磺船采用独立液货舱结构，也就是说液货舱自由支撑在许多支撑垫块上，允许货舱随货油温度变化而热胀冷缩，在计算独立货舱段结构强度时，除了需要考虑货物的静载荷外，还需要考虑高温货物所造成的热应力影响，以及船舶运动引起液货晃动所形成的动载荷。而对货舱结构计算模型边界为自由支持条件下，考虑货舱内液货晃动载荷的作用可能会带来一定的困难。按照液货晃荡运动的激烈程度可以分为三种水平。运动最小的是静态或准静态水平，这时动态冲击载荷可以忽略。第二种水平是晃荡运动的动态不放大过程，其特点是晃荡运动引起的载荷包括静载荷和动载荷，但动载荷还远未达到冲击载荷的形式。目前对这种水平的晃荡载荷结构强度计算，各大船级社均有一套完整的计算方法，因此硫磺船的独立液货舱的设计必须把液货的晃荡运动限制在这种水平范围。而第三种晃荡运动水平是晃荡运动的动态放大过程，晃荡运动引起的载荷包括静载荷、动载荷，但动载荷是主要的载荷，其载荷达到冲击载荷的作用形式。对水平三的结构强度计算，国内外均尚处于研究阶段，研究的手段只能通过数值模拟和实验研究，因此硫磺船液货舱的结构设计应避免使液货晃荡运动达到这种严重程度。

5 硫磺船前期研发结果

在前期调研中，为硫磺船确定合适的吨位和主尺度是一个比较关键的问题。查阅了现有的硫磺船资料，载重吨普遍较小，由几千吨到一万多吨，各不相同。从货主和运输市场的信息中，我们了解到液态硫生产企业储存货罐容积普遍较小，一次能运输的载货量受其限制，也不宜过大。经分析，初步确定该船的载重吨4250 t，载货量 3800 t，货舱容积2300 m3。

根据载重量要求，航线货运需求和硫磺船的特点，我们经计算、比对和分析确定4250 t硫磺船总布置图如图1。

图1 硫磺船总布置图

硫磺船主尺度及主要性能参数：

在货舱区的系统设计中尤其注意的是，避免危险气体积聚，确保各区域硫化氢气体浓度低于1.85%。主要考虑采用以下各项措施来达到设计要求。罐体结构设计考虑顶部所有构件外翻，避免形成死角，发生局部爆炸；顶部结构做斜，形成气室，便于通风扫气；透气管路向上微斜，转角采用45°弯，减少沿程阻力损失，避免局部粉末结晶堵塞管路；对货罐内强制送入加热过的新风，吹除蒸汽，降低硫化氢气体浓度；对货罐外的隔离空舱进行强制抽风，避免挥发的硫化氢气体泄漏至空舱内达到一定的浓度；设置固定气体探测系统，监测并及时报警；设置通风系统失败报警；设置货物加热温度控制和报警等等。

该船设计的另一要点就是独立液货罐和驳运泵的配置。从总体稳性计算，结构设计要求和系统配置经济性综合考虑，设三个独立液货罐，每个独立液货罐分左右两舱，底部设隔离阀可左右联通。相应地配置立式深井泵6台，达到每舱一泵要求，可以灵活地驳运任何一舱液货，当任何一台泵故障时可以开启底部联通阀，利用对应的另一台泵进行驳运，达到经济合理的配置驳运系统。