8万吨级化学品船洗舱系统设计

臧大伟，董瑞华，王 昆，张书杰，崔晓敏，王吉祥

（大连船舶重工集团设计所有限公司，辽宁 大连 116005）

8万吨级化学品船洗舱系统设计

臧大伟，董瑞华，王 昆，张书杰，崔晓敏，王吉祥

（大连船舶重工集团设计所有限公司，辽宁 大连 116005）

常规化学品船洗舱系统由洗舱泵、洗舱水加热器、固定式洗舱机、洗舱程序控制装置及洗舱管系组成，用以保证有效地洗舱。基于MARPOL公约对大型化学品船洗舱系统的规定，对洗舱系统相关设备的选型、系统的配置及管系的设计等进行研究分析，并简单介绍化学品船洗舱管系的分类及特点，总结化学品船洗舱管系设计的基本原则。以8万吨级化学品船为例，对洗舱泵排量、加热器热负荷和蒸汽耗量、洗舱机容量的计算及管路设计的基本原则进行研究，寻求最优的解决方案。

船舶、舰船工程；化学品船；洗舱系统；选型计算

0 引 言

化学品船通常一次装载多种货品，且各种货品不能相互混合，因此在装载前需对货舱进行清洗，以防止货品被污染。化学品船洗舱是参照油船的洗舱方式和方法发展起来的，既类似于成品油船采用海水作为洗舱的主要介质，又区别于油船需要使用工业淡水或清洁剂、添加剂及溶剂进行预洗或清洗。由于化学品船所装载的液货种类众多，洗舱的最终目的是使货舱达到高度清洁以保证运输货品的质量，因此洗舱采用的程序和洗舱组合也多种多样，这些洗舱程序要满足《国际防止船舶造成污染公约》（MARPOL公约）附则Ⅱ附录B、《国际散装运输危险化学品船舶构造与设备规则》（IBC规则）和《散装运输危险化学品船舶构造与设备规则》（BCH规则）的约束。另外，挪威船级社（DNV）规范DNV ETC 96中有对化学品船洗舱效果的相关建议。这里以8万吨级Ⅰ类化学品船为例，对化学品船所遵照的防污染公约及配置的洗舱机、洗舱水加热器、洗舱泵和洗舱系统设计等进行分析与介绍。

1 洗舱系统相关规定的研究[1-3]

MARPOL公约附则Ⅱ“控制散装有毒液体物质污染规则”及其1992年修正案是现代化学品船洗舱系统设计的一个基本依据。MARPOR公约附录6中对预洗程序作出了严格明确的规定。另外，现代化学品船洗舱均遵守《国际海上人命安全公约》（SOLAS公约）对洗舱、单个喷嘴容量及液货舱内洗舱机总容量的限制和规定。DNV ETC 96对固定式洗舱机清洗程度提出了要求，要求清洗到舱内面积的96%；同时，要求便携式洗舱机能覆盖剩余舱内面积。

常用的洗舱介质有淡水、海水和清洁剂溶液等。对于大部分货品而言，洗舱水的温度越高，其水溶性越大，洗舱效果越好。通常洗舱水的温度≥20℃，但洗舱时还要考虑液货闪点、饱和蒸汽压力、溶解热及静电聚集等因素。针对不同的洗舱程序及货品，通常会采用冷海（淡）水、微热海（淡）水（20～30℃）、温海（淡）水（50℃）及热海（淡）水（80℃左右）等不同温度的海（淡）水洗舱。

洗舱程序分为预洗、清洗、喷洗、汽蒸、排空及干燥等。洗舱组合是指上一次运载液货卸载后、拟装载下一次运载液货前，按照某些特定的程序进行洗舱的过程。根据所装货品的不同，有的需要上述6个洗舱程序，有的则只需要2个洗舱程序。这些洗舱程序及方法是洗舱系统设计时确定诸如洗舱机型式、工作压力、布置方位、洗舱加热温度、循环洗舱管路布置方式和洗舱机排量等参数的重要依据。

2 洗舱设备的选型与基本参数的确定

2.1 洗舱泵

对于化学品船洗舱系统，通常设置有海水洗舱系统和淡水洗舱系统，其中：海水洗舱通常使用布置在甲板区域的某个压载舱的深井泵，深井泵的驱动方式一般为液压或电动；淡水洗舱需要设置单独的淡水储存舱，通常使用机舱内舱底的消防总用泵。

2.1.1 洗舱泵排量

洗舱泵排量是指洗舱机进口压力达到设计值时一定喷嘴口径的水量数值，由每台洗舱机排量及同时工作的洗舱机数量决定，可按式(1)计算。

式(1)中： Qp为洗舱泵排量，m3/h；n为同时工作的洗舱机台数； Qt为每台洗舱机排量，m3/h。一般取 Qp略大于 nQt3～5m3/h为宜。

2.1.2 洗舱泵扬程

洗舱泵通过设置在其附近的海水阀吸入海水或从淡水舱中吸入淡水，依次经洗舱机加热器、洗舱水排出总管、洗舱水排出支管至洗舱机。因此，洗舱泵扬程应保证最远端的洗舱机的进口压力能达到设计指定的洗舱机进口压力。洗舱机扬程可按式(2)计算。

式(2)中： PP为洗舱泵扬程，MPa； Pt为洗舱机进口压力（设计工作点压力），MPa； Pe为洗舱水加热器管束沿程阻力损失，MPa； Pf1为洗舱泵吸入管段局部阻力损失，MPa； Pf2为洗舱泵排出管段（至洗舱机）及局部阻力损失，MPa； h1为轻载水线至洗舱泵的高度差（负值），MPa； h2为洗舱泵至洗舱机进口高度差，MPa。

洗舱泵设备估算时，洗舱机进口压力常取0.8～1.0MPa，目标船选取0.8MPa。洗舱加热器管阻力约取0.05MPa，洗舱水吸入、排出总管内水的流速应在1～1.5m/s，洗舱水排出支管的速度须≤2m/s。因此，总管及局部阻力损失取 0.08～0.10MPa，高度差 h1及 h2则根据实船情况取值。根据上述公式，可得目标船洗舱泵扬程在1.2MPa左右。

2.2 洗舱水加热器

化学品船常用热海水或热淡水洗舱，这就需要将舷外的海水或淡水舱内的淡水通过洗舱泵输送至洗舱水加热器内加热。洗舱水加热器多为壳管式结构，加热介质一般采用船上蒸汽锅炉产生的蒸汽。洗舱水加热器的加热面积由加热器进口和排出口海水（或淡水）的温度、每台洗舱机的流量及同时工作的洗舱机台数决定。

1) 洗舱加热器属于无变相传热，加热量Q按式(3)计算。

式(3)中：Q为热负荷，kJ/h；G为质量流量，kg/h； GP为比热容，kJ/(kg·K)；t1''，t1'为加热器的海水进、出口温度，℃； t2''， t2'为加热器的蒸汽进、出口温度，℃。

2) 蒸汽耗量按式(4)计算。

式(4)中：D为蒸汽耗量；Q为加热器热负荷；i''为蒸汽热焓；i为凝水热焓；α为热损失系数，取0.95～0.98。

2.3 洗舱机

洗舱机的性能参数包括最大射程、有效射程、进口压力、流量和喷嘴直径等，其中：最大射程是指静态空气中洗舱机水平方向喷射水未出现散射的距离，与洗舱机进口压力、喷嘴直径等有关；有效射程约为最大射程的2/3。化学品船洗舱机通常采用不锈钢材料。

进口压力是指洗舱介质进入洗舱机之前所需要的压力。带驱动装置的固定式单喷嘴洗舱机器的工作压力范围为0.5～1.2MPa。当喷嘴直径一定时，洗舱机进口压力越大，流量、洗舱机水平旋转速度及最大射程就越大。若选择的洗舱机进口压力偏小，则喷射水可能达不到有效射程范围；若选择的洗舱机进口压力过大，则可能出现射程大大超过有效射程、流量偏大、经济效益差的状况。因此，洗舱机进口压力主要以液货舱尺度和有效射程为依据进行选择。

对于化学品船，选用的洗舱机最大排量通常≤17.5m³/h。化学品船洗舱时间需要3～5h。现代化学品船通常采用多级式单喷嘴洗舱机，与普通洗舱机相比可节省热水30%，节省时间50%。大型化学品船采用的喷嘴为φ10mm～φ12mm，中小型化学品船采用的喷嘴为φ6mm～φ10mm。

对于不同货品，洗舱机容量计算式[4]为

式(5)中： QV1为洗舱机最小容量，m3/h；K为系数（X类，非固化低黏度物质， K= 1.2；X类，固化物质或高黏度物质， K= 1.4；Y类，非固化低黏度物质， K= 0.5；Y类，非固化低黏度物质， K= 1.0）；γ为每液货舱的残余量，m3；V为液货舱的舱容，m3。

图1为某洗舱机的性能曲线。由此，目标船洗舱机排量选取16m3/h，进口压力为0.8MPa，喷嘴直径选取φ12mm。

图1 洗舱机性能曲线

2.4 洗舱机布置

在初定洗舱机使用形式和基本参数之后，必须确定洗舱机在甲板上的布置位置。布置通常由洗舱机设备厂家完成，并需船级社认可。由于液货舱结构复杂、各舱形式不同，因此设计时应按照预定的洗舱机数量和位置，通过阴影图计算出每个舱不能直接冲洗到的部位及面积总和。固定式洗舱不能冲洗的部分可用便携式洗舱机冲洗，达到阴影面积为“零”的效果。通常船厂需要提供给洗舱机厂家总布置图、横剖面图、纵剖面图、主要结构件图、被清洗的油密舱壁、典型舱结构图、一般舱结构图和甲板布置详图等图样。

3 洗舱系统的设计

3.1 洗舱管系分类及其特点[5]

按照洗舱程序对管系的要求，将洗舱管系可分为非循环洗舱管系和循环洗舱管系2部分，其中：非循环洗舱管系针对预洗、冲洗等所有程序；而循环洗舱管系针对洗舱程序和MARPOL公约附则II要求的某种程序。

3.1.1 非循环洗舱管系

非循环洗舱管系仅与海水、淡水管路相联系，与液货管系无任何形式的连接。海水洗舱通常用独立式洗舱泵布置在压载舱内，从压载舱的海底阀箱中吸入海水；淡水洗舱通常通过机舱舱底的消防总用泵，从淡水舱中吸入淡水。吸入的海水或淡水经洗舱水加热器、上甲板洗舱水排出总管及上甲板排出支管排到各固定式洗舱装置。洗舱产生的洗舱污水由液货深井泵排至岸上的接收装置，或在规定许可的条件下通过水下排放管排入海中。非循环洗舱管系示意见图2。

3.1.2 循环洗舱管系

循环洗舱管系与液货系统有一定联系，利用部分液货管系实现清洗再循环，循环次数可达到2次以上。大型化学品船循环洗舱管系通常以深井泵为前提设计。洗舱水先由非循环洗舱管系注入污水舱，并按一定比例放入清洗剂；利用污水舱深井泵将洗舱介质排至洗舱水加热器加热，随后排至洗舱机进行洗舱；洗舱后的介质通过液货系统集管区横跨管由专设的污水舱连接管注入污水舱。按照上述流程达到循环洗舱的目的。

显然，甲板中部通岸加油站横跨管与专设的污水舱的连接处必须设置可拆短管，在不进行闭式洗舱时必须拆下并用盲板法兰封住终端，实现有毒物质的有效隔离。循环洗舱管系示意见图3。

图2 非循环洗舱管系示意

图3 循环洗舱管系示意

3.2 洗舱管系设计基本原则

为保证洗舱作业的安全，需注意洗舱管系与货物管系的隔离、管路腐蚀、洗舱机进口压力恒定及电气接地等问题。因此，在设计洗舱系统的过程中应注意以下基本原则：

1) 洗舱水管以固定管系相连时，应在上甲板洗舱总管上采取安装可拆卸短管及不锈钢截止止回阀等隔离措施。

2) 由于各固定式洗舱机是通过洗舱水支管和洗舱水总管相通的，因此为防止液货舱之间出现液货蒸汽或洗舱水相互流通的危险，应在洗舱机进口球阀前端及洗舱支管与总管之间设置盲通法兰。

3) 若化学品船上未设置足够的固定式洗舱机，且要求所有液货舱表面都能冲洗到，则应设置前述的循环洗舱管路。循环洗舱时必须考虑到货品的浓缩性和反应性，多采用便携式洗舱机和洗舱软管。

4) 若淡水总管及支管仅与手携式洗舱机相连接使用，则可不考虑淡水（洗舱）管与货舱的有效隔断。

5) 洗舱水总管应设置在高于各洗舱支管的位置，以便洗舱水能完全泄放至液货舱；淡水洗舱总管更应设置在整个洗舱管路的最高处，尤其应保证循环洗舱后混有液货残留物的洗舱介质能泄放至液货舱。

6) 洗舱泵吸入管段和洗舱泵与洗舱水加热器进水端（包括旁通阀进水端）之间的管段通常与一般海水管一样采用无缝钢管镀锌或铜镍合金等耐海水腐蚀的材料。

7) 阀件多采用局部阻力系数小的球阀或蝶阀。

8) 盲板法兰、可拆短管及截止止回阀均采用不锈钢316或316L材质。

9) 若独立式淡水管来自于机舱且仅与便携式洗舱机及洗舱软管相连，则淡水管可为一般的无缝钢管镀锌，阀件可为钢质或铜质的球阀。

10) 甲板洗舱管的异径接头形式与液货管一样采用的是底部平的锲形异径接头，以排除在该处残留洗舱水的可能。

11) 洗舱时易产生静电集聚，应注意洗舱机（特别是便携式洗舱机）的电气接地，采用接地性能良好的专用洗舱软管及中间接头。

4 8万吨级化学品船洗舱系统的设计

目标船设置有淡水洗舱系统和海水洗舱系统。艉尖舱为淡水舱，淡水洗舱利用机舱舱底的消防总用泵，海水洗舱利用安装在4号压载舱内的液压深井泵（2台左右对称）。该船可实现循环洗舱和非循环洗舱。根据舱容的不同，各货舱分别设置 2～4台洗舱机，并设置 2台便携式洗舱机，固定式洗舱机的容量为16m3/h×0.80MPa，喷嘴直径为φ12mm。根据洗舱所用水量，洗舱泵排量为2×135m3/h×0.80MPa。洗舱海水加热器加热量按4个舱洗舱水量、海水温度为20～80℃进行计算。8万吨级化学品船洗舱系统典型图见图4。

图4 8万吨级化学品船洗舱系统典型图

5 结 语

通过对化学品船洗舱系统的相关规定及要求进行研究，针对大型化学品船的特点，以8万吨级化学品船为例介绍了实船的设计方法。由于化学品船类型、船体结构及所装货品多种多样，洗舱系统也有一定的差异。随着对化学品船的营运要求不断提高，特别是近年来爆炸事故频发，对大型化学品船的安全要求越来越高，洗舱系统及管系设计仍需不断完善。

[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] 黄恒详. 船舶设计实用手册[M]. 3版. 北京：.国防工业出版社，2013.

[5] 张德荣. 化学品船洗舱系统[J]. 广船科技，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

臧大伟，男，工程师，1983年生。2008年毕业于大连海事大学轮机自动化与智能化专业，现从事船舶与海洋工程轮机管系设计与研究工作。

10.14056/j.cnki.naoe.2016.06.007