大型化学品船水下排放系统设计

王 昆，董瑞华

（大连船舶重工集团设计所有限公司，辽宁 大连 116005）

大型化学品船水下排放系统设计

王 昆，董瑞华

（大连船舶重工集团设计所有限公司，辽宁 大连 116005）

为避免对海洋资源及人类健康造成危害，或对海上的休憩环境及其他合法利用造成损害，对化学品船有毒液货残余物的排放有着非常严格的规定。有毒液货残余物的排放操作不仅与货物污染分类及其物理性质有关，而且与排放区域、船舶的航速及水下排放口的位置密切相关。对于大型化学品船，由于水下排放口的尺寸过大，给施工带来极大的不便。通过分析MARPOL公约附则Ⅱ及IBC Code等相关规范，对化学品船有毒液货残余物水下排放的设计进行优化。通过计算和分析，将大型化学品船水下排放口与水下排放管路分开，将水下排放口设置在海底阀箱内，既能有效地解决施工不便的问题，又能降低船舶的空船质量。研究成果可为大型化学品船水下排放系统的设计提供参考。

化学品船；有毒液货；水下排放；污染分类；残余物

0 引 言

化学品船是用来运输散装有毒液体的液货船，散装有毒液体从其货舱内卸载后，一部分有毒液货会残余货舱内，一旦这部分液货直接排放入海，会对海上环境造成危害。世界各国已意识到船舶故意、随意或意外排放油类及其他有害物质是造成污染的一项重要来源。国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）制定了《国际防止船舶污染公约》（简称MARPOL公约）［1］，旨在消除油类及其他有害物质的有意排放，使这些物质的排放减小至最低限度。MARPOL公约附则Ⅱ《防止散装有毒液体物质污染规则》给出了装运有毒液体的化学品船水下排放的相关要求，其中：第12条对液货水下排放的位置、排放口的最小直径有详细的规定；第13条对排放规定及排放标准有详细的阐述。

1 化学品船水下排放相关规定

世界各国的法定检验机构或船级社［2］已将海洋环境保护列入船舶修造规范，并引入了环保船级符号，禁止超出排放限制的有毒液体物质或包含上述物质的压载水、洗舱水及其他残余物或混合物排放入海。在允许排放时，还需考虑每个货舱排放入海的最大量、排放时的船速、排放海域与最近陆地间的距离、排放海域的最小水深、艉部伴流的有害物质最高浓度、排放前的物质稀释及水下排放效果的要求。因此，化学品船水下排放研究是承接化学品船等运输有毒液体液货船设计建造的重要一环。

液货船水下排放规定的出发点是确保装运的液货卸载到所剩残余物已不会对海洋环境造成任何危害的程度，这样的残余物称为“可忽略”的残余物［3］。

MARPOL公约附则Ⅱ中控制化学品船有毒液体操作性排放的基本原则是：

1） 确保每艘化学品船卸载后，有毒液体物质的残余量减少到环境保护允许的最少量，不至于构成对海洋环境的危害；

2） 应确保允许排放的有毒残余物能立即与海水有效地混合；

3） 应限制排放有毒残余物与最近陆地的距离和海域的最小水深。

可以认为，上述3个原则若都能确保执行，则能做到：在排放前有毒液体物质已经降低到环境保护允许的最小量，且排放入海后将立即与海水混合并迅速扩散。这样就能从根本上避免构成对海洋环境危害的可能性。

为此，MARPOL公约附则II对水下排放的标准作了明确的规定：船舶在海上航行时，自航船航速≥7kn；非自航船航速≥4kn；在水线以下通过水下排放口排放时，不能超过水下排放口的最高设计速率；排放时与最近陆地的距离≥12n mile，水深≥25m。

2 水下排放口最小直径计算

根据MARPOL公约附则Ⅱ及《国际散装运输危险化学品船舶构造与设备规则》（IBC Code）［4］的要求，按标准排放入海的残余物/水混合物不能穿透船舶的边界层，而随该边界层流至艉部，经螺旋桨搅拌后，艉部迹流最大浓度应小于安全危害的规定值。因此，水下排出口的尺寸必须按照MARPOL公约附则Ⅰ规定的公式，即

式（1）中：D为排放口最小直径；L为从艏垂线至排放口的距离；Qd为通过排放口，船舶可排放残余物/水混合物的最大排放速率。

当排放方向与船壳板形成一定角度α时，用最大排放速率Qd的垂直船壳板的分量（即Qd·cosα）来代替 Qd。

由于大型化学品船的分舱较大，液货泵及洗舱泵的容量也相应增加，因此最大排放速率Qd一般较大。为了使水下排放口的直径尽量小，一般会将水下排放口的位置布置在货舱区尾端，但受相关要求的限制，水下排放口必须远离机舱的海底阀箱。以某8万吨级化学品船［5］为例，图1是其舱室布置图。

根据该船的船型参数，取水下排放口距最后一个货舱后壁 5m，得到从艏垂线至排放口的距离L=176.3m （见图1）。货舱内的可排放残余物/水混合物通过液货深井泵经过甲板液货总管排至水下管路，再排放入海，单个液货深井泵的排量即为排放的最大速率：Qd=900 m3/h 。将其代入式（1），可得D=1.02 m 。

图1 某8万吨级化学品船舱室布置

3 水下排放口及排放管路设计

大型化学品船水下排放口的最小直径计算值较大，远大于液货系统的液货输送主管的直径。若按计算值来设置水下排放管路，则会造成整个管路口径过大，给管路的布置带来非常大的困难，且浪费材料和增加空船质量。经对规范进行仔细研究并咨询挪威船级社等船级社的相关专家，得出结论：规范中对水下最小排放口的要求仅针对从船体外板排出时的口径，对整个排放的管路并没有要求。因此，图1所示化学品船水下排放口和排放管路的优化设计方案是在船舶舭部设置一个海底门作为水下排放口，将残余物/水混合物通过排出管排至海底门，再通过海底门在船壳外板上的排放口排放入海，外板上的排放口应满足排放速率要求。

该船的具体相关参数为：按设计手册推荐流速选取残余物排出管路的流速V=4 m/s ；按一台液货泵的排量选取残余物排出管路的排量Q=900 m3/h ；通过计算可得到残余物排出管路规格为φ325mm×16mm；参见前文的计算结果，水下排放口最小直径Dj=1020 mm ；选取该船的水下排放口直径D=1050 mm 。

通过优化设计，该船的水下排放管路从D=1050 mm 的管路减小至规格为φ325mm×16mm的管路，并在第六压载舱的舭部设置一个水下排放海底门，将舷外开孔定为φ1050mm（见图2）。设计方案优化后，货舱内可排放的残余物/水混合物将被液货泵从货舱内经过φ325mm×16mm的水下排放管排放至该海底门再排放入海。优化后的设计方案既可满足船级社对水下排放管路直径的要求，同时又避免了因排放管路直径太大而给施工带来困难的问题。

图2 水下排放口设计方案

4 结 语

通过对化学品船水下排放相关规定及要求进行研究，针对大型化学品船的特点，对其水下排放管路及水下排放口进行了计算，并优化设计了水下排放管路及水下排放口，给出了一套大型化学品船水下排放系统设计的优化方案。

对于大型化学品船而言，水下排放口的设计除了要满足规范规则要求之外，还要在布置上注意以下几个方面的问题：

1） 水下排放口要尽可能地布置在货舱区的艉端，这样就可以尽可能地减小水下排放口的尺寸；

2） 水下排放口的高度要低于最少压载吃水时的水线，用以保证船舶航行时水下排放口始终处于水线以下；

3） 设计水下排放用的海底门时，要充分考虑船舶的外板线型，不要将水下排放海底门布置在船舶舭部的外板曲面上，降低船舶建造时的施工难度。

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

［2］ DNV. Rules for classification of ships［S］.

［3］ 江彦桥. 海洋船舶防污染技术［M］. 上海：上海交通大学出版社，2000.

［4］ IMO. International code for the construction and equipment of ships carrying dangerous chemicals in bulk （IBC Code）［S］.

［5］ 袁永生，张兆新，郝金凤，等. 80000吨化学品船功能定位分析及线型方案设计［J］. 船舶工程，2015， 37 （3）： 13-16.

Design of Underwater Discharge System for Large Chemical Tankers

WANG Kun，DONG Rui-hua
（Design and Research Institute， Dalian Shipbuilding Industry Co.， Ltd.， Dalian 116005， China）

There are very strict rules for the discharge of noxious residues from chemical carriers to prevent the hazardous effect on ocean resources and human health， and to avoid the influence on ocean environment and other legal exploitations. The discharge operation not only depends on the sorts and physical properties of the noxious residues， but also depends greatly on the discharge region， ship speed and the location of underwater discharge outlet onboard. It is difficult for large chemical tankers to place the discharge outlet as the size of outlet is extremely large. Therefore the design is optimized according to Annex II of MARPOL conventions， IBC Code and other regulations. On the basis of calculations and analysis， the discharge pipe is separated from the underwater discharge outlet and the underwater discharge outlet is place inside the sea chest to solve the problem of construction inconvenience and to reduce the lightweight of the ship. This study provides references for the design of underwater discharge system of large chemical tankers.

chemical tanker； noxious liquid cargo； underwater discharge； pollution category； residue

U674.13+3.2

B

2095-4069 （2016） 05-0032-03

10.14056/j.cnki.naoe.2016.05.006

2015-09-09

工信部“80000吨级化学品船绿色安全设计技术研究”项目

王昆，男，高级工程师，1978年生。2001年毕业于大连水产学院热力发动机专业，现从事船舶管系设计工作。