楊建華

（上海交通大學，上海 200240）

1 硫磺市場特點

硫磺是一種常見的無味無嗅的物體，純的硫在常溫下是黃色的晶體。在自然界中，硫磺主要以硫化物和硫酸鹽的形式出現(xiàn)，在熱泉和火山地區(qū)也有純的硫磺存在，在我國幾乎沒有天然硫磺礦。硫磺在工業(yè)中使用廣泛，如制造火藥、工業(yè)用硫酸、橡膠業(yè)的硫化劑、醫(yī)藥用硫、肥料、殺蟲劑等等。

因此，硫磺回收技術已經(jīng)由單純的環(huán)保技術發(fā)展成為兼具環(huán)保效益和經(jīng)濟效益的重要工藝技術。

世界硫磺供需量正在逐年增加。我國硫磺年產量由最初的100多萬噸逐步增長至400多萬噸，而年消費量卻超過1200萬噸，呈現(xiàn)出嚴重的供不應求局面。2008年，硫磺價格曾一度飆升至7000元/噸，2009年初受經(jīng)濟危機影響，跌至最低點500元/噸，但因其市場需求趨勢，很快在四季度末回升至較高的市場價格1150元/噸，2010年繼續(xù)保持增長勢頭。

因此，硫磺運輸市場是一個非常值得重視的市場。

2 硫磺運輸特點

液態(tài)硫作為煤、石油等的煉制附屬品，廠家必須在130℃～140℃的保溫罐中儲存，儲存成本較高，如不及時運輸，將成為企業(yè)正常生產的障礙。硫的熔點約115℃，一旦運達目的地，存放在開敞的硫磺池中，液態(tài)硫隨著溫度的下降，很快就結晶為淺黃色粉末狀，這就是工業(yè)使用中最常見的硫磺。硫磺是熱的不良導體，要將大量常溫狀態(tài)下的硫磺粉末再加熱到高溫下的液態(tài)硫磺則非常困難，所以一旦液態(tài)硫結晶后，后續(xù)的運輸方式通常就是將粉末狀的硫磺打包運輸了。而打包運輸又將花費額外的人力、物力，并且粉末飛揚不利于環(huán)境保護。

因此直接將生產廠家的液態(tài)硫，快速駁運至適合硫磺運輸?shù)拇唬俳?jīng)保溫儲存運輸至相應的需求點，是最經(jīng)濟、有效的運輸方式。

目前，國內需要大量進口硫磺才能滿足日益增長的需求。針對此需求，國內船東急需一批適合硫磺液態(tài)運輸?shù)拇?，以抓住市場機遇，贏得商機。

3 硫磺船設計特點

硫磺船設計對我們來說是一個新的船型開發(fā)項目，基于瀝青運輸船的成功開發(fā)設計和實船營運經(jīng)驗，船型上有一些基本類似的特點可以借鑒運用，但硫磺船的設計又有其本身的特點，需要有針對性的開發(fā)設計。

根據(jù)化學品船規(guī)則要求，液態(tài)硫磺（molten sulphur)屬于Ⅲ類化學品船舶，污染類別Z，具有安全危害性，適用于獨立液貨艙運輸，閃點大于60℃，需要安裝易燃和有毒氣體探測。電氣設備溫度等級要求T3，在電器設備防爆要求方面應采用經(jīng)驗證確保用于氣體安全區(qū)域的設備。

硫磺的密度約為1.80 t/m3，是常規(guī)液貨的近2倍；硫磺的運輸溫度約為130℃～140℃，運輸過程中需持續(xù)保溫；液態(tài)硫在高溫狀態(tài)下所產生的蒸汽中含有硫化氫氣體，其濃度應控制在爆炸下限的一半以下，即在整個蒸汽空間內的硫化氫濃度低于1.85%（按容積計）。這些特征使獨立液貨罐的設計、制造成為該船的重點和難點，貨物自重、溫度影響、防止危險氣體積聚、液貨晃蕩動載荷對結構強度影響等等，設計人員需要根據(jù)這些特點逐一考慮，計算并選用合適的設計方案。

液態(tài)硫的駁運不同于其他液貨，它必須配備專用硫磺運輸泵。泵的型式多樣，可以采用離心泵或螺桿泵；可以是立式深井泵，也可以是臥式的泵；但采用臥式泵需設獨立的貨泵艙。推薦最常用的是配置一艙一泵（或二泵）的立式深井式離心泵。駁運狀態(tài)下的硫磺粘度并不高，與常溫下的輕柴油粘度類似，但密度是輕柴油的2倍以上，并且遇水容易產生酸性腐蝕，遇低溫容易產生結晶堵塞管道。因此深井泵的設計和布置都需要充分考慮這些情況。

4 硫磺船總體布置和結構特點

由于液態(tài)硫磺密度高，積載因數(shù)相對較小，液貨艙應該選擇合適的容積，以免產生容積富余的情況而引起過大的液貨晃蕩載荷。主尺度的選擇和貨艙、壓載水艙的布置除了需要保證足夠的排水量和足夠的貨艙、壓載水艙容積外，還需要注意滿足干舷計算、重量重心分布和破艙穩(wěn)性等要求。

獨立罐體的結構設計是硫磺船的重點和難點。因液態(tài)硫磺在高溫狀態(tài)下的氣體揮發(fā)，容易發(fā)生氣體積聚引起的爆炸，需要設計足夠的氣穴和通風系統(tǒng)。這使液態(tài)硫磺的裝載不能達到98%以上的滿艙狀態(tài)，在獨立罐體內必然出現(xiàn)自由液面。自由液面的存在，在各種工作環(huán)境中的運動狀況，往往是影響其系統(tǒng)安全性的一個重要因素。自由液面會減小船舶的初穩(wěn)性高，如果自由液面的面積很大，可能會使船舶失去初穩(wěn)性，因此罐體頂部盡量設計為梯形的氣穴型式，以減小自由液面。液貨的晃蕩運動還會對獨立液貨艙結構產生晃蕩載荷。液艙結構設計根據(jù)規(guī)范要求相應的需要考慮適當?shù)拇胧?，如增加艙壁以減小自由液面及液貨晃蕩運動對結構產生的影響。

特別需要指出的是，硫磺船采用獨立液貨艙結構，也就是說液貨艙自由支撐在許多支撐墊塊上，允許貨艙隨貨油溫度變化而熱脹冷縮，在計算獨立貨艙段結構強度時，除了需要考慮貨物的靜載荷外，還需要考慮高溫貨物所造成的熱應力影響，以及船舶運動引起液貨晃動所形成的動載荷。而對貨艙結構計算模型邊界為自由支持條件下，考慮貨艙內液貨晃動載荷的作用可能會帶來一定的困難。按照液貨晃蕩運動的激烈程度可以分為三種水平。運動最小的是靜態(tài)或準靜態(tài)水平，這時動態(tài)沖擊載荷可以忽略。第二種水平是晃蕩運動的動態(tài)不放大過程，其特點是晃蕩運動引起的載荷包括靜載荷和動載荷，但動載荷還遠未達到?jīng)_擊載荷的形式。目前對這種水平的晃蕩載荷結構強度計算，各大船級社均有一套完整的計算方法，因此硫磺船的獨立液貨艙的設計必須把液貨的晃蕩運動限制在這種水平范圍。而第三種晃蕩運動水平是晃蕩運動的動態(tài)放大過程，晃蕩運動引起的載荷包括靜載荷、動載荷，但動載荷是主要的載荷，其載荷達到?jīng)_擊載荷的作用形式。對水平三的結構強度計算，國內外均尚處于研究階段，研究的手段只能通過數(shù)值模擬和實驗研究，因此硫磺船液貨艙的結構設計應避免使液貨晃蕩運動達到這種嚴重程度。

5 硫磺船前期研發(fā)結果

在前期調研中，為硫磺船確定合適的噸位和主尺度是一個比較關鍵的問題。查閱了現(xiàn)有的硫磺船資料，載重噸普遍較小，由幾千噸到一萬多噸，各不相同。從貨主和運輸市場的信息中，我們了解到液態(tài)硫生產企業(yè)儲存貨罐容積普遍較小，一次能運輸?shù)妮d貨量受其限制，也不宜過大。經(jīng)分析，初步確定該船的載重噸4250 t，載貨量 3800 t，貨艙容積2300 m3。

根據(jù)載重量要求，航線貨運需求和硫磺船的特點，我們經(jīng)計算、比對和分析確定4250 t硫磺船總布置圖如圖1。

圖1 硫磺船總布置圖

硫磺船主尺度及主要性能參數(shù)：

在貨艙區(qū)的系統(tǒng)設計中尤其注意的是，避免危險氣體積聚，確保各區(qū)域硫化氫氣體濃度低于1.85%。主要考慮采用以下各項措施來達到設計要求。罐體結構設計考慮頂部所有構件外翻，避免形成死角，發(fā)生局部爆炸；頂部結構做斜，形成氣室，便于通風掃氣；透氣管路向上微斜，轉角采用45°彎，減少沿程阻力損失，避免局部粉末結晶堵塞管路；對貨罐內強制送入加熱過的新風，吹除蒸汽，降低硫化氫氣體濃度；對貨罐外的隔離空艙進行強制抽風，避免揮發(fā)的硫化氫氣體泄漏至空艙內達到一定的濃度；設置固定氣體探測系統(tǒng)，監(jiān)測并及時報警；設置通風系統(tǒng)失敗報警；設置貨物加熱溫度控制和報警等等。

該船設計的另一要點就是獨立液貨罐和駁運泵的配置。從總體穩(wěn)性計算，結構設計要求和系統(tǒng)配置經(jīng)濟性綜合考慮，設三個獨立液貨罐，每個獨立液貨罐分左右兩艙，底部設隔離閥可左右聯(lián)通。相應地配置立式深井泵6臺，達到每艙一泵要求，可以靈活地駁運任何一艙液貨，當任何一臺泵故障時可以開啟底部聯(lián)通閥，利用對應的另一臺泵進行駁運，達到經(jīng)濟合理的配置駁運系統(tǒng)。

6 結語

硫磺船雖然不像散貨船、集裝箱船或多用途船那樣有大量需求，但隨著硫磺市場的發(fā)展和環(huán)境保護的需求，硫磺船的需求也在不斷地增長，并擁有相對穩(wěn)定的運輸市場。另外根據(jù)國外的船型發(fā)展趨勢，還可以在大型油船、天然液化氣船等特種船上夾帶設計若干獨立貨罐，以滿足同時運輸其延伸產品的需求。

該船型的研究開發(fā)滿足目前生效的新規(guī)則、規(guī)范要求，滿足綠色環(huán)保設計、TYPE 3化學品船設計要求、獨立液貨罐開式透氣系統(tǒng)設計等。該船型的預研將為中國的硫磺進口運輸船隊建設提供技術儲備。

［1］船舶設計實用手冊［M］.中國船舶工業(yè)總公司編.國防工業(yè)出版社出版.

［2］國際散裝運輸危險化學品船舶構造和設備規(guī)則［M］.國際海事組織.