詹顯正

(友聯(lián)船廠(蛇口)有限公司，廣東 深圳 518054)

按照MARPOL公約要求，排放控制區(qū)內(nèi)，船舶燃油硫含量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)不得超過0.1%；在除排放控制區(qū)之外所有歐洲海域，船舶燃油硫含量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)不得超過0.5%，從2020年1月1日起進(jìn)一步降至0.1%； 其他海域，2020年后燃油最大硫含量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)不得超過0.5%。已經(jīng)生效的4個排放控制區(qū)海域有：波羅的海排放控制區(qū)、北海排放控制區(qū)、北美海域排放控制區(qū)、美國加勒比海域排放控制區(qū)。目前，韓國、日本、新加坡和中國正在積極申請進(jìn)入下一批排放控制區(qū)名單[1]。

船東為了使船舶符合MARPOL公約的要求，可以使用低硫油，也可以對船舶進(jìn)行脫硫系統(tǒng)改造。相比之下，加裝船舶尾氣脫硫裝置以后，船東無需對發(fā)動機(jī)及燃料供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，可以繼續(xù)使用與主機(jī)性能匹配的廉價重油，為船東節(jié)約大量的燃油成本。

1 脫硫系統(tǒng)種類和工作原理

加裝船舶尾氣脫硫裝置有以下幾種方法：海水法、淡水+氫氧化鈉法、混合系統(tǒng)法。海水法是指利用天然海水堿度，將船舶廢氣中硫化物轉(zhuǎn)化成亞硫酸鹽和硫酸鹽，然后洗滌廢液經(jīng)分離、通風(fēng)氧化、稀釋等環(huán)節(jié)處理后排入大海，而分離后的污泥、油渣等隨船儲存，直至靠岸回收。淡水+氫氧化鈉法是以淡水為載體，加入氫氧化鈉作為脫硫劑。當(dāng)吸收液的PH值下降時只需繼續(xù)加入氫氧化鈉即可，極大減少脫硫廢水的排放甚至不排放，但需要加裝加藥系統(tǒng)和洗滌液冷卻裝置?；旌舷到y(tǒng)法是利用海水法和淡水+氫氧化鈉法相結(jié)合的一套脫硫系統(tǒng)，在排放區(qū)域，用淡水+氫氧化鈉法，在排放區(qū)外用海水法。雖然混合系統(tǒng)較為復(fù)雜，但同時具有海水法與淡水+氫氧化鈉法的優(yōu)缺點。

2 海水法脫硫系統(tǒng)分析

筆者2019年下半年連續(xù)參加了5艘40萬噸級散貨船脫硫系統(tǒng)改造工程，這些船的脫硫系統(tǒng)均采用海水法脫硫。一套海水法脫硫系統(tǒng)包括脫硫塔塔體及脫硫洗滌器，改造后系統(tǒng)包括：主輔機(jī)排煙管系統(tǒng)，海水管路系統(tǒng)，玻璃鋼(GRE)管路系統(tǒng)，閥控液壓管系統(tǒng)，密封空氣系統(tǒng)，控制空氣系統(tǒng)，消防管路系統(tǒng)，電氣自動化控制及采樣監(jiān)控系統(tǒng)。

脫硫系統(tǒng)對于主輔機(jī)排煙管改造主要體現(xiàn)為對原有煙囪上部改造。船體方面需要在原有煙囪后側(cè)合適位置割開1個高約4 m，沿?zé)焽铏M向長度的工藝孔。機(jī)電方面，需要將原有煙囪里對應(yīng)區(qū)域排煙管管路割除，并按照設(shè)計圖紙進(jìn)行施工。在原有主機(jī)排煙管上選擇合適位置割去原有管路，更換為三通管，然后在三通管與主機(jī)原排煙管上方加裝新風(fēng)閘與原排煙管相連；三通管較細(xì)管側(cè)依次安裝空氣—液壓復(fù)合控制風(fēng)閘、波紋管膨脹節(jié)、尾氣匯總管連接到脫硫塔。新舊兩路主機(jī)排煙管上風(fēng)閘的開關(guān)，就可以實現(xiàn)脫硫/常規(guī)排放模式的轉(zhuǎn)換。圖1是排煙管改造模型示意圖。由于輔機(jī)排煙管管徑較小，可以在原排煙管上開口做支管，也可以采用三通支管。筆者傾向于采用三通支管，因為這樣氣密性會更好。

圖1 排煙管改造模型示意圖

為使脫硫系統(tǒng)獲得海水，一般在40萬噸級散貨船右舷割開原船結(jié)構(gòu)加裝1個海底閥箱，海底閥箱內(nèi)敷設(shè)海水管路連接機(jī)艙中新加的脫硫系統(tǒng)專用海水泵。海水管路沿機(jī)艙前側(cè)轉(zhuǎn)折，上升至機(jī)艙頂部，通過舵機(jī)間，并從舵機(jī)間引入脫硫塔洗滌器。

GRE管路由洗滌塔頂部引出，從上向下輔設(shè)，其直徑由細(xì)漸粗達(dá)到設(shè)計直徑后，穿過脫硫塔底部依次進(jìn)入舵機(jī)間、機(jī)艙，然后沿機(jī)艙左后側(cè)垂直引下至機(jī)艙底層甲板上方10 m左右，分開兩路出舷管排海。GRE管路穿入和穿出舵機(jī)間、機(jī)艙兩段均由超級雙相不銹鋼管路與GRE管路連接，以避免GRE材料被鋼結(jié)構(gòu)損壞。

閥控液壓管路主要控制海水管路、GRE管路上出舷閥的開啟和關(guān)閉，以及其他需要液壓控制的部件。在直接排海的GRE管路分段上應(yīng)添加出舷閥。出舷閥既可以現(xiàn)場手動開啟、關(guān)閉，也可以使用手搖泵遠(yuǎn)程開啟、關(guān)閉。閥控液壓管由液壓站引出，向下連接出舷閥液壓控制模塊，向上引入脫硫塔，與控制空氣管路共同控制主輔機(jī)脫硫風(fēng)閘。

密封空氣由安裝在脫硫塔內(nèi)的密封風(fēng)機(jī)吸入，密封空氣管路向上布置并分為4條分支，從脫硫塔頂板分為4條管路，分別接入主機(jī)風(fēng)閘(1條)，輔機(jī)風(fēng)閘(3條)。密封空氣風(fēng)機(jī)電氣控制柜布置在密封風(fēng)機(jī)附近的脫硫塔墻壁上。

控制空氣管路由機(jī)艙主空氣瓶引出至脫硫塔頂部空氣控制總管，脫硫塔頂部空氣控制總管再引出若干路支管，各支管的開關(guān)由脫硫系統(tǒng)閥控液壓管進(jìn)行控制。

消防主管路由機(jī)艙消防管路引入脫硫塔，繼而在塔內(nèi)分為若干支管；脫硫塔每層均放有CO2滅火器。

脫硫系統(tǒng)電氣系統(tǒng)包括主配電板控制、脫硫塔內(nèi)電氣控制柜、取樣檢測控制柜、變頻器等電氣設(shè)備及接線。主配電板控制全部脫硫系統(tǒng)工作，變頻器配合機(jī)艙海水泵工作，脫硫塔內(nèi)電氣控制柜控制脫硫塔工作，取樣檢測控制柜為2套，分別檢測脫硫系統(tǒng)吸入的海水和經(jīng)脫硫處理后的排放廢水。

3 脫硫改造內(nèi)場預(yù)制施工

脫硫改造工程分為內(nèi)場預(yù)制、吊裝分段、船上施工、塢修改造、調(diào)試試航等階段。內(nèi)場預(yù)制作業(yè)包括船體和管系預(yù)制2個方面。

船體預(yù)制主要有海底閥箱預(yù)制、脫硫分段預(yù)制。海底閥箱在結(jié)構(gòu)完工并組裝成型后，還應(yīng)裝好機(jī)電車間預(yù)制的閥箱吸水管子并完成管子與閥箱本體的焊接、探傷。脫硫塔塔體分為A、B、C、D 4個分段，如圖2所示。這4個分段預(yù)制過程中均需進(jìn)行裝配、焊接報驗，關(guān)鍵部分還應(yīng)進(jìn)行探傷檢驗，4個分段通過報驗后進(jìn)行打砂、油漆作業(yè)，油漆作業(yè)時應(yīng)考慮后續(xù)總組作業(yè)時的焊接影響。

圖2 脫硫塔塔體A、B、C、D分段示意圖

在各種管路預(yù)制作業(yè)中，其中較為重要的為GRE出舷管路處超級雙相不銹鋼管路與外板焊接的預(yù)制。該預(yù)制過程應(yīng)嚴(yán)格按照船級社認(rèn)可的焊接工藝進(jìn)行，選擇適合的焊接技術(shù)，確保焊接方法、順序正確，焊接參數(shù)滿足焊接工藝規(guī)范要求，焊接過程中保證層間溫度≤100 ℃，焊后打磨工具采用不銹鋼專用工具。

預(yù)制不銹鋼管作業(yè)中對需要表面處理的不銹鋼管進(jìn)行鈍化處理后，與供應(yīng)商提供的脫硫器進(jìn)行安裝作業(yè)。機(jī)電內(nèi)場應(yīng)將脫硫器大小罐體及附屬鈍化不銹鋼管路、罐體支架按照說明書進(jìn)行組裝、加裝絕緣棉及鐵板，并將組裝好的脫硫處理罐在船體內(nèi)場預(yù)制的脫硫塔塔體內(nèi)進(jìn)行定位并完成安裝。船體及所有管路的獨立預(yù)制均需要經(jīng)過船東檢驗通過。

內(nèi)場預(yù)制的后續(xù)階段進(jìn)行脫硫塔塔體組合。首先船體應(yīng)完成A+B分段合龍，進(jìn)行裝配、完工報驗。然后進(jìn)行AB+C分段合龍，裝配、完工報驗(A+B意味A與B裝配，AB+C意味著分段A與B已成為一個整體后再與分段C裝配，其余類推)。接下來需要將機(jī)電預(yù)制好的脫硫塔吊入塔體進(jìn)行安裝定位。最后吊裝D分段蓋頂，完成后，可以在脫硫塔較小側(cè)進(jìn)口處加裝一段總排煙收集管。在B、C分段中間接觸處還應(yīng)加裝救生艇平臺。

各分段裝配時定位精度很重要，裝配誤差、裝配間隙必須控制在合理要求范圍內(nèi)。在合龍預(yù)制過程中，如能夠?qū)γ摿蛩?nèi)部各種管系及電氣控制柜進(jìn)行安裝，則可加快施工進(jìn)度。

4 脫硫改造船上施工

待改造船舶進(jìn)廠后，需要先進(jìn)行安全檢測，排除作業(yè)影響區(qū)的安全隱患后，才能進(jìn)行作業(yè)。因脫硫改造涉及到原船眾多重要系統(tǒng)，建議船廠在開工前與船方共同檢查確認(rèn)船舶狀態(tài)，以免發(fā)生糾紛。

脫硫改造可采取2種作業(yè)方式，方案一為先進(jìn)塢改造海水線底部，后改造排煙管；方案二為先改造排煙管，待進(jìn)塢后改造海水線底部。方案二可以最大限度加快作業(yè)進(jìn)度，可以將等待潮水及移泊時間充分利用起來進(jìn)行施工，減少起吊船舶作業(yè)等待時間。

脫硫改造首先應(yīng)關(guān)停船舶主機(jī)，并在原來煙囪后部割除工藝孔。在將應(yīng)急發(fā)電機(jī)吊上船并完成電源切換接線后，停下發(fā)電機(jī)，進(jìn)行排煙管改造。在原來煙囪改造的同時，可以準(zhǔn)備將脫硫塔塔體吊裝上船，吊裝前應(yīng)將救生艇架等影響吊裝部分割除。完成內(nèi)場預(yù)制組裝的脫硫塔由岸上300 t龍門吊轉(zhuǎn)移到岸邊，由500 t自航吊裝工程作業(yè)船舶起吊，起吊后吊裝船自航到目標(biāo)船尾部完成吊運作業(yè)。

脫硫塔塔體吊上船后應(yīng)及時定位，定位后應(yīng)在舵機(jī)間按圖紙要求加裝反面加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。內(nèi)場組裝后的脫硫塔與原來煙囪連接面除上方保留與原來煙囪連接的開孔外并無其他開孔。為確保脫硫塔在海上保持穩(wěn)定，脫硫塔與煙囪連接處加強(qiáng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，開孔在塔體面向原來煙囪側(cè)從下向上分別設(shè)置A′、B′、C′ 3個甲板與前部煙囪下方船體相連。圖3中陰影區(qū)域需待塔體在船上定位后，再處理與原船結(jié)構(gòu)密封及船員進(jìn)出通道等事宜。1M是脫硫塔塔體最后完工時，塔體的外部結(jié)構(gòu)，2M為從原有煙囪引出的通向脫硫塔排煙管的外包圍結(jié)構(gòu)。

船體塢修作業(yè)包括在左舷船機(jī)艙底部相應(yīng)外板安裝2個GRE出舷管路和移位陰極電流保護(hù)(ICCP)外板，在右舷船機(jī)艙底部相應(yīng)外板處加裝海底閥箱。上述船體塢修作業(yè)均需經(jīng)過裝配、完工、探傷、密性試驗，并通過檢驗。其中左舷GRE出舷管路特定區(qū)域應(yīng)重新打砂，做4度油漆處理。

圖3 脫硫塔與煙囪連接處加強(qiáng)結(jié)構(gòu)

脫硫排煙管系統(tǒng)、密封空氣系統(tǒng)、控制空氣系統(tǒng)、閥控液壓管系統(tǒng)按照設(shè)計圖紙進(jìn)行施工即可。脫硫排煙管路施工時應(yīng)確保脫硫主輔機(jī)排煙管路與風(fēng)閘、膨脹節(jié)尺寸相符，如果出現(xiàn)內(nèi)場預(yù)制管路與現(xiàn)場不相符問題，則應(yīng)添加大小頭管附件，如果輔機(jī)排煙管路走向與現(xiàn)場其他結(jié)構(gòu)發(fā)生沖突則應(yīng)重新設(shè)計。在船舶出塢前應(yīng)當(dāng)完成海底閥箱、GRE出舷管路出舷閥的安裝并鎖死出舷閥的手動、液控功能，在船舶內(nèi)側(cè)出口處加裝盲板封堵，確保后續(xù)安全施工。在出塢后安裝機(jī)艙內(nèi)海水泵到新閥箱的海水管時應(yīng)嚴(yán)格按照預(yù)制工藝要求進(jìn)行施工和安裝，確保質(zhì)量。

GRE管路施工是脫硫改造中重要一環(huán)。GRE管路由專業(yè)廠家生產(chǎn)，專業(yè)施工隊在船上現(xiàn)場安裝，安裝結(jié)束后應(yīng)進(jìn)行密性試驗，GRE管路支撐應(yīng)合理布置，避免產(chǎn)生明顯振動而泄漏。圖4為GRE管路連接形式示意圖。

圖4 GRE管路連接形式示意圖

其他管路、電氣安裝及調(diào)試過程與造船無異。但由于脫硫改造涉及到較多電氣系統(tǒng)改造，故在脫硫電氣改造完成后應(yīng)檢查確認(rèn)原船自動管理系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、海事衛(wèi)星電話系統(tǒng)、防海盜系統(tǒng)等能否正常工作。電氣施工時對于需要加裝穿艙的電纜，若原船電纜用電纜穿艙模塊密封則不必開新孔；若原船穿艙電纜采用樹脂密封，則應(yīng)在合適的船體位置開新孔并加裝電纜穿艙件，因為開鑿密封樹脂可能破壞原電纜。

船舶脫硫改造工期控制對船廠和船東都能產(chǎn)生較大經(jīng)濟(jì)利益。經(jīng)過幾十條脫硫船舶改造工程驗證，排煙管改造能夠控制在8 d，塢期控制在4 d，能最大限度縮短工期。

5 脫硫改造質(zhì)量控制及風(fēng)險

筆者參加的脫硫系列船舶改造標(biāo)準(zhǔn)工期為30 d(從進(jìn)入船廠拋錨起算，至離廠試航通過為止)。在30 d工期內(nèi)完成較大規(guī)模的改造工程可能存在施工細(xì)節(jié)上的疏漏，單船上不同工種交叉作業(yè)產(chǎn)生的沖突，施工隊伍的變更，以上種種原因會增加脫硫改造的風(fēng)險。筆者挑選典型的、具有較大潛在風(fēng)險的一些案例進(jìn)行分析。

1)焊接缺陷。各種鋼材預(yù)制管路內(nèi)側(cè)存在缺焊、漏焊等焊接缺陷未被發(fā)現(xiàn)便打砂油漆；通過卷板制成的管路本應(yīng)開坡口打底焊接后再蓋面焊接，工人卻直接在焊縫兩面燒焊并表面打磨光滑來蒙混過關(guān)。這些缺陷若不能被發(fā)現(xiàn)并修正，將導(dǎo)致海水泄漏、廢氣泄漏等嚴(yán)重后果。

2)GRE管路風(fēng)險。GRE管路布置不合理，施工作業(yè)不規(guī)范、未嚴(yán)格查漏將增加大規(guī)模泄漏風(fēng)險。筆者所參加的某系列船舶脫硫塔GRE管路自舵機(jī)間上方脫硫塔底部引出，穿舵機(jī)間進(jìn)入機(jī)艙尾部直接引入機(jī)艙后垂直向下排舷外，且機(jī)艙部分管路均為大直徑單管，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以最大減少因泄漏導(dǎo)致脫硫廢水直接泄漏到主機(jī)頂部事件發(fā)生的概率和影響。

為避免GRE管路因海水沖擊、航行波浪影響，合理增加GRE管路支架及固定支撐點是關(guān)鍵。船東、監(jiān)理在解決GRE管路振動問題時提出盡可能多加固定支持的方案，但是從結(jié)構(gòu)力學(xué)角度來說，過多的固定支撐雖然可以消除振動，但有可能導(dǎo)致原來的管路支架系統(tǒng)由靜定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槌o定結(jié)構(gòu)，而超靜定結(jié)構(gòu)的熱脹冷縮將產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，對結(jié)構(gòu)安全有害。脫硫塔中脫硫器分為2個部分：煙氣接收器和洗滌塔。煙氣接收器在接收燃燒廢氣后從洗滌塔底部進(jìn)入，向上對流通過洗滌塔內(nèi)部，經(jīng)洗滌液清洗后由洗滌器上方排煙管排出，洗滌器上方另設(shè)一支管路連接GRE管路排出脫硫廢水。從船舶海底閥箱吸上來的海水經(jīng)電解處理后，進(jìn)入脫硫器中的洗滌器，洗滌溫度約500 ℃的燃燒廢氣，洗滌后的廢水直接經(jīng)GRE管路排出，故GRE管路與周圍環(huán)境溫度差較大，GRE管路連接處和固定處會產(chǎn)生熱應(yīng)力。故應(yīng)該在取得GRE管路穩(wěn)定和防止超靜定結(jié)構(gòu)因熱應(yīng)力而損壞之間做出最優(yōu)選擇，這需要后續(xù)設(shè)計時進(jìn)行優(yōu)化[2]。

3)GRE出舷管路超級雙相不銹鋼焊接裂紋問題。為解決脫硫廢水強(qiáng)酸性帶來的腐蝕和玻璃鋼管無法與船體結(jié)構(gòu)直接固定的缺點，穿艙件結(jié)構(gòu)和排放脫硫廢水出舷管結(jié)構(gòu)采用超級雙相不銹鋼材料。排放脫硫廢水出舷管最外側(cè)結(jié)構(gòu)是導(dǎo)流罩本體與十字架(實物為1個圓柱形管子，一端面上焊1個十字架)，改造施工中發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流罩本體與十字架連接處焊縫發(fā)生撕裂，現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)發(fā)生撕裂的導(dǎo)流罩與船體外板焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，焊縫較為薄弱，容易產(chǎn)生破壞。經(jīng)深入分析認(rèn)為，焊接應(yīng)力分布不均是產(chǎn)生裂紋的主要原因，可能產(chǎn)生應(yīng)力分布不均的原因主要有3點：①GRE出舷管路與外板焊接后,雖然經(jīng)過探傷且探傷時無缺陷，但并未進(jìn)行熱處理來消除應(yīng)力[3]。②同種鋼材不同金相的母材由于金屬晶格不同，其結(jié)合面本身就存在應(yīng)力，超級雙相不銹鋼在生產(chǎn)及后續(xù)使用過程中會疊加不同種類應(yīng)力，因無相應(yīng)處理工藝進(jìn)行補救，導(dǎo)致增加焊接裂紋出現(xiàn)的概率。③雖然編寫了新材料焊評并通過相關(guān)焊接試驗，但由于技術(shù)條件限制并未采用有限元分析軟件，例如ANSYS，進(jìn)行焊接熱學(xué)—應(yīng)力響應(yīng)分析，從而逆向優(yōu)化焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計和焊接工藝。