王 岳，徐曉東

（江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

0 引 言

2016年，國際海事組織（Interational Maritime Organization，IMO）海上環(huán)境保護委員會第70 次會議要求，在2020 年1 月1 日之后，全球范圍內(nèi)船舶的SO排放等效燃油含硫量降低到0.5%，在排放控制區(qū)域內(nèi)必須低于0.1%。目前，為滿足此項要求，業(yè)內(nèi)通常選擇使用低硫油、液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）等清潔燃料或加裝廢氣清洗系統(tǒng)等方法。對于常規(guī)散貨船來說，低硫油價格受油價的沖擊波動較大，使用LNG等清潔燃料對船舶進行改裝的難度較大，前期投資較多，因此大量船東選擇在現(xiàn)有營運船舶的基礎上增加船舶廢氣清洗系統(tǒng)（脫硫塔）滿足SO排放要求。據(jù)統(tǒng)計，截至2020 年3 月，已有約4 000 艘船舶安裝或即將安裝脫硫塔，其中散貨船占比最大，達到1 365 艘。

船舶脫硫塔系統(tǒng)主要采用煙氣濕法脫硫技術，包括海水法、鈉堿法和鎂基法等，目前在國外已形成相對成熟的技術和產(chǎn)業(yè)鏈。國內(nèi)對濕法脫硫技術開展的研究較少，相關設備大多依靠進口，實際項目中往往需要國外工程師負責把控，因此對脫硫塔加裝改造進行研究具有重要意義。廢氣清洗系統(tǒng)又稱脫硫塔系統(tǒng)，一般分為開式系統(tǒng)、閉式系統(tǒng)和混合式系統(tǒng)，其原理是將煙氣中的硫化物溶于水，部分生成的酸性硫化物與洗滌水的堿性物反應生成硫酸鹽。開式系統(tǒng)將溶于海水的酸性硫化物直接排到海里，開式U 型脫硫塔的工作原理見圖1；閉式系統(tǒng)通過新增的堿性液處理裝置中和含有硫化物的海水，使排出的廢水沒有酸性；混合式系統(tǒng)介于開式系統(tǒng)與閉式系統(tǒng)之間，可根據(jù)航線的不同轉(zhuǎn)換模式。該系統(tǒng)所需設備為洗滌主副塔、海水泵、密封風機、檢測設備和管路系統(tǒng)等，同時因系統(tǒng)的不同而考慮增加循環(huán)柜和堿水。因此，脫硫塔的加裝改造需考慮到散貨船船尾空間、機艙空間、主副機參數(shù)、海水、排氣管管路走向和電力配置等，改裝范圍涉及機艙、煙囪和新增分段，范圍較大，在改造過程中需要船體、輪機和電氣等統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作，以降低施工成本，縮短項目周期，實現(xiàn)船廠與船東共贏的局面。

圖1 開式U型脫硫塔工作原理

1 脫硫塔改造工作原理和方案概述

根據(jù)實際工程需要，對某型17 萬t 散貨船進行廢氣清洗系統(tǒng)改造。該船總長292 m，型寬45 m，型深24.8 m，設計吃水16.5 m。目前航線受國際海事公約的影響，船東考慮加裝開式廢氣洗滌系統(tǒng)。船舶廢氣清洗系統(tǒng)分為開式系統(tǒng)、閉式系統(tǒng)和混合式系統(tǒng)。開式系統(tǒng)可按形狀分為U型和I 型。系統(tǒng)簡單，主要利用海水的天然弱堿性與廢氣中的SO進行中和反應，海水通過專用海水泵和玻璃鋼管提供給脫硫塔，在脫硫塔內(nèi)對廢氣進行洗滌，以達到脫硫的效果，反應之后的洗滌水通過舷外管排至海里，得到清潔的廢氣排入大氣。開式U型脫硫塔所需設備名稱及布置區(qū)域見表1。

表1 脫硫塔所需設備名稱及布置區(qū)域

在改造過程中，任務量包括但不局限于分段的制作、焊接和吊裝，海水泵的安裝，玻璃鋼管的安裝，舷外管的安裝，排氣管路的改造和大量電氣設備的安裝。項目周期為35 ～45 d。改造區(qū)域從原船煙囪到新分段區(qū)域和機艙底層，現(xiàn)按區(qū)域?qū)Ω脑爝M行任務劃分，圖2 為改造項目流程。

圖2 改造項目流程

2 新增分段區(qū)域結(jié)構(gòu)特征

新增結(jié)構(gòu)布置于煙囪與救生艇之間，U型脫硫塔布置于分段中，呈左右舷布置或船頭船尾布置。結(jié)構(gòu)板為6 ～7 mm的薄板，高度大，易變形，同時設備與結(jié)構(gòu)之間的空間狹小。分段制作與吊裝工序受船廠門機起重水平和焊接質(zhì)量等硬件設施的影響。符合硬件設備的優(yōu)先選擇整體建造、整體吊裝的方案；不符合硬件設備的通過劃分船體結(jié)構(gòu)，可將部分結(jié)構(gòu)與脫硫塔設備劃分為一個總段，整體建造吊裝，其余結(jié)構(gòu)獨立成分段，獨立吊裝。

改造項目中新增結(jié)構(gòu)選擇半包圍式結(jié)構(gòu)，由三面圍壁和平臺組成。新增分段依次吊裝到船尾，與原船煙囪圍壁焊接成整體。這樣做的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)形式簡約，在滿足使用要求的前提條件下，作業(yè)量大幅減少；缺點是結(jié)構(gòu)強度弱，易變形。該分段結(jié)構(gòu)由2 個小型分段（項目中用901/902 分段表示）和立柱組成，其安裝流程一般為立柱定位、安裝→901 分段吊裝→立柱反面加強與分段焊接→脫硫塔塔體吊裝、定位與安裝→902 分段吊裝→901 與902 焊接成總段→總裝涂裝等工序。分段建造采用新造船常用的組立式建造法，將分段細分為小組立和中組立，制作完成之后平臺片體為胎架面，進行大組立。下面以902 分段為例，902 分段長7 560 mm，寬5 040 mm，高4 940 mm，重13 079.5 kg，重心為：=5 365.4 mm；= -0.5 mm；=37 725 mm。

裝配流程為：

1）基面板-甲板拼板，裝焊小組，縱骨；

2）裝配縱艙壁、強框架、肋板和水平桁等組立；

3）縱艙壁、強框架、肋板和水平桁等組立依次上胎安裝；

4）主體分段成型臥態(tài)進涂裝房；

5）底部分段901 上船安裝，且主塔與分段內(nèi)構(gòu)件均已吊運安裝完畢之后，正態(tài)吊裝分段主體；

6）脫硫塔安裝完畢之后，焊接舾裝隔柵平臺支撐件。

在分段建造過程中，需保證精度滿足要求，原船煙囪圍壁角接的結(jié)構(gòu)處設置30 mm余量，防止后續(xù)出現(xiàn)缺料現(xiàn)象，在新增結(jié)構(gòu)下合龍口適當預留補償量，片體結(jié)構(gòu)每840 mm設置0.5 mm補償量；在焊接過程中，所有T排腹板對接剖口朝上，所有T排面板剖口在外口焊接，焊腳高度為5 mm。

3 機艙區(qū)域重要位置改造

3.1 海水泵

脫硫塔系統(tǒng)一般選擇海水泵作為動力裝置，同時在改造過程中更換海水總管的代價太大，往往在現(xiàn)有海水箱上新增海水支管或新增1 個海水箱為系統(tǒng)供水。在本文所述項目中，將脫硫塔專用海水泵布置在機艙底部左舷低位海底閥箱附近。海水泵和底座確定好位置之后，在較低的位置安裝。在滿足與其他設備（壓載系統(tǒng)）共用和流量的要求的基礎上，從海水總管上開孔并引出一根DN450 的鍍鋅管，3 臺專用海水泵（2 臺工作，1 臺備用）分別接到新增的海水總管上。同時，在海水泵進出口各安裝電動閘閥，進泵前的主管路添加液壓閘閥控制海水的流通；鍍鋅管法蘭連接處可增加犧牲法蘭，用于進一步保護管路。此外，在改造過程中存在一些注意要點：

1）原船機艙底部含有大量泵、箱等設備，可利用的空間不多，常出現(xiàn)通過更改一些普通管路提供空間的情況，需及時與船東和機務溝通協(xié)商；

2）在海底閥箱流量不滿足要求的情況下，需新增海底閥箱；

3）脫硫塔噴淋嘴作為塔內(nèi)的重要零件，將海水呈霧化與逆向流動的煙氣充分接觸，其選擇和布置方案主要受濾嘴高度、塔內(nèi)直徑和內(nèi)部構(gòu)造等因素的影響，但因?qū)Ｓ煤Ｋ锰峁┑暮Ｋ赡芎兄睆捷^大的雜質(zhì)，為保護噴淋嘴防止堵塞，往往在改造過程中更換直徑更小的海底閥箱過濾網(wǎng)格；

4）海水泵工作過程中引起振動，需與船東溝通，對底座進行橫向和縱向的加強。

3.2 舷外管

海水與廢氣中的部分硫化物反應之后形成的洗滌水通過玻璃鋼管到達機艙底層；在左右舷選擇合適的空間開孔布置舷外管，洗滌水通過舷外管排入大海。由于反應之后的洗滌水具有較強的腐蝕性，普通鍍鋅管無法滿足長期使用要求，因此在安裝舷外管過程中，往往使用GRE玻璃鋼管設計泄放管路，使用超級雙向不銹鋼、超級奧氏體SMO254 等材料設計船艙的舷外管。該船的舷外管采用超級雙相不銹鋼材質(zhì)，具體安裝圖見圖3。舷外管、法蘭、肋板、導流板和喇叭口在內(nèi)場拼接完畢之后上船安裝。船體在相應區(qū)域換板，以分段內(nèi)的預裝管作為基準，整個路管聯(lián)通，舷旁管作為分段的末端管，先根據(jù)管子的坐標和尺寸對船體外板初選一個開孔點并初步開孔，再對舷外孔進行修割。隨后試裝舷外管，直到能安裝為止。接著拆下舷外管，對其坡度進行修割。打磨、光順之后對舷旁管進行點焊固定，并通過點焊將肘板固定在船體外板上。需注意所有對接焊均需打坡口，坡口要求按相應的焊接標準實施。同時，若該船擁有多個舷外管，還需注意這些舷外管中心的間距不得小于3 m。

圖3 舷外管安裝圖

在實際使用脫硫塔過程中，大量船員發(fā)現(xiàn)舷外管的焊接處極易被洗滌水腐蝕。鑒于洗滌水呈酸性，脫硫塔本體、管道、部件和附件材料的正確選擇及良好的安裝工藝對于避免這類問題而言至關重要。同時，隨著酚醛環(huán)氧和乙烯酯玻璃鱗片等防腐涂層及玻璃鋼等耐酸性涂料的使用，將為舷外管增加新一層保護。

4 原船煙囪區(qū)域排氣管路改造

原船煙囪區(qū)域改造即圍繞著排氣管路的改造。在改造之前，主機與發(fā)電機組排煙管路通過消音裝置徑直布置在煙囪區(qū)域，呈左右舷布置，直接排向大氣。在未安裝脫硫塔系統(tǒng)之前，主機排氣管路的長度為39 m，高度為35.2 m，其他參數(shù)見表2。

表2 某散貨船排氣管路的參數(shù)

排氣管路背壓由直管、彎管和消音器組成，有

式（1）～式（9）中：p為直管壓力損失；p為彎管壓力損失；p為消音器壓力損失；為摩擦因數(shù)；ρ 為氣體密度，kg/m；為氣體速度，m/s；D為公稱直徑，mm；υ為動力黏度，m/s；為排氣流量，m/s；ε為管壁絕對粗糙度，0.03 ～3；ξ 為局部阻力系數(shù)，與彎管角度成正比關系。同時，已知消音器壓力損失為53. 4 mmAq（1 mmAq約等于9.8 Pa），即P約等于53.4 mmAq。

將表2 中的數(shù)據(jù)代入式（1）～式（9），計算得出主機壓力損失為214.4 mmAq，發(fā)電機組壓力損失為94.1 mmAq，已知主機允許最大背壓值為383 mmAq，發(fā)電機組最大背壓值300 mmAq，滿足使用要求。改造過程中，考慮到U型脫硫塔接口位置，需在原船煙囪區(qū)域上層甲板切斷煙氣通道，添加主機與3 臺發(fā)電機的支管路，每條新增排氣管還需增加膨脹節(jié)和電動蝶閥控制排氣管路的路徑和開關，3 臺發(fā)電機的排氣管路并入主機排氣管路之后與脫硫塔副塔的接口連接，進入洗滌塔與海水反應。由于脫硫塔選擇U型系統(tǒng)，排氣管路的直徑和路徑等發(fā)生變化，管路背壓增加，需重新對管路背壓進行計算，以確保滿足主副機的使用要求。

排氣管路的路徑變化主要體現(xiàn)在：

1）主機在開啟脫硫塔系統(tǒng)下，排氣管路的路徑長度為29. 4 m，高度為27. 4 m，管路公稱直徑由1 300 mm增加到1 800 mm，新增1 個45°彎角、1 個90°彎角和1 個DN1800 電動蝶閥；

2）1 號發(fā)電機在開啟脫硫塔系統(tǒng)下，排氣管路的路徑長度為29.4 m，高度為27.4 m，管路公稱直徑由400 mm增加到600 mm，新增2 個30°彎角、2 個90°彎角和1 個DN400 電動蝶閥；

3）2 號發(fā)電機在開啟脫硫塔系統(tǒng)下，排氣管路的路徑長度為30.3 m，高度為27.4 m，管路公稱直徑由400 mm增加到600 mm，新增2 個45°彎角、2 個90°彎角和1 個DN400 電動蝶閥；

4）3 號發(fā)電機在開啟脫硫塔系統(tǒng)下，排氣管路的路徑長度為32.4 m，高度為27.4 m，管路公稱直徑由400 mm增加到600 mm，新增2 個30°彎角、2 個90°彎角和1 個DN400 電動蝶閥。

根據(jù)式（1）～式（9）可得脫硫塔系統(tǒng)下壓力損失約為381. 4 mmAq，發(fā)電機組壓力損失約為296. 6 mmAq，滿足設備的使用要求。

5 其 他

結(jié)合改裝設計過程中遇到的設計選型及設備和管路布置等方面的問題，針對開式廢氣清洗系統(tǒng)、采用U型塔的舊船改造，分析存在的主要問題并提出應對措施。

5.1 電力負荷

原船發(fā)電機組為四沖程、0.96 kW的設備，廢氣清洗系統(tǒng)增加3 臺功率為132 kW的海水泵和密封風機等電氣設備，因此需對船舶電力負荷進行重新計算，綜合考慮正常航行、進出港狀態(tài)、裝卸貨狀態(tài)和停泊狀態(tài)下發(fā)電機組的負荷，經(jīng)過計算，滿足使用要求。

5.2 船體振動

為減少船體結(jié)構(gòu)與洗滌塔的相互影響，避免產(chǎn)生振動或強度問題，洗滌塔采用彈性連接安裝，支腿底座和側(cè)向支撐采用彈性墊，所有管路接口采用彈性膨脹節(jié)。考慮到洗滌塔本身只有重量，沒有剛度，對全船振動的影響很小，影響區(qū)域集中于煙囪和居住區(qū)，可考慮在煙囪的根部加大肘板，以增加其約束，減小煙囪振動，從而降低居住區(qū)的振動。

5.3 管路布置與支架安裝

脫硫塔系統(tǒng)進出海水管路選用玻璃鋼管，由專業(yè)的施工隊伍安裝、涂膠和加熱。在布置管路時，需考慮到路徑和修改量最優(yōu)化；同時，在系統(tǒng)工作過程中，為避免玻璃鋼管路受海水沖擊和航行波浪的影響，需合理增加管路支架和支撐點。在項目中，船東為解決管路振動問題，往往提出增加支架的方案，但從結(jié)構(gòu)力學的角度看，支撐過多會使系統(tǒng)由靜力結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成超靜力結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的熱脹冷縮會產(chǎn)生很大的熱應力，對結(jié)構(gòu)安全有害，因此需合理增加管路支架和支撐點。

5.4 船舶航行

脫硫塔系統(tǒng)改造完成之后，其重量會增加約80 t，主要包括分段、主輔塔、管路系統(tǒng)和電氣設備增加的重量，主要集中在船尾新增分段和機艙底部。這部分新增重量在原有船舶總噸中所占權(quán)重較小，因此影響不大；同時，通過重量計算得知，在滿載工況下，船體結(jié)構(gòu)的最大剪力彎矩和最大應力均在限定值內(nèi)，不會對船舶航行產(chǎn)生影響。

6 結(jié) 語

本文從實際項目出發(fā)，對脫硫塔的工作原理和改造方案進行了詳細闡述，并從提高工作效率和質(zhì)量水平、減少現(xiàn)場工作量等方面對三大改造區(qū)域進行了綜合分析，給出了最優(yōu)的改裝設計方案，同時對改裝過程中的典型問題提出了應對措施，可供其他船型的改造參考。