船舶脫硫改造工程分析

詹顯正

(友聯船廠(蛇口)有限公司，廣東 深圳 518054)

按照MARPOL公約要求，排放控制區內，船舶燃油硫含量的質量百分數不得超過0.1%；在除排放控制區之外所有歐洲海域，船舶燃油硫含量的質量百分數不得超過0.5%，從2020年1月1日起進一步降至0.1%； 其他海域，2020年后燃油最大硫含量的質量百分數不得超過0.5%。已經生效的4個排放控制區海域有：波羅的海排放控制區、北海排放控制區、北美海域排放控制區、美國加勒比海域排放控制區。目前，韓國、日本、新加坡和中國正在積極申請進入下一批排放控制區名單[1]。

船東為了使船舶符合MARPOL公約的要求，可以使用低硫油，也可以對船舶進行脫硫系統改造。相比之下，加裝船舶尾氣脫硫裝置以后，船東無需對發動機及燃料供應系統進行改造，可以繼續使用與主機性能匹配的廉價重油，為船東節約大量的燃油成本。

1 脫硫系統種類和工作原理

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、混合系統法。海水法是指利用天然海水堿度，將船舶廢氣中硫化物轉化成亞硫酸鹽和硫酸鹽，然后洗滌廢液經分離、通風氧化、稀釋等環節處理后排入大海，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。當吸收液的PH值下降時只需繼續加入氫氧化鈉即可，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和洗滌液冷卻裝置。混合系統法是利用海水法和淡水+氫氧化鈉法相結合的一套脫硫系統，在排放區域，用淡水+氫氧化鈉法，在排放區外用海水法。雖然混合系統較為復雜，但同時具有海水法與淡水+氫氧化鈉法的優缺點。

2 海水法脫硫系統分析

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

脫硫系統對于主輔機排煙管改造主要體現為對原有煙囪上部改造。船體方面需要在原有煙囪后側合適位置割開1個高約4 m，沿煙囪橫向長度的工藝孔。機電方面，需要將原有煙囪里對應區域排煙管管路割除，并按照設計圖紙進行施工。在原有主機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原排煙管上方加裝新風閘與原排煙管相連；三通管較細管側依次安裝空氣—液壓復合控制風閘、波紋管膨脹節、尾氣匯總管連接到脫硫塔。新舊兩路主機排煙管上風閘的開關，就可以實現脫硫/常規排放模式的轉換。圖1是排煙管改造模型示意圖。由于輔機排煙管管徑較小，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

為使脫硫系統獲得海水，一般在40萬噸級散貨船右舷割開原船結構加裝1個海底閥箱，海底閥箱內敷設海水管路連接機艙中新加的脫硫系統專用海水泵。海水管路沿機艙前側轉折，上升至機艙頂部，通過舵機間，并從舵機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，其直徑由細漸粗達到設計直徑后，穿過脫硫塔底部依次進入舵機間、機艙，然后沿機艙左后側垂直引下至機艙底層甲板上方10 m左右，分開兩路出舷管排海。GRE管路穿入和穿出舵機間、機艙兩段均由超級雙相不銹鋼管路與GRE管路連接，以避免GRE材料被鋼結構損壞。

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管路分段上應添加出舷閥。出舷閥既可以現場手動開啟、關閉，也可以使用手搖泵遠程開啟、關閉。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脫硫風閘。

密封空氣由安裝在脫硫塔內的密封風機吸入，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，分別接入主機風閘(1條)，輔機風閘(3條)。密封空氣風機電氣控制柜布置在密封風機附近的脫硫塔墻壁上。

控制空氣管路由機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，各支管的開關由脫硫系統閥控液壓管進行控制。

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

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

3 脫硫改造內場預制施工

脫硫改造工程分為內場預制、吊裝分段、船上施工、塢修改造、調試試航等階段。內場預制作業包括船體和管系預制2個方面。

船體預制主要有海底閥箱預制、脫硫分段預制。海底閥箱在結構完工并組裝成型后，還應裝好機電車間預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個分段預制過程中均需進行裝配、焊接報驗，關鍵部分還應進行探傷檢驗，4個分段通過報驗后進行打砂、油漆作業，油漆作業時應考慮后續總組作業時的焊接影響。

圖2 脫硫塔塔體A、B、C、D分段示意圖

在各種管路預制作業中，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制。該預制過程應嚴格按照船級社認可的焊接工藝進行，選擇適合的焊接技術，確保焊接方法、順序正確，焊接參數滿足焊接工藝規范要求，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。

預制不銹鋼管作業中對需要表面處理的不銹鋼管進行鈍化處理后，與供應商提供的脫硫器進行安裝作業。機電內場應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場預制的脫硫塔塔體內進行定位并完成安裝。船體及所有管路的獨立預制均需要經過船東檢驗通過。

內場預制的后續階段進行脫硫塔塔體組合。首先船體應完成A+B分段合龍，進行裝配、完工報驗。然后進行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)。接下來需要將機電預制好的脫硫塔吊入塔體進行安裝定位。最后吊裝D分段蓋頂，完成后，可以在脫硫塔較小側進口處加裝一段總排煙收集管。在B、C分段中間接觸處還應加裝救生艇平臺。

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。在合龍預制過程中，如能夠對脫硫塔內部各種管系及電氣控制柜進行安裝，則可加快施工進度。

4 脫硫改造船上施工

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

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

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

脫硫塔塔體吊上船后應及時定位，定位后應在舵機間按圖紙要求加裝反面加強結構。內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定，脫硫塔與煙囪連接處加強結構如圖3所示，開孔在塔體面向原來煙囪側從下向上分別設置A′、B′、C′ 3個甲板與前部煙囪下方船體相連。圖3中陰影區域需待塔體在船上定位后，再處理與原船結構密封及船員進出通道等事宜。1M是脫硫塔塔體最后完工時，塔體的外部結構，2M為從原有煙囪引出的通向脫硫塔排煙管的外包圍結構。

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

圖3 脫硫塔與煙囪連接處加強結構

脫硫排煙管系統、密封空氣系統、控制空氣系統、閥控液壓管系統按照設計圖紙進行施工即可。脫硫排煙管路施工時應確保脫硫主輔機排煙管路與風閘、膨脹節尺寸相符，如果出現內場預制管路與現場不相符問題，則應添加大小頭管附件，如果輔機排煙管路走向與現場其他結構發生沖突則應重新設計。在船舶出塢前應當完成海底閥箱、GRE出舷管路出舷閥的安裝并鎖死出舷閥的手動、液控功能，在船舶內側出口處加裝盲板封堵，確保后續安全施工。在出塢后安裝機艙內海水泵到新閥箱的海水管時應嚴格按照預制工藝要求進行施工和安裝，確保質量。

GRE管路施工是脫硫改造中重要一環。GRE管路由專業廠家生產，專業施工隊在船上現場安裝，安裝結束后應進行密性試驗，GRE管路支撐應合理布置，避免產生明顯振動而泄漏。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、電氣安裝及調試過程與造船無異。但由于脫硫改造涉及到較多電氣系統改造，故在脫硫電氣改造完成后應檢查確認原船自動管理系統、衛星導航系統、海事衛星電話系統、防海盜系統等能否正常工作。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生較大經濟利益。經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 脫硫改造質量控制及風險

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

1)焊接缺陷。各種鋼材預制管路內側存在缺焊、漏焊等焊接缺陷未被發現便打砂油漆；通過卷板制成的管路本應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。這些缺陷若不能被發現并修正，將導致海水泄漏、廢氣泄漏等嚴重后果。

2)GRE管路風險。GRE管路布置不合理，施工作業不規范、未嚴格查漏將增加大規模泄漏風險。筆者所參加的某系列船舶脫硫塔GRE管路自舵機間上方脫硫塔底部引出，穿舵機間進入機艙尾部直接引入機艙后垂直向下排舷外，且機艙部分管路均為大直徑單管，這樣的結構設計可以最大減少因泄漏導致脫硫廢水直接泄漏到主機頂部事件發生的概率和影響。

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鍵。船東、監理在解決GRE管路振動問題時提出盡可能多加固定支持的方案，但是從結構力學角度來說，過多的固定支撐雖然可以消除振動，但有可能導致原來的管路支架系統由靜定結構轉變為超靜定結構，而超靜定結構的熱脹冷縮將產生很大的熱應力，對結構安全有害。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入，向上對流通過洗滌塔內部，經洗滌液清洗后由洗滌器上方排煙管排出，洗滌器上方另設一支管路連接GRE管路排出脫硫廢水。從船舶海底閥箱吸上來的海水經電解處理后，進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GRE管路排出，故GRE管路與周圍環境溫度差較大，GRE管路連接處和固定處會產生熱應力。故應該在取得GRE管路穩定和防止超靜定結構因熱應力而損壞之間做出最優選擇，這需要后續設計時進行優化[2]。

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