船舶脱硫改造工程分析

詹显正

(友联船厂(蛇口)有限公司，广东 深圳 518054)

按照MARPOL公约要求，排放控制区内，船舶燃油硫含量的质量百分数不得超过0.1%；在除排放控制区之外所有欧洲海域，船舶燃油硫含量的质量百分数不得超过0.5%，从2020年1月1日起进一步降至0.1%； 其他海域，2020年后燃油最大硫含量的质量百分数不得超过0.5%。已经生效的4个排放控制区海域有：波罗的海排放控制区、北海排放控制区、北美海域排放控制区、美国加勒比海域排放控制区。目前，韩国、日本、新加坡和中国正在积极申请进入下一批排放控制区名单[1]。

船东为了使船舶符合MARPOL公约的要求，可以使用低硫油，也可以对船舶进行脱硫系统改造。相比之下，加装船舶尾气脱硫装置以后，船东无需对发动机及燃料供应系统进行改造，可以继续使用与主机性能匹配的廉价重油，为船东节约大量的燃油成本。

1 脱硫系统种类和工作原理

加装船舶尾气脱硫装置有以下几种方法：海水法、淡水+氢氧化钠法、混合系统法。海水法是指利用天然海水碱度，将船舶废气中硫化物转化成亚硫酸盐和硫酸盐，然后洗涤废液经分离、通风氧化、稀释等环节处理后排入大海，而分离后的污泥、油渣等随船储存，直至靠岸回收。淡水+氢氧化钠法是以淡水为载体，加入氢氧化钠作为脱硫剂。当吸收液的PH值下降时只需继续加入氢氧化钠即可，极大减少脱硫废水的排放甚至不排放，但需要加装加药系统和洗涤液冷却装置。混合系统法是利用海水法和淡水+氢氧化钠法相结合的一套脱硫系统，在排放区域，用淡水+氢氧化钠法，在排放区外用海水法。虽然混合系统较为复杂，但同时具有海水法与淡水+氢氧化钠法的优缺点。

2 海水法脱硫系统分析

笔者2019年下半年连续参加了5艘40万吨级散货船脱硫系统改造工程，这些船的脱硫系统均采用海水法脱硫。一套海水法脱硫系统包括脱硫塔塔体及脱硫洗涤器，改造后系统包括：主辅机排烟管系统，海水管路系统，玻璃钢(GRE)管路系统，阀控液压管系统，密封空气系统，控制空气系统，消防管路系统，电气自动化控制及采样监控系统。

脱硫系统对于主辅机排烟管改造主要体现为对原有烟囱上部改造。船体方面需要在原有烟囱后侧合适位置割开1个高约4 m，沿烟囱横向长度的工艺孔。机电方面，需要将原有烟囱里对应区域排烟管管路割除，并按照设计图纸进行施工。在原有主机排烟管上选择合适位置割去原有管路，更换为三通管，然后在三通管与主机原排烟管上方加装新风闸与原排烟管相连；三通管较细管侧依次安装空气—液压复合控制风闸、波纹管膨胀节、尾气汇总管连接到脱硫塔。新旧两路主机排烟管上风闸的开关，就可以实现脱硫/常规排放模式的转换。图1是排烟管改造模型示意图。由于辅机排烟管管径较小，可以在原排烟管上开口做支管，也可以采用三通支管。笔者倾向于采用三通支管，因为这样气密性会更好。

图1 排烟管改造模型示意图

为使脱硫系统获得海水，一般在40万吨级散货船右舷割开原船结构加装1个海底阀箱，海底阀箱内敷设海水管路连接机舱中新加的脱硫系统专用海水泵。海水管路沿机舱前侧转折，上升至机舱顶部，通过舵机间，并从舵机间引入脱硫塔洗涤器。

GRE管路由洗涤塔顶部引出，从上向下辅设，其直径由细渐粗达到设计直径后，穿过脱硫塔底部依次进入舵机间、机舱，然后沿机舱左后侧垂直引下至机舱底层甲板上方10 m左右，分开两路出舷管排海。GRE管路穿入和穿出舵机间、机舱两段均由超级双相不锈钢管路与GRE管路连接，以避免GRE材料被钢结构损坏。

阀控液压管路主要控制海水管路、GRE管路上出舷阀的开启和关闭，以及其他需要液压控制的部件。在直接排海的GRE管路分段上应添加出舷阀。出舷阀既可以现场手动开启、关闭，也可以使用手摇泵远程开启、关闭。阀控液压管由液压站引出，向下连接出舷阀液压控制模块，向上引入脱硫塔，与控制空气管路共同控制主辅机脱硫风闸。

密封空气由安装在脱硫塔内的密封风机吸入，密封空气管路向上布置并分为4条分支，从脱硫塔顶板分为4条管路，分别接入主机风闸(1条)，辅机风闸(3条)。密封空气风机电气控制柜布置在密封风机附近的脱硫塔墙壁上。

控制空气管路由机舱主空气瓶引出至脱硫塔顶部空气控制总管，脱硫塔顶部空气控制总管再引出若干路支管，各支管的开关由脱硫系统阀控液压管进行控制。

消防主管路由机舱消防管路引入脱硫塔，继而在塔内分为若干支管；脱硫塔每层均放有CO2灭火器。

脱硫系统电气系统包括主配电板控制、脱硫塔内电气控制柜、取样检测控制柜、变频器等电气设备及接线。主配电板控制全部脱硫系统工作，变频器配合机舱海水泵工作，脱硫塔内电气控制柜控制脱硫塔工作，取样检测控制柜为2套，分别检测脱硫系统吸入的海水和经脱硫处理后的排放废水。

3 脱硫改造内场预制施工

脱硫改造工程分为内场预制、吊装分段、船上施工、坞修改造、调试试航等阶段。内场预制作业包括船体和管系预制2个方面。

船体预制主要有海底阀箱预制、脱硫分段预制。海底阀箱在结构完工并组装成型后，还应装好机电车间预制的阀箱吸水管子并完成管子与阀箱本体的焊接、探伤。脱硫塔塔体分为A、B、C、D 4个分段，如图2所示。这4个分段预制过程中均需进行装配、焊接报验，关键部分还应进行探伤检验，4个分段通过报验后进行打砂、油漆作业，油漆作业时应考虑后续总组作业时的焊接影响。

图2 脱硫塔塔体A、B、C、D分段示意图

在各种管路预制作业中，其中较为重要的为GRE出舷管路处超级双相不锈钢管路与外板焊接的预制。该预制过程应严格按照船级社认可的焊接工艺进行，选择适合的焊接技术，确保焊接方法、顺序正确，焊接参数满足焊接工艺规范要求，焊接过程中保证层间温度≤100 ℃，焊后打磨工具采用不锈钢专用工具。

预制不锈钢管作业中对需要表面处理的不锈钢管进行钝化处理后，与供应商提供的脱硫器进行安装作业。机电内场应将脱硫器大小罐体及附属钝化不锈钢管路、罐体支架按照说明书进行组装、加装绝缘棉及铁板，并将组装好的脱硫处理罐在船体内场预制的脱硫塔塔体内进行定位并完成安装。船体及所有管路的独立预制均需要经过船东检验通过。

内场预制的后续阶段进行脱硫塔塔体组合。首先船体应完成A+B分段合龙，进行装配、完工报验。然后进行AB+C分段合龙，装配、完工报验(A+B意味A与B装配，AB+C意味着分段A与B已成为一个整体后再与分段C装配，其余类推)。接下来需要将机电预制好的脱硫塔吊入塔体进行安装定位。最后吊装D分段盖顶，完成后，可以在脱硫塔较小侧进口处加装一段总排烟收集管。在B、C分段中间接触处还应加装救生艇平台。

各分段装配时定位精度很重要，装配误差、装配间隙必须控制在合理要求范围内。在合龙预制过程中，如能够对脱硫塔内部各种管系及电气控制柜进行安装，则可加快施工进度。

4 脱硫改造船上施工

待改造船舶进厂后，需要先进行安全检测，排除作业影响区的安全隐患后，才能进行作业。因脱硫改造涉及到原船众多重要系统，建议船厂在开工前与船方共同检查确认船舶状态，以免发生纠纷。

脱硫改造可采取2种作业方式，方案一为先进坞改造海水线底部，后改造排烟管；方案二为先改造排烟管，待进坞后改造海水线底部。方案二可以最大限度加快作业进度，可以将等待潮水及移泊时间充分利用起来进行施工，减少起吊船舶作业等待时间。

脱硫改造首先应关停船舶主机，并在原来烟囱后部割除工艺孔。在将应急发电机吊上船并完成电源切换接线后，停下发电机，进行排烟管改造。在原来烟囱改造的同时，可以准备将脱硫塔塔体吊装上船，吊装前应将救生艇架等影响吊装部分割除。完成内场预制组装的脱硫塔由岸上300 t龙门吊转移到岸边，由500 t自航吊装工程作业船舶起吊，起吊后吊装船自航到目标船尾部完成吊运作业。

脱硫塔塔体吊上船后应及时定位，定位后应在舵机间按图纸要求加装反面加强结构。内场组装后的脱硫塔与原来烟囱连接面除上方保留与原来烟囱连接的开孔外并无其他开孔。为确保脱硫塔在海上保持稳定，脱硫塔与烟囱连接处加强结构如图3所示，开孔在塔体面向原来烟囱侧从下向上分别设置A′、B′、C′ 3个甲板与前部烟囱下方船体相连。图3中阴影区域需待塔体在船上定位后，再处理与原船结构密封及船员进出通道等事宜。1M是脱硫塔塔体最后完工时，塔体的外部结构，2M为从原有烟囱引出的通向脱硫塔排烟管的外包围结构。

船体坞修作业包括在左舷船机舱底部相应外板安装2个GRE出舷管路和移位阴极电流保护(ICCP)外板，在右舷船机舱底部相应外板处加装海底阀箱。上述船体坞修作业均需经过装配、完工、探伤、密性试验，并通过检验。其中左舷GRE出舷管路特定区域应重新打砂，做4度油漆处理。

图3 脱硫塔与烟囱连接处加强结构

脱硫排烟管系统、密封空气系统、控制空气系统、阀控液压管系统按照设计图纸进行施工即可。脱硫排烟管路施工时应确保脱硫主辅机排烟管路与风闸、膨胀节尺寸相符，如果出现内场预制管路与现场不相符问题，则应添加大小头管附件，如果辅机排烟管路走向与现场其他结构发生冲突则应重新设计。在船舶出坞前应当完成海底阀箱、GRE出舷管路出舷阀的安装并锁死出舷阀的手动、液控功能，在船舶内侧出口处加装盲板封堵，确保后续安全施工。在出坞后安装机舱内海水泵到新阀箱的海水管时应严格按照预制工艺要求进行施工和安装，确保质量。

GRE管路施工是脱硫改造中重要一环。GRE管路由专业厂家生产，专业施工队在船上现场安装，安装结束后应进行密性试验，GRE管路支撑应合理布置，避免产生明显振动而泄漏。图4为GRE管路连接形式示意图。

图4 GRE管路连接形式示意图

其他管路、电气安装及调试过程与造船无异。但由于脱硫改造涉及到较多电气系统改造，故在脱硫电气改造完成后应检查确认原船自动管理系统、卫星导航系统、海事卫星电话系统、防海盗系统等能否正常工作。电气施工时对于需要加装穿舱的电缆，若原船电缆用电缆穿舱模块密封则不必开新孔；若原船穿舱电缆采用树脂密封，则应在合适的船体位置开新孔并加装电缆穿舱件，因为开凿密封树脂可能破坏原电缆。

船舶脱硫改造工期控制对船厂和船东都能产生较大经济利益。经过几十条脱硫船舶改造工程验证，排烟管改造能够控制在8 d，坞期控制在4 d，能最大限度缩短工期。

5 脱硫改造质量控制及风险

笔者参加的脱硫系列船舶改造标准工期为30 d(从进入船厂抛锚起算，至离厂试航通过为止)。在30 d工期内完成较大规模的改造工程可能存在施工细节上的疏漏，单船上不同工种交叉作业产生的冲突，施工队伍的变更，以上种种原因会增加脱硫改造的风险。笔者挑选典型的、具有较大潜在风险的一些案例进行分析。

1)焊接缺陷。各种钢材预制管路内侧存在缺焊、漏焊等焊接缺陷未被发现便打砂油漆；通过卷板制成的管路本应开坡口打底焊接后再盖面焊接，工人却直接在焊缝两面烧焊并表面打磨光滑来蒙混过关。这些缺陷若不能被发现并修正，将导致海水泄漏、废气泄漏等严重后果。

2)GRE管路风险。GRE管路布置不合理，施工作业不规范、未严格查漏将增加大规模泄漏风险。笔者所参加的某系列船舶脱硫塔GRE管路自舵机间上方脱硫塔底部引出，穿舵机间进入机舱尾部直接引入机舱后垂直向下排舷外，且机舱部分管路均为大直径单管，这样的结构设计可以最大减少因泄漏导致脱硫废水直接泄漏到主机顶部事件发生的概率和影响。

为避免GRE管路因海水冲击、航行波浪影响，合理增加GRE管路支架及固定支撑点是关键。船东、监理在解决GRE管路振动问题时提出尽可能多加固定支持的方案，但是从结构力学角度来说，过多的固定支撑虽然可以消除振动，但有可能导致原来的管路支架系统由静定结构转变为超静定结构，而超静定结构的热胀冷缩将产生很大的热应力，对结构安全有害。脱硫塔中脱硫器分为2个部分：烟气接收器和洗涤塔。烟气接收器在接收燃烧废气后从洗涤塔底部进入，向上对流通过洗涤塔内部，经洗涤液清洗后由洗涤器上方排烟管排出，洗涤器上方另设一支管路连接GRE管路排出脱硫废水。从船舶海底阀箱吸上来的海水经电解处理后，进入脱硫器中的洗涤器，洗涤温度约500 ℃的燃烧废气，洗涤后的废水直接经GRE管路排出，故GRE管路与周围环境温度差较大，GRE管路连接处和固定处会产生热应力。故应该在取得GRE管路稳定和防止超静定结构因热应力而损坏之间做出最优选择，这需要后续设计时进行优化[2]。

3)GRE出舷管路超级双相不锈钢焊接裂纹问题。为解决脱硫废水强酸性带来的腐蚀和玻璃钢管无法与船体结构直接固定的缺点，穿舱件结构和排放脱硫废水出舷管结构采用超级双相不锈钢材料。排放脱硫废水出舷管最外侧结构是导流罩本体与十字架(实物为1个圆柱形管子，一端面上焊1个十字架)，改造施工中发现导流罩本体与十字架连接处焊缝发生撕裂，现场勘查发现发生撕裂的导流罩与船体外板焊接结构设计不合理，焊缝较为薄弱，容易产生破坏。经深入分析认为，焊接应力分布不均是产生裂纹的主要原因，可能产生应力分布不均的原因主要有3点：①GRE出舷管路与外板焊接后,虽然经过探伤且探伤时无缺陷，但并未进行热处理来消除应力[3]。②同种钢材不同金相的母材由于金属晶格不同，其结合面本身就存在应力，超级双相不锈钢在生产及后续使用过程中会叠加不同种类应力，因无相应处理工艺进行补救，导致增加焊接裂纹出现的概率。③虽然编写了新材料焊评并通过相关焊接试验，但由于技术条件限制并未采用有限元分析软件，例如ANSYS，进行焊接热学—应力响应分析，从而逆向优化焊接结构设计和焊接工艺。