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船舶压载水系统论文

“凯敏”轮压载水管理系统的科学管理初探

[摘要]随着世界航运业的发展，船舶压载水问题给全球海洋环境和经济发展带来一定程度的威胁。

压载水会把侵害性水生物带到新的环境，从而破坏新环境生物链的正常生产，甚至可能危害人类的正常生活。

目前，已经成为影响海洋生态环境安全的四大危害因素之一。

因此，安全而有效治理船舶压载水及其沉积物已成为国际海洋环境研究中的热点课题。

首先，在查阅多方相关资料后，本文对压载水进行了综合论述，分析了压载水处理的重要性；其次，简述了几种针对压载水处理的管理方法，分析了它们的优缺点；接着，详细论述了“凯敏”轮所使用压载水处理技术，并就其处理原理进行分析。

同时针对“凯敏”轮电解法处理压载水所产生的问题进行分析，并提出解决办法。

[关键词]压载水；电解制氯；腐蚀；监控系统

TheScientificManagmentofBallastWaterTreatmentSysteminNewActivityTanker

[Abstract]Withthedevelopmentoftheworldshippingindustry,theshipballastwaterproblemhasbroughtacertaindegreeofthreattotheglobalmarineenvironmentandeconomicdevelopment.Theballastwaterwilltaketheinvasiveaquaticorganismstothenewenvironment,destroythenormalproductionofthefoodchaininthenewenvironment,Itcouldevendoharmtothehumannormallife.Atpresent,theballastwaterhasbecomeoneofthefourmajorriskfactorsthataffectthesafetyofmarineecologicalenvironment.Therefore,thesafeandeffectivewaytomanageshipballastwaterandsedimenthasbecomeahottopicintheinternationalmarineenvironmentalresearch.Firstly，basedonthereferences，thePapersummarizestherelatedProblemofballastwater，clarifiestheimportance.Secondly，thepaperbrieflyintroducesseveralkindsoftreatmentsofballastwater.Besides,comparestheadvantagesanddisadvantagesamongthosetreatmentsandthepracticalityoftheextantmethods.Lastly,thepaperinitiallyanalysestheproblemwhichmightberaisedbyuseofelectrolyticmethodforthetreatmentofballastwateronboard，makesadviceabouttheballastwatertreatmentsystemof“NEW　ACTIVITY”.

[Keywords]Ballastwater;Electrochlorination;Corrosion;Monitoringsystem

致谢语-------------------------------------------------------------14

参考文献-----------------------------------------------------------15

0引言

压载水就是海水，船上都设有海水泵，把海水抽到压载舱里去。

压载水系统的作用是：

根据船舶营运的需要，对全船压载舱进行注入或排出，以达到下述目的：

调整船舶的吃水和船体纵、横向的平稳及安全的稳心高度；减小船体变形，以免引起过大的弯曲力矩与剪切力降低船体振动；改善空舱适航性[1]。

压载水的作用主要有以下几种：

1）在船舶空载时保持一定深度的吃水不至于倾覆；

2）在船舶载货的状态下也可以用压载水在各压载舱之间压载和调节，确定一定的吃水差或者平吃水，保证船舶在特定的水域中顺利、安全航行；

3）破冰船通过使用大功率的水泵快速调节船首尾两端的压载水，进而使得船首尾两端进行高地运动，切断海面上的冰层，进行破冰作业，这也是破冰船的工作原理。

但是压载水的危害也不容忽视：

威胁本地的生物多样性。

大量海洋外来生物随着船舶压载水的排放，进入到本地海域，它们通过竞争或占据本地特种生态位，排挤甚至扼杀本地物种。

因此，对于船舶压载水处理要视为重中之重。

1船舶压载水的管理方法

目前，船舶压载水处理方法大致可分为以下几类：

1.1排岸法

是指利用岸基压载水处理装置来进行船舶压载水处理。

相对来说岸基设备的开发限制少，比较容易达到公约规定的D-2标准。

但它增加了港口方面的负担，对于一些装卸速度快的船舶，可能会影响其船期。

1.2化学处理法

1）臭氧（O3）处理

臭氧是一种强氧化剂，氧化还原电位高达2.07V，足以杀死压载水中的入侵微生物，而且不存在二次污染问题。

但臭氧会加快压载舱的腐蚀，并且投药量不易调节，需要具有较高的技术水平进行管理和维护，不适应船舶的环境空间和技术力量。

因此臭氧法并不适于船上船舶压载水处理[2]。

2）氯化法

氯化法对船舶压载水处理以去除浮游植物和原生物以及细菌是可行的，但对不同的目标生物所需的氯含量不同。

一般的少量氯对杀死压载水中的细菌有明显效果；而对于浮游藻类，因为耐受性强，需要较高的有效氯含量进行处理，如对于扁藻在氯化处理中有效氯含量高达40mg/L，仍不能达到去除的目的。

3）羟基自由法

羟基具有极强的氯化能力，与氟的氧化能力相当，参与反应属于游离基反应，反应速度快，能很容易地氧化分解各种有机物和无机物，最终生成物是CO2和H2O，无剩余污染[3]。

4）电解法

电解法对于船舶压载水处理中的有害水生物和病原体是一种非常有前途的处理技术，在一定的条件下能杀灭压载水中绝大多数的有害水生物和病原体，压载水的电解处理技术会影响压载水金属的腐蚀，而腐蚀速度随有效余氯浓度以及腐蚀时间等参数的变化而不同[4]。

5）过氧化氢（H2O2）

与其他化学品相比，其主要优点是：

残余物很容易分解成水及氧，因此从环境上讲比较合理。

其主要缺点是当压载水中有机物质过多时，将会因有机物质的氧化而效果降低[5]。

1.3物理清除法

1）紫外线照射

研究表明，紫外线处理装置对杀灭海洋细菌、微生物非常有效；但对杀灭外来有害水生物效果不一定很好。

因此，在使用紫外线处理装置的同时，还应考虑如何杀灭外来有毒水生物[6]。

2）加热处理

从目前所进行的研究来看，温度在38℃-50℃，加热持续2-4h。

可杀灭大部分生物，存在处理时间长、能耗过高、热应力影响船舶航行安全等难以解决的问题。

3）超声波法

它在船舶压载水处理过程中可能产生热量、压力波的偏向，形成半真空从而脱氧导致浮游生物的死亡。

但可能有一些目前未知的健康方面的问题。

气蚀过程还会造成水舱表面或结构的破坏。

1.4一般清除

1）稀释法

是指海上更换压载水时，从压载舱顶部泵入海水，同时，以相同的速率从压载舱底部将压载水泵出压载舱。

此种方法用于船舶水处理比排空法和溢流法都更安全。

因此，以相同速率打进和排除压载水，基本上保持了压载舱中的液面高度不变。

2）排空法

是指船舶在海上更换压载水时先将压载水排空，直至泵吸丧失为止。

而后打入少量海水进行冲洗后重新加载压载水。

排空法可以有效地排出舱底及压载舱内船舶结构表面的沉积物与淤泥中的水生生物与病原体，但所需水量较少，更换时间短。

3）溢流法

是指船舶压载水处理中从压载舱的底部泵入清洁海水，是原来的压载水通过溢流孔从顶部排出的方法。

采用溢流法更换船舶压载水不会产生对船舶的稳性、吃水等因素的重大影响，也不会产生过大的剪切应力和弯曲力矩，但使用溢流法需要向舱内泵入3倍舱容的海水，更换时间长，消耗能源较多。

2“凯敏”轮电解法处理压载水实例介绍

2.1“凯敏”轮压载水系统的组成与构造

“凯敏”轮在机舱内设置有两台压载水泵。

全船分布有包括首、尾尖舱在内的压载水舱共计12个。

海水经左、右两个海底门进入压载水系统，并通过左右两个海底门排出压载水。

为防止船舶携带的压载水在异地排放时为当地海域带来有害水生物，系统还设置有压载水处理装置（见图1），用于杀灭水中微生物。

图1.“凯敏”轮压载水处理装置[7]

1）设备型号和参数

“凯敏轮”使用的压载水处理装置为青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司生产的BalClor®BWMSBC2000。

其额定处理量为1701-2200m3/h，电解海水量20m3/h，所需功率100KW.

2）压载水处理系统的工作原理及设备组成

BalClor®BWMS采用模块化设计，由过滤单元，电解单元，和中和单元三部分组成。

（1）过滤单元

过滤单元选用自动反冲洗过滤器，实行海水全过滤。

过滤时，海水通过入口法兰进入过滤室，一部分未过滤的海水则经过滤芯中间的立管进入过滤器上部，最终从上面进入滤芯。

这意味着，海水会从上方和下方同时进入滤芯。

直径大于50um的浮游生物会被滤芯截留，过滤后的海水透过滤网到达过滤器出口。

过滤后的浮游生物将残留在滤芯整个长度区间内，从而使得整个过滤区域得到充分利用。

当滤网内、外压差达到设定值时，反冲洗系统自动启动，两端开口的滤芯按顺序上下交替接受冲洗。

在反冲洗过程中，电动马达带动冲洗系统，一套位于滤芯上方的旋转盖臂开始转动，把滤芯的上开端盖住；与此同时，下方冲洗臂开始转动，在对应滤芯的下开端位置时打开排污阀，这样，在滤芯内部产生的压降会使流经滤芯的水反向流动，将残留的浮游生物冲洗出滤芯，实现最佳冲洗效果。

图2.自动反冲洗过滤器

（2）电解单元

电解单元选用管板式电解槽。

当电解槽两端施加直流电时，海水中的氯离子在电解槽阳极板上被氧化，氧化物溶于海水生成高浓度的次氯酸钠溶液，该溶液经过分离器除气后，回注入压载水主管路，并同主管路海水混合至一定浓度。

该浓度的次氯酸钠溶液能够有效杀灭经过滤后的残余的浮游生物、病原体及其幼虫或孢子等，达到D2标准规定的杀菌效果。

图3.电解单元

（3）中和单元

中和单元用于中和排载水中残余的氧化剂。

安装在排水口的TRO检测仪会实时监测排载水中的余氯浓度，并将结果传输至控制系统。

当压载水中余氯浓度小于IMO规定值时，中和系统不启动，压载水直接排放到目的地海域；当余氯浓度大于IMO规定值时，中和系统自动启动，想排水管中注入中和剂，中和残余的氧化剂，中和剂的流量由控制系统根据TRO检测仪反馈的浓度信息自动控制。

图4.中和单元

3）“凯敏”轮压载水系统运行流程

中和单元

图5.压载、排载示意图

压载流程：

舷外海水经海底门首先进入过滤单元，之后一部分海水分流进入电解单元，海水中的氯离子在电解槽阳极板上被氧化，氧化物溶于海水生成高浓度的次氯酸钠溶液，该溶液经过分离器除气后，回注入压载水主管路，并同主管路海水混合至一定浓度。

最终进入压载舱。

排载流程：

压载水从压载舱中排出，首先经过TRO检测仪检测排载水中余氯浓度，若余氯浓度合格，直接排出舷外；若余氯浓度过高，则中和单元启动，向排载水中注入中和剂，至余氯浓度合格后排出舷外。

3船舶压载水的电解处理技术原理

海水经船舶海底门吸入，然后通过电解单元进入压载舱。

海水通过电解单元时，由于电解产生的次氯酸钠具有强氧化性，能杀死海水中的有害微生物，生成的残余氯气能够阻止压载舱中的微生物重新生成。

3.1电解的条件

1）电解液

电解法处理船舶压载水是以海水为电解液，电解原料的选取十分方便，其经济成本很低。

海水中含有丰富的Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2+等离子，在这些离子的作用下，海水形成了一个天然的电解质溶液[8]。

2）电极的材料

（1）阳极的材料：

阳极材料要求析氯活性好，氧化性与基体有较高的结力，抗电解能力强，耐氧、氯腐蚀，同时还要求耐海水污染能力强，电流效率持久等。

18世纪中叶，碳和石墨电极是电化学工业中应用最广的非金属电极材料，具有廉价、易得、导电、导热性能好、耐腐蚀性好、便于加工等优点。

同时具有以下缺点：

机械强度低、容易磨损；作为阳极材料时，特别是在酸性溶液中，外层碳原子容易被氧化为一氧化碳和二氧化碳，造成石墨膨胀剥离，电极损耗，同时电极极距增大，槽电压升高，电解效率下降，并容易造成堵塞。

（2）阴极的材料：

阴极材料要求表面抛光，减少钙、镁沉淀，同时还需注意材料的渗氢、氢脆现象和电解槽停止工作后可能发生的腐蚀。

海水电解的阴极是析氢反应，因此阴极的材料活性必须在金属活动性顺序中氢的活性后面。

在阴极材料中，Hg、Pb、Zn、Sn等属于析氢过电位高的材料，Fe、Co、Ni、Cu、W等属于过电位中等的材料，Pt和Pd等铂金系金属属于过电位低的材料。

低碳钢阴极具有析氢过电位低、加工性能好、价格低廉、耐腐蚀等特点，被广泛用作碱性介质中的阴极材料。

3.2电解的过程

在海水溶液中存在着以下电离平衡：

NaCl==Na++Cl-

（1）

H2O==H++OH-

（2）

按照电解理论，当海水流经电解槽时，可发生以下主要的电解反应：

在阳极：

2Cl--2e——Cl2（3）

在阴极：

2H2O+2e——2OH-+H2（4）

无隔膜电解槽电解时，由于氯气极易溶于水，加之由于海水连续不断的流经电解槽，阴阳极电解溶液充分混合，氯气随后在溶液中发生二次反应：

Cl2+2OH-==ClO-+Cl-+H2O（5）

25℃时，此反应的平衡常数Kc=1.2*1016可见该反应的程度很深。

因此，结合

（1）

（2）（3）（4）（5）五个反应式，得到的总反应可写为[9]：

NaCl+H2O==NaClO+H2（6）

3.3氯化对压载水中海生物处理原理

国内某次对宁波港的52艘船舶进行压载水调查，结果表明85%以上的压载水中都携带有浮游生物，其中共发现50种浮游植物，18种浮游动物。

而这些浮游生物往往是造成物种入侵的根源，对压载水排放地的生态环境会造成严重的破坏。

由此可见，对压载水中的浮游生物等的控制是处理船舶压载水问题的根源所在。

图6.压载水转移带来的物种入侵示意图

电解法正是基于以上原因，由电解海水产生的含氯化合物具有强氧化性，能够将压载水的浮游生物杀死。

由于电解产生了次氯酸钠溶液，而次氯酸钠溶液是一种非常有效的杀菌剂，它可以在压载水中保持一定的时间，并迅速有效的杀灭压载水中的浮游生物、孢子、幼虫及病原体。

该技术已在医学灭菌、自来水厂等水处理行业应用多年，是一种成熟可靠的微生物灭活方法。

研究表明，天然海水中的某些藻类能忍受有效氯浓度一般为5-10mg/L；原生物对氯化处理的耐受很差，有效氯浓度达到5mg/L就可杀灭原生动物。

而电解单元产生的有效氯浓度大约为10mg/L，经过电解处理之后的压载水，里面的浮游生物等都会被杀死。

在排出压载水时，中和系统检测排出的水中有效氯浓度超出上限值0.02mg/L时，会自动切断排出通路，并注入中和剂，直到浓度控制在0.02mg/L以下时，排出通路才再次被打开。

4实际应用中遇到的问题及解决办法

电解法处理船舶压载水的基本原理是采用专门的电解装置对海水进行电解，产生HClO、ClO-、Cl-、OH-等多种活性物质，从而杀灭水中的水生物和病原体。

但这些活性物质的氧化性较强，会对压载舱金属造成腐蚀。

4.1电解法对压载舱金属的腐蚀

压载舱金属一般为船用碳钢，碳钢在余氯浓度为7.5mg/L、17mg/L和28mg/L压载水中的腐蚀速度分别约为其在天然海水中的1.25、1.46和1.7倍。

当温度从8℃升高到24℃时，试样在余氯浓度为7.5mg/L、17mg/L和28mg/L溶液中的腐蚀速率依次增加了7.1%、8.2%和10.7%。

可以看出：

电解压载水的余氯浓度越大，温度对腐蚀加速的程度越大。

实验浓度的pH为8.1-8.4（海水的PH一般为8.2），因此，电解压载水中主要的活性物质为HClO和ClO-。

由于HClO和ClO-比溶解氧具有更高的氧化还原电位，因此电解过的压载水的腐蚀性更强。

另外，在升高同样温度的情况下，余氯浓度越高，溶液中克服反应化能参加反应的粒子的量越多，从而加快了腐蚀反应速度。

图7.腐蚀速率随温度、余氯浓度变化规律[10]

由此可见，电解压载水具有较强的腐蚀性。

碳钢的腐蚀速率随水中余氯浓度和水体温度的升高而变大，且余氯浓度越高，相同温度下对腐蚀加速的程度越大。

4.2压载舱腐蚀的控制

压载舱是结构特别复杂的部位，舱内黑暗潮湿，工作条件恶劣。

常常有些船只，外表维护的十分好，内部尤其是压载舱却已严重腐蚀。

一般来说，压载舱的防腐蚀措施主要有阴极保护和涂料保护，这两种保护措施往往相互协作，共同防腐。

1）阴极保护

（1）牺牲阳极保护

牺牲阳极保护是利用电化学原理，由活泼金属如锌铝等在海水介质中与钢铁构成电性连接，使钢铁在总体上成为阴极而得到保护，船舶牺牲阳极主要有锌与锌合金阳极或铝与铝合金阳极，它们有足够负的电位并且很稳定；工作阳极极化小且溶解均匀，腐蚀产物容易脱落；电流效率高等特点。

牺牲阳极保护的特点：

a）初始费用较低，不需要日常监控；

b）通过阳极材料的消耗来提高保护电流；

c）安装简便，可直接焊接或用螺钉固定；

d）阳极发生电流小，只有有限的自调节输出电流的功能；

e）寿命短，坞修时需要更换，维护费用高；

f）航行中阳极失落，会造成船体部分得不到保护；

（2）外加电流保护

外加电流保护系统一般有直流电源、辅助阳极、阳极屏蔽层和参比电极四部分构成。

但外加电流保护工艺要求高，安装较复杂，需在船体上开孔，从安全角度出发，压载舱一般不采用外加电流保护。

2）涂料保护

采用合适的船舶涂料，以正确的工艺技术，使其覆盖在船舶需要的部位，形成一层完整、致密的涂层，使保护部位的钢铁表面与外界腐蚀环境隔绝，以防止船舶腐蚀的措施，称为船舶的涂料保护。

涂料主要起到屏蔽腐蚀介质、缓蚀作用、阴极保护作用。

目前，用于船舶压载水舱的涂料主要以环氧沥青系列为主，也有的使用乙烯沥青、氯化橡胶沥青涂料和聚氨改性环氧沥青涂料等。

不过，由于环氧沥青涂料中的煤焦油含有较强的致癌物质，加之由于深颜色的涂膜在照明条件有限的舱室难以发现其缺陷和使用后的状况，现已开始推广浅色环氧沥青涂料（不含焦油）或使用石油衍生烃取代沥青。

3）其他防腐措施

（1）合理选材和结构设计：

船舶在选材时应选择质量好或在海水环境中的耐腐蚀性能好的材料，合理的船舶结构设计以避免造成腐蚀的加剧。

（2）减少异种金属部件的直接连接：

船舶上不同金属的直接接触，未加绝缘时，当进入海水介质中时会发生电偶腐蚀，在船舶上可以采用防腐蚀电绝缘连接方式，避免腐蚀发生。

（3）缓释剂：

采用含有缓释剂的淡水对海水中使用的设备冲洗以减缓腐蚀的技术。

压载舱可以使用缓释剂进行冲洗以减缓腐蚀。

4.3对“凯敏”轮压载舱防腐蚀的建议

“凯敏”轮针对压载舱的腐蚀问题，采用了牺牲阳极和涂料联合保护的措施。

作为一艘现代船舶，“凯敏”轮虽然有较高的自动化水平，但并不是面面俱到。

我认为针对船舶压载舱的腐蚀，除了采用合理的防腐措施外，还应该加强对压载舱腐蚀的监测。

“凯敏”轮压载舱的防腐蚀监测应针对阴极保护状态和涂料保护状态这两个方面。

1）阴极保护状态

阴极保护就是运用电化学原理，有活泼金属（比钢铁的电极电位更负的金属）如锌、铝等在海水介质中与钢铁构成电性连接，是钢铁在总体上成为阴极而得到保护。

所以，通过监测船体的电位，可以实现对压载舱阴极保护状态的监测。

2）涂料保护状态

压载舱涂料一般为2层或多层涂装，涂层对钢铁防腐的主要功能是在钢铁表面和周围环境之间起到彼此隔绝屏蔽的作用。

事实上，涂层不可能做到绝对不能被渗透，它总是会一定程度地吸收和渗透水，甚至个别涂料会发生开裂、起泡等涂层缺陷。

运用超声波监测涂层完整性、检测涂层与压载舱壁是否良好接触，我们就可以很直观的判断涂料保护状态。

整合上述功能，参考其他远程监测系统，就可以得到压载舱的远程防腐蚀监测系统。

图8.压载舱的远程防腐蚀监测系统

防腐监测是一种针对压载舱腐蚀的辅助方法，能很好地发现腐蚀的状况，以便及时修整。

结论

本文分析和比较了各类压载水处理方法，以“凯敏”轮BalClor®BWMSBC2000压载水处理系统为模板，着重介绍电解制氯处理压载水的方法。

详细分析了电解法处理压载水的技术原理。

最后，对于电解法带来的问题——金属腐蚀，列举了常用的控制方法。

并且，针对“凯敏”轮的实际情况，提出了增加压载舱远程腐蚀监控系统的建议。

致谢语

本文得到了“凯敏”轮上轮机长、大管轮和三管轮的大力指导，在构建论文写作的基本思路上给了我很大的帮助，并且对论文的内容做了认真的修改。

同时，我在“凯敏”轮上这一年的学习和生活中，船上的同事给了我莫大的帮助，把我培养成一名成熟的海员。

在此，特别感谢“凯敏”轮上的所有同事给我的帮助。

还要感谢集美大学轮机工程学院的老师们对我无私的教育，老师们辛苦了。

最后，对所有关心我的的老师们、同学们和同事们献上我最诚挚的谢意。

参考文献

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