關(guān)鍵詞：壓載水取樣系統(tǒng)；等動力；取樣口

摘要：根據(jù)壓載水取樣導(dǎo)則（G2），介紹了一種壓載水取樣系統(tǒng)設(shè)計的方法；同時根據(jù)某外輪的具體情況，設(shè)計出一種壓載水取樣系統(tǒng)為解決相關(guān)問題提供了一定的建議和思路。

0　引　言

由于船舶壓載水的排放，造成有害水生物和病原體的傳播，引起港口海洋生態(tài)環(huán)境被破壞，公眾健康遭受損害。因此，2004年2月IMO通過了《國際船舶壓載水和沉淀物控制與管理公約》來加強對船舶壓載水的管理控制，同時逐步通過了相關(guān)導(dǎo)則，為公約的有效實施提供了必要的技術(shù)支持。2008年10月MEPC58通過了14個導(dǎo)則的最后一個，即壓載水取樣導(dǎo)則（以下簡稱G2導(dǎo)則）。G2導(dǎo)則的制定是根據(jù)壓載水公約第9條“船舶檢查”，為締約國、包括港口國檢查官員提供可行的壓載水取樣和分析的技術(shù)指導(dǎo)，以確定船舶是否符合壓載水公約的D1和D2標(biāo)準。

G2導(dǎo)則的制定經(jīng)歷了3年時間，但從內(nèi)容上看，仍是一個缺少操作性和具體內(nèi)容的導(dǎo)則。目前G2導(dǎo)則的主要內(nèi)容包括：樣品的代表性；采取有效措施避免懸浮物對取樣結(jié)果的影響；所取樣品的質(zhì)量和數(shù)量足以滿足對于壓載水排放物D1和D2標(biāo)準的符合性分析等。但如何達到上述要求，G2導(dǎo)則并沒有給出詳細說明，從而使得目前各港口國在壓載水監(jiān)督檢查方面的工作難以開展?？梢姡绾慰焖俨扇【哂写硇郧夷芊从硥狠d水真實情況的水樣己迫在眉睫[4]。

1　取樣系統(tǒng)的設(shè)計

1.1　取樣位置選擇

G2導(dǎo)則規(guī)定：樣品應(yīng)來自代表主水流成分，設(shè)于主管路的取樣點；同時公約生效時間漸進，船舶即將安裝壓載水處理設(shè)備，為證實壓載水處理后的效果，明白壓載水在排出舷外前的真實情況，取樣管應(yīng)該安裝在壓載水處理系統(tǒng)之后，排出舷外之前。綜合上述兩點，壓載水取樣點應(yīng)盡可能安裝在靠近壓載水舷外排放點的壓載水管路的直管部分，在這里水流成分完全混合，從而可以避免彎管和其他設(shè)備的負面影響，最能代表實際排放狀況，最具有代表性，此處取樣完全滿足D1和D2標(biāo)準的檢測要求[3]。

1.2　取樣口的設(shè)計

可通過計算機流體動力學(xué)模型設(shè)計取樣口，進行“等速或等動力”取樣。等速或等動力取樣（取樣口處海水的速度外形或壓力外形與主管中海水的速度外形或壓力外形相匹配）是一種滿意的針對因速度或壓力變化引起分流的多層面水流的取樣方法。取樣時，主管中的海水在流過取樣裝置的開口時，不會散開或積聚，取樣口不會改變水流的流速或流向，確保了對變化的流動成分取出的水樣成分基本相同。該法能最小化各種不利因素對取樣生物的有害影響。

通過計算機流體動力學(xué)模型，等動力直徑計算可以為取樣口的設(shè)計提供指導(dǎo)。取樣口等動力直徑計算可以根據(jù)下面公式?jīng)Q定：

Diso = Dm I Qisol Qm

Diso和Dm分別是等動力取樣口和壓載水排出主管的直徑，Qiso和Qm分別是兩管各自的流速。Qm由壓載水泵決定，Qiso=取樣體積/取樣時間，建立在最大取樣水流速和最小壓載水流速組合基礎(chǔ)上的取樣口尺寸將會產(chǎn)生最大的等動力直徑。

圖1為美國海岸警衛(wèi)隊研究和發(fā)展中心利用COSMOSFlo Works軟件建立的計算機流體動力學(xué)模型。該計算機流體動力學(xué)模型表明：設(shè)計取樣口的直徑是等動力直徑1.5-2.0倍時，從主壓載管水流到取樣管水流的轉(zhuǎn)變是最好的[1,2]（圖1[2]明確顯示了這一點）。在這個范圍內(nèi)，設(shè)計的取樣口可以進行壓力和流向的平穩(wěn)過渡，從而不需要附加泵進行水樣的采集。根據(jù)上述計算，選擇設(shè)計取樣口的直徑范圍，然后在直徑范圍內(nèi)選用標(biāo)準直徑鋼管。另外取樣管的開口應(yīng)該斜切，這樣可以在管內(nèi)外直徑之間提供光滑、逐次的轉(zhuǎn)變。

圖1 172%等動力直徑的取樣口的流動軌跡

1.3　導(dǎo)段直管的選擇

面向水流的取樣引導(dǎo)段直管長度是可以變化的，但是通常不小于取樣管的一個直徑大小，因取樣口處水樣的流速變化通常是一個直徑。取樣裝置所有過渡要光滑，這將會最小化生物和取樣器壁面的相互作用。取樣口開口面對水流，引導(dǎo)段平行于水的流向，且與排出水管同軸，整個取樣裝置呈“L”型[1]。圖2、圖3中取樣口直徑約1 in。

美國海岸警衛(wèi)隊研究和發(fā)展中心利用COSMO-SFloWorks軟件建立的計算機流體動力學(xué)模型表明：引導(dǎo)段直管長度無論是取樣器直徑的6倍或2倍，流動模式上差別都很小，可見引導(dǎo)段直管長度對取樣質(zhì)量影響很小。建議長度取2-3倍左右的取樣器直徑，直管短容易安裝。

除了“L”型取樣設(shè)計，取樣管的設(shè)計也可如圖4所示：取樣口直徑和延伸段直管長度不變，但可省略取樣管本身一彎頭[2]。

圖2 6 in“L”型管的速度輪廓

圖3 2 in“L”型管的速度輪廓

圖4 直管取樣筒圖

2　取樣系統(tǒng)安裝

2.1　取樣管系閥件選擇

1）取樣管的開口和內(nèi)部有可能被生物和其他異物堵塞，所以取樣管必須要經(jīng)常清洗；為保證取樣能代表真實的壓載水情況，取樣前取樣系統(tǒng)也要沖洗30 s，所以系統(tǒng)中需安裝附加的隔離閥或其他裝置，用作清洗控制的隔離閥可采用球閥、門閥等。這樣取樣器在取樣前能清洗系統(tǒng)，在取樣過程中水樣 能夠移走，在取樣后系統(tǒng)能夠關(guān)閉。

2）對球閥、門閥和碟閥而言，當(dāng)閥門處于部分 開度時，因它們產(chǎn)生的剪切力會殺死活體生物，此時經(jīng)過這些閥件取樣并不能代表排出壓載水的真實情況。所以使用在系統(tǒng)中的上述各閥，僅能用于全開或全關(guān)位置。若取樣系統(tǒng)需要進行流量控制，可安裝針閥或其他能提供平穩(wěn)流動的閥件。

2.2　取樣管系材料

為了防止電化學(xué)腐蝕，取樣管系和閥件應(yīng)該與壓載水排出管系選用相同的材質(zhì)；或者選用其他耐 腐蝕材料。取樣系統(tǒng)的腐蝕將影響取樣流的速率和樣品的代表性。

3　設(shè)計實例

外輪AKITEC，2009年12月進上海閔南船廠改造。該輪壓載水系統(tǒng)由21個獨立的壓載艙室組成，總?cè)莘eV=７836m3水泵排量：QBp=450 m3/h。假設(shè)左右壓載水艙同時排出，排出過程中壓載水取樣體積VBS = 3m3（依據(jù)MEPC建議，即≥50µm活體生物的單次取樣量為1m3。要求取三個水層，分別是90%、60%、30%時進行，所以當(dāng)連續(xù)取樣3m3時，水樣能完全反應(yīng)出壓載水的真實情況），該輪No.1左右頂邊艙體積之和V1TST=470m3，在所有左右兩壓載艙之和中總?cè)莘e最少。所以當(dāng)No.1左右頂邊艙同時排出時，滿足取樣3 m3的要求，則其余各左右壓載艙同時排水均能滿足取樣要求。計算如下：

排空No.1左右頂邊艙所需的時間為：

當(dāng)取3m3的壓載水樣時，水樣流速計算如下：

AKITEC輪壓載水通舷外管為DN200（公稱通徑），外徑DOUT=219mm，內(nèi)徑DIN=206.5mm。

根據(jù)上述各數(shù)據(jù)，可以計算出最初的取樣口直徑，根據(jù)等動力取樣口直徑：

設(shè)計取樣口直徑取1.5倍等動力取樣直徑：

取樣鋼管應(yīng)選用標(biāo)準鋼管，實際中可選用DN25，外徑DOUT=33.7mm，壁厚3.2mm，DIN=27.3mm的鋼管，此時等動力直徑比率為：

從圖5中可以看出，該壓載水系統(tǒng)有一噴射泵，且噴射泵與壓載水通舷外閥距離很近，這為過濾后的壓載水通過噴射泵排出提供了可能。

由于該輪是老齡船，使用壽命較短，所以取樣管系的設(shè)計可最簡化，根據(jù)上述計算和船舶具體壓載管系布局，在現(xiàn)場采樣過濾后的壓載水，最終可通過壓載水系統(tǒng)中的噴射泵排出舷外。

筆者設(shè)計如圖6：圖中，法蘭1與壓載水總管焊接在一起，法蘭2與取樣管系焊接在一起，兩法蘭之間加一墊片，通過螺絲緊固。這種設(shè)計的優(yōu)點在于，當(dāng)取樣管系腐蝕，影響取樣效果時，可在外場按圖加工取樣管系，現(xiàn)場快速安裝，簡單、方便!

圖中A的距離最小可裝入一取樣容器。取樣結(jié)束后，裝上管帽，可防止異物進入。

圖6

對一些新造船舶，可采用圖7所示的罐形取樣系統(tǒng)，罐形取樣容器內(nèi)可自帶不同規(guī)格的濾器。根據(jù)測定壓載水中活體生物的大小、數(shù)量來決定罐形取樣器的不同設(shè)計，且各罐形取樣器應(yīng)該能方便地拆下和進行水樣分析，罐形取樣技術(shù)是一種實際可行的現(xiàn)場過濾采集大量壓載水樣的方法。系統(tǒng)中各閥可自動或手動操作，自動控制時，可通過設(shè)定流量計對各閥進 行程序控制，系統(tǒng)先自動清洗30s，再根據(jù)流量計測 量流過罐形取樣器的流體體積，當(dāng)流體體積達到設(shè)定數(shù)量時，管路上各閥自動關(guān)閉取樣器系統(tǒng)。

圖7

《國際船舶壓載水和沉淀物控制與管理公約》附則D-2定義活體生物標(biāo)準為：

（1）個體最小尺寸≥50µm的活物個體（標(biāo)準是<10個/m3）；

（2）50µm>個體最小尺寸≥10µm的活物個體（標(biāo)準是<10個/ml）。

當(dāng)取樣用于檢測上述兩種活體生物數(shù)量時，罐形取樣器內(nèi)的濾器規(guī)格和取樣布置可如上圖7所示：若檢測個體最小尺寸≥50µm的活物數(shù)量時，可采用A罐中水樣；若檢測50µm>個體最小尺寸≥10µm的活物數(shù)量時，C罐中的水樣則滿足要求。圖7這種設(shè)計簡單方便，可現(xiàn)場快速過濾取樣。

上述圖6、圖7取樣系統(tǒng)中，各閥需采用針閥或其他能提供平穩(wěn)流動的閥件。因各閥兼清洗和取樣之用，所以未特別附加設(shè)計清洗管系。

然而由于壓載水取樣系統(tǒng)現(xiàn)非IMO強制性要求，所以該輪未實際安裝。

4　結(jié)　語

為加快壓載水取樣技術(shù)的發(fā)展，方便港口國監(jiān)督檢查，以便在其現(xiàn)有能力范圍內(nèi)迅速采取有效措施，降低不符合標(biāo)準的船舶壓載水排放造成的影響，不但需要各海事組織、船級社等機構(gòu)加強技術(shù)合作和監(jiān)督檢查力度，更需要船東的積極配合!

[參考文獻]

[1]Guidelines for Ballast Water Sampling （G2）[S] .Resolution MEPC.173（58）2008.10.

[2] Analysis of Ballast Water Sampling Port Designs Using Computational Fluid Dynamics [ M ]. U. S. Coast Guard Research and Development Center ，2008.02.

[3]馮道倫，許樂平.船舶壓載水中生物取樣和檢測的幾個問題[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù).2009.03.

[4]張碩慧等.壓載水取樣導(dǎo)則的制定和解析[J].國際海事公約研究與動態(tài).2009.05.

作者：馬義平,許樂平  來源：船舶