關(guān)鍵詞：壓載水取樣系統；等動(dòng)力；取樣口

摘要：根據壓載水取樣導則（G2），介紹了一種壓載水取樣系統設計的方法；同時(shí)根據某外輪的具體情況，設計出一種壓載水取樣系統為解決相關(guān)問(wèn)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(guò)了《國際船舶壓載水和沉淀物控制與管理公約》來(lái)加強對船舶壓載水的管理控制，同時(shí)逐步通過(guò)了相關(guān)導則，為公約的有效實(shí)施提供了必要的技術(shù)支持。2008年10月MEPC58通過(guò)了14個(gè)導則的最后一個(gè)，即壓載水取樣導則（以下簡(jiǎn)稱(chēng)G2導則）。G2導則的制定是根據壓載水公約第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，以確定船舶是否符合壓載水公約的D1和D2標準。

G2導則的制定經(jīng)歷了3年時(shí)間，但從內容上看，仍是一個(gè)缺少操作性和具體內容的導則。目前G2導則的主要內容包括：樣品的代表性；采取有效措施避免懸浮物對取樣結果的影響；所取樣品的質(zhì)量和數量足以滿(mǎn)足對于壓載水排放物D1和D2標準的符合性分析等。但如何達到上述要求，G2導則并沒(méi)有給出詳細說(shuō)明，從而使得目前各港口國在壓載水監督檢查方面的工作難以開(kāi)展?？梢?jiàn)，如何快速采取具有代表性且能反映壓載水真實(shí)情況的水樣己迫在眉睫[4]。

1　取樣系統的設計

1.1　取樣位置選擇

G2導則規定：樣品應來(lái)自代表主水流成分，設于主管路的取樣點(diǎn)；同時(shí)公約生效時(shí)間漸進(jìn)，船舶即將安裝壓載水處理設備，為證實(shí)壓載水處理后的效果，明白壓載水在排出舷外前的真實(shí)情況，取樣管應該安裝在壓載水處理系統之后，排出舷外之前。綜合上述兩點(diǎn)，壓載水取樣點(diǎn)應盡可能安裝在靠近壓載水舷外排放點(diǎn)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備的負面影響，最能代表實(shí)際排放狀況，最具有代表性，此處取樣完全滿(mǎn)足D1和D2標準的檢測要求[3]。

1.2　取樣口的設計

可通過(guò)計算機流體動(dòng)力學(xué)模型設計取樣口，進(jìn)行“等速或等動(dòng)力”取樣。等速或等動(dòng)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(mǎn)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(shí)，主管中的海水在流過(guò)取樣裝置的開(kāi)口時(shí)，不會(huì )散開(kāi)或積聚，取樣口不會(huì )改變水流的流速或流向，確保了對變化的流動(dòng)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(guò)計算機流體動(dòng)力學(xué)模型，等動(dòng)力直徑計算可以為取樣口的設計提供指導。取樣口等動(dòng)力直徑計算可以根據下面公式?jīng)Q定：

Diso = Dm I Qisol Qm

Diso和Dm分別是等動(dòng)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(shí)間，建立在最大取樣水流速和最小壓載水流速組合基礎上的取樣口尺寸將會(huì )產(chǎn)生最大的等動(dòng)力直徑。

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

圖1 172%等動(dòng)力直徑的取樣口的流動(dòng)軌跡

1.3　導段直管的選擇

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

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

除了“L”型取樣設計，取樣管的設計也可如圖4所示：取樣口直徑和延伸段直管長(cháng)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　取樣系統安裝

2.1　取樣管系閥件選擇

1）取樣管的開(kāi)口和內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(shí)的壓載水情況，取樣前取樣系統也要沖洗30 s，所以系統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(mén)閥等。這樣取樣器在取樣前能清洗系統，在取樣過(guò)程中水樣 能夠移走，在取樣后系統能夠關(guān)閉。

2）對球閥、門(mén)閥和碟閥而言，當閥門(mén)處于部分 開(kāi)度時(shí)，因它們產(chǎn)生的剪切力會(huì )殺死活體生物，此時(shí)經(jīng)過(guò)這些閥件取樣并不能代表排出壓載水的真實(shí)情況。所以使用在系統中的上述各閥，僅能用于全開(kāi)或全關(guān)位置。若取樣系統需要進(jìn)行流量控制，可安裝針閥或其他能提供平穩流動(dòng)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。取樣系統的腐蝕將影響取樣流的速率和樣品的代表性。

3　設計實(shí)例

外輪AKITEC，2009年12月進(jìn)上海閔南船廠(chǎng)改造。該輪壓載水系統由21個(gè)獨立的壓載艙室組成，總容積V=７836m3水泵排量：QBp=450 m3/h。假設左右壓載水艙同時(shí)排出，排出過(guò)程中壓載水取樣體積VBS = 3m3（依據MEPC建議，即≥50µm活體生物的單次取樣量為1m3。要求取三個(gè)水層，分別是90%、60%、30%時(shí)進(jìn)行，所以當連續取樣3m3時(shí)，水樣能完全反應出壓載水的真實(shí)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容積最少。所以當No.1左右頂邊艙同時(shí)排出時(shí)，滿(mǎn)足取樣3 m3的要求，則其余各左右壓載艙同時(shí)排水均能滿(mǎn)足取樣要求。計算如下：

排空No.1左右頂邊艙所需的時(shí)間為：

當取3m3的壓載水樣時(shí)，水樣流速計算如下：

AKITEC輪壓載水通舷外管為DN200（公稱(chēng)通徑），外徑DOUT=219mm，內徑DIN=206.5mm。

根據上述各數據，可以計算出最初的取樣口直徑，根據等動(dòng)力取樣口直徑：

設計取樣口直徑取1.5倍等動(dòng)力取樣直徑：

取樣鋼管應選用標準鋼管，實(shí)際中可選用DN25，外徑DOUT=33.7mm，壁厚3.2mm，DIN=27.3mm的鋼管，此時(shí)等動(dòng)力直徑比率為：

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

由于該輪是老齡船，使用壽命較短，所以取樣管系的設計可最簡(jiǎn)化，根據上述計算和船舶具體壓載管系布局，在現場(chǎng)采樣過(guò)濾后的壓載水，最終可通過(guò)壓載水系統中的噴射泵排出舷外。

筆者設計如圖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(guò)螺絲緊固。這種設計的優(yōu)點(diǎn)在于，當取樣管系腐蝕，影響取樣效果時(shí)，可在外場(chǎng)按圖加工取樣管系，現場(chǎng)快速安裝，簡(jiǎn)單、方便!

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

圖6

對一些新造船舶，可采用圖7所示的罐形取樣系統，罐形取樣容器內可自帶不同規格的濾器。根據測定壓載水中活體生物的大小、數量來(lái)決定罐形取樣器的不同設計，且各罐形取樣器應該能方便地拆下和進(jìn)行水樣分析，罐形取樣技術(shù)是一種實(shí)際可行的現場(chǎng)過(guò)濾采集大量壓載水樣的方法。系統中各閥可自動(dòng)或手動(dòng)操作，自動(dòng)控制時(shí)，可通過(guò)設定流量計對各閥進(jìn) 行程序控制，系統先自動(dòng)清洗30s，再根據流量計測 量流過(guò)罐形取樣器的流體體積，當流體體積達到設定數量時(shí)，管路上各閥自動(dòng)關(guān)閉取樣器系統。

圖7

《國際船舶壓載水和沉淀物控制與管理公約》附則D-2定義活體生物標準為：

（1）個(gè)體最小尺寸≥50µm的活物個(gè)體（標準是<10個(gè)/m3）；

（2）50µm>個(gè)體最小尺寸≥10µm的活物個(gè)體（標準是<10個(gè)/ml）。

當取樣用于檢測上述兩種活體生物數量時(shí)，罐形取樣器內的濾器規格和取樣布置可如上圖7所示：若檢測個(gè)體最小尺寸≥50µm的活物數量時(shí)，可采用A罐中水樣；若檢測50µm>個(gè)體最小尺寸≥10µm的活物數量時(shí)，C罐中的水樣則滿(mǎn)足要求。圖7這種設計簡(jiǎn)單方便，可現場(chǎng)快速過(guò)濾取樣。

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

然而由于壓載水取樣系統現非IMO強制性要求，所以該輪未實(shí)際安裝。

4　結　語(yǔ)

為加快壓載水取樣技術(shù)的發(fā)展，方便港口國監督檢查，以便在其現有能力范圍內迅速采取有效措施，降低不符合標準的船舶壓載水排放造成的影響，不但需要各海事組織、船級社等機構加強技術(shù)合作和監督檢查力度，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(lè )平.船舶壓載水中生物取樣和檢測的幾個(gè)問(wèn)題[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù).2009.03.

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

作者：馬義平,許樂(lè )平  來(lái)源：船舶