关键词：压载水取样系统；等动力；取样口

摘要：根据压载水取样导则（G2），介绍了一种压载水取样系统设计的方法；同时根据某外轮的具体情况，设计出一种压载水取样系统为解决相关问题提供了一定的建议和思路。

0　引　言

由于船舶压载水的排放，造成有害水生物和病原体的传播，引起港口海洋生态环境被破坏，公众健康遭受损害。因此，2004年2月IMO通过了《国际船舶压载水和沉淀物控制与管理公约》来加强对船舶压载水的管理控制，同时逐步通过了相关导则，为公约的有效实施提供了必要的技术支持。2008年10月MEPC58通过了14个导则的最后一个，即压载水取样导则（以下简称G2导则）。G2导则的制定是根据压载水公约第9条“船舶检查”，为缔约国、包括港口国检查官员提供可行的压载水取样和分析的技术指导，以确定船舶是否符合压载水公约的D1和D2标准。

G2导则的制定经历了3年时间，但从内容上看，仍是一个缺少操作性和具体内容的导则。目前G2导则的主要内容包括：样品的代表性；采取有效措施避免悬浮物对取样结果的影响；所取样品的质量和数量足以满足对于压载水排放物D1和D2标准的符合性分析等。但如何达到上述要求，G2导则并没有给出详细说明，从而使得目前各港口国在压载水监督检查方面的工作难以开展。可见，如何快速采取具有代表性且能反映压载水真实情况的水样己迫在眉睫[4]。

1　取样系统的设计

1.1　取样位置选择

G2导则规定：样品应来自代表主水流成分，设于主管路的取样点；同时公约生效时间渐进，船舶即将安装压载水处理设备，为证实压载水处理后的效果，明白压载水在排出舷外前的真实情况，取样管应该安装在压载水处理系统之后，排出舷外之前。综合上述两点，压载水取样点应尽可能安装在靠近压载水舷外排放点的压载水管路的直管部分，在这里水流成分完全混合，从而可以避免弯管和其他设备的负面影响，最能代表实际排放状况，最具有代表性，此处取样完全满足D1和D2标准的检测要求[3]。

1.2　取样口的设计

可通过计算机流体动力学模型设计取样口，进行“等速或等动力”取样。等速或等动力取样（取样口处海水的速度外形或压力外形与主管中海水的速度外形或压力外形相匹配）是一种满意的针对因速度或压力变化引起分流的多层面水流的取样方法。取样时，主管中的海水在流过取样装置的开口时，不会散开或积聚，取样口不会改变水流的流速或流向，确保了对变化的流动成分取出的水样成分基本相同。该法能最小化各种不利因素对取样生物的有害影响。

通过计算机流体动力学模型，等动力直径计算可以为取样口的设计提供指导。取样口等动力直径计算可以根据下面公式决定：

Diso = Dm I Qisol Qm

Diso和Dm分别是等动力取样口和压载水排出主管的直径，Qiso和Qm分别是两管各自的流速。Qm由压载水泵决定，Qiso=取样体积/取样时间，建立在最大取样水流速和最小压载水流速组合基础上的取样口尺寸将会产生最大的等动力直径。

图1为美国海岸警卫队研究和发展中心利用COSMOSFlo Works软件建立的计算机流体动力学模型。该计算机流体动力学模型表明：设计取样口的直径是等动力直径1.5-2.0倍时，从主压载管水流到取样管水流的转变是最好的[1,2]（图1[2]明确显示了这一点）。在这个范围内，设计的取样口可以进行压力和流向的平稳过渡，从而不需要附加泵进行水样的采集。根据上述计算，选择设计取样口的直径范围，然后在直径范围内选用标准直径钢管。另外取样管的开口应该斜切，这样可以在管内外直径之间提供光滑、逐次的转变。

图1 172%等动力直径的取样口的流动轨迹

1.3　导段直管的选择

面向水流的取样引导段直管长度是可以变化的，但是通常不小于取样管的一个直径大小，因取样口处水样的流速变化通常是一个直径。取样装置所有过渡要光滑，这将会最小化生物和取样器壁面的相互作用。取样口开口面对水流，引导段平行于水的流向，且与排出水管同轴，整个取样装置呈“L”型[1]。图2、图3中取样口直径约1 in。

美国海岸警卫队研究和发展中心利用COSMO-SFloWorks软件建立的计算机流体动力学模型表明：引导段直管长度无论是取样器直径的6倍或2倍，流动模式上差别都很小，可见引导段直管长度对取样质量影响很小。建议长度取2-3倍左右的取样器直径，直管短容易安装。

除了“L”型取样设计，取样管的设计也可如图4所示：取样口直径和延伸段直管长度不变，但可省略取样管本身一弯头[2]。

图2 6 in“L”型管的速度轮廓

图3 2 in“L”型管的速度轮廓

图4 直管取样筒图

2　取样系统安装

2.1　取样管系阀件选择

1）取样管的开口和内部有可能被生物和其他异物堵塞，所以取样管必须要经常清洗；为保证取样能代表真实的压载水情况，取样前取样系统也要冲洗30 s，所以系统中需安装附加的隔离阀或其他装置，用作清洗控制的隔离阀可采用球阀、门阀等。这样取样器在取样前能清洗系统，在取样过程中水样 能够移走，在取样后系统能够关闭。

2）对球阀、门阀和碟阀而言，当阀门处于部分 开度时，因它们产生的剪切力会杀死活体生物，此时经过这些阀件取样并不能代表排出压载水的真实情况。所以使用在系统中的上述各阀，仅能用于全开或全关位置。若取样系统需要进行流量控制，可安装针阀或其他能提供平稳流动的阀件。

2.2　取样管系材料

为了防止电化学腐蚀，取样管系和阀件应该与压载水排出管系选用相同的材质；或者选用其他耐 腐蚀材料。取样系统的腐蚀将影响取样流的速率和样品的代表性。

3　设计实例

外轮AKITEC，2009年12月进上海闵南船厂改造。该轮压载水系统由21个独立的压载舱室组成，总容积V=７836m3水泵排量：QBp=450 m3/h。假设左右压载水舱同时排出，排出过程中压载水取样体积VBS = 3m3（依据MEPC建议，即≥50µm活体生物的单次取样量为1m3。要求取三个水层，分别是90%、60%、30%时进行，所以当连续取样3m3时，水样能完全反应出压载水的真实情况），该轮No.1左右顶边舱体积之和V1TST=470m3，在所有左右两压载舱之和中总容积最少。所以当No.1左右顶边舱同时排出时，满足取样3 m3的要求，则其余各左右压载舱同时排水均能满足取样要求。计算如下：

排空No.1左右顶边舱所需的时间为：

当取3m3的压载水样时，水样流速计算如下：

AKITEC轮压载水通舷外管为DN200（公称通径），外径DOUT=219mm，内径DIN=206.5mm。

根据上述各数据，可以计算出最初的取样口直径，根据等动力取样口直径：

设计取样口直径取1.5倍等动力取样直径：

取样钢管应选用标准钢管，实际中可选用DN25，外径DOUT=33.7mm，壁厚3.2mm，DIN=27.3mm的钢管，此时等动力直径比率为：

从图5中可以看出，该压载水系统有一喷射泵，且喷射泵与压载水通舷外阀距离很近，这为过滤后的压载水通过喷射泵排出提供了可能。

由于该轮是老龄船，使用寿命较短，所以取样管系的设计可最简化，根据上述计算和船舶具体压载管系布局，在现场采样过滤后的压载水，最终可通过压载水系统中的喷射泵排出舷外。

笔者设计如图6：图中，法兰1与压载水总管焊接在一起，法兰2与取样管系焊接在一起，两法兰之间加一垫片，通过螺丝紧固。这种设计的优点在于，当取样管系腐蚀，影响取样效果时，可在外场按图加工取样管系，现场快速安装，简单、方便!

图中A的距离最小可装入一取样容器。取样结束后，装上管帽，可防止异物进入。

图6

对一些新造船舶，可采用图7所示的罐形取样系统，罐形取样容器内可自带不同规格的滤器。根据测定压载水中活体生物的大小、数量来决定罐形取样器的不同设计，且各罐形取样器应该能方便地拆下和进行水样分析，罐形取样技术是一种实际可行的现场过滤采集大量压载水样的方法。系统中各阀可自动或手动操作，自动控制时，可通过设定流量计对各阀进 行程序控制，系统先自动清洗30s，再根据流量计测 量流过罐形取样器的流体体积，当流体体积达到设定数量时，管路上各阀自动关闭取样器系统。

图7

《国际船舶压载水和沉淀物控制与管理公约》附则D-2定义活体生物标准为：

（1）个体最小尺寸≥50µm的活物个体（标准是<10个/m3）；

（2）50µm>个体最小尺寸≥10µm的活物个体（标准是<10个/ml）。

当取样用于检测上述两种活体生物数量时，罐形取样器内的滤器规格和取样布置可如上图7所示：若检测个体最小尺寸≥50µm的活物数量时，可采用A罐中水样；若检测50µm>个体最小尺寸≥10µm的活物数量时，C罐中的水样则满足要求。图7这种设计简单方便，可现场快速过滤取样。

上述图6、图7取样系统中，各阀需采用针阀或其他能提供平稳流动的阀件。因各阀兼清洗和取样之用，所以未特别附加设计清洗管系。

然而由于压载水取样系统现非IMO强制性要求，所以该轮未实际安装。

4　结　语

为加快压载水取样技术的发展，方便港口国监督检查，以便在其现有能力范围内迅速采取有效措施，降低不符合标准的船舶压载水排放造成的影响，不但需要各海事组织、船级社等机构加强技术合作和监督检查力度，更需要船东的积极配合!

[参考文献]

[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]冯道伦，许乐平.船舶压载水中生物取样和检测的几个问题[J].环境科学与技术.2009.03.

[4]张硕慧等.压载水取样导则的制定和解析[J].国际海事公约研究与动态.2009.05.

作者：马义平,许乐平  来源：船舶