油船貨油艙透氣系統(tǒng)布置

何成能，趙 波

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

油船作為滿足海上貨物運(yùn)輸需求的三大主力船型之一，主要用來(lái)運(yùn)輸石油產(chǎn)品。確保該類型船舶在航行和裝卸貨物過程中的安全至關(guān)重要，其中對(duì)貨油艙透氣系統(tǒng)進(jìn)行研究是確保油船安全運(yùn)營(yíng)的措施之一。 油船在裝卸貨物和正常航行過程中，受大氣溫度、海水溫度和貨油加熱溫度變化的影響，其氣密貨油艙內(nèi)油氣的體積會(huì)發(fā)生變化，氣壓會(huì)隨之升高和降低，并可能導(dǎo)致油氣排出或氣體進(jìn)入；在裝卸貨物和驅(qū)散貨油艙內(nèi)的油氣過程中，由于不允許油氣排到大氣中，需進(jìn)行艙內(nèi)氣體與岸上裝置的交換。這些氣體都需通過船上專門的透氣系統(tǒng)進(jìn)行傳送，以確保艙內(nèi)的氣壓不會(huì)過度變化，以免船體結(jié)構(gòu)因變形過大而破損。因此，油船貨油艙透氣系統(tǒng)的主要作用是防止貨油艙內(nèi)的油氣含量超過設(shè)計(jì)值，以確保船舶安全運(yùn)營(yíng)。本文主要對(duì)裝有惰性氣體的油船的貨油艙透氣系統(tǒng)的布置進(jìn)行分析和研究。

1 貨油艙透氣系統(tǒng)的主要作用

1.1 艙內(nèi)氣體的交換

為保證后續(xù)作業(yè)安全，通常在空艙情況下更換艙內(nèi)氣體，主要包括惰化、驅(qū)氣和除氣等3種作業(yè)。新 建的油船和經(jīng)過洗艙并驅(qū)氣的油船都需在裝油之前進(jìn)行貨油艙惰化，用惰氣替換掉艙內(nèi)的空氣，使艙內(nèi)的氧含量降至8%以下，從而得到一個(gè)惰性的環(huán)境，以具備裝油條件。除氣實(shí)際上是對(duì)貨油艙做進(jìn)一步惰化，用惰氣清除艙內(nèi)的碳?xì)錃怏w，使其含量降至可燃極限以下（濃度＜2%），以保證后續(xù)工作過程中即使有空氣進(jìn)入也不會(huì)助燃。驅(qū)氣的目的是將新鮮的空氣充入艙內(nèi)，以去除有毒氣體、可燃?xì)怏w和惰性氣體，使艙內(nèi)氣體的氧含量達(dá)到21%，進(jìn)而使人能進(jìn)艙作業(yè)。這3種常規(guī)作業(yè)的氣體交換情況見表1。

表1 油船常規(guī)作業(yè)的氣體交換矩陣

國(guó)際海事組織（International Maritime Organization，IMO）推薦的氣體交換方式[1]有稀釋和置換2種。

1) 稀釋主要是通過將替換的氣體與整個(gè)艙內(nèi)的氣體充分混合并排出，在持續(xù)流通的情況下逐漸降低艙內(nèi)氣體的濃度，使其達(dá)到規(guī)定值。這種方法通常需充入大流量的替換氣體對(duì)艙內(nèi)的氣體進(jìn)行稀釋，流通路徑越充分，稀釋效果和速度越顯著。圖1為稀釋法圖例。

圖1 稀釋法圖例

2) 置換是注入輕質(zhì)氣體并緩慢壓入，有層次地將艙內(nèi)較沉的氣體從底部出口推出。這種方式對(duì)流量的要求不大，但流速不能過快。圖2為置換法圖例。

圖2 置換法圖例

艙內(nèi)氣體需進(jìn)行充分而有效的替換，IMO推薦的3種典型布置見表2。

表2 IMO推薦的3種典型布置

1.2 保證艙室運(yùn)營(yíng)安全

艙內(nèi)氣體的壓力對(duì)艙室運(yùn)營(yíng)安全有重要影響，在裝卸和運(yùn)輸貨油過程中，利用透氣系統(tǒng)始終保證艙內(nèi)氣體的壓力在設(shè)計(jì)規(guī)定的安全范圍內(nèi)，通過向貨油艙輸送惰性氣體保持艙內(nèi)具有一定的安全壓力。在油船滿載航行和裝卸油過程中，都需保持艙內(nèi)壓力的穩(wěn)定。透氣系統(tǒng)總管也設(shè)有壓力真空保護(hù)裝置，可容納來(lái)自油艙的油氣。涉及以下4種工況：

1) 貨油裝載。裝油時(shí)，貨油艙頂部氣壓升高，通過惰氣系統(tǒng)將油氣輸送給岸上設(shè)備。

2) 貨油卸載。卸油時(shí)，貨油艙頂部氣壓下降，通過惰氣系統(tǒng)補(bǔ)充惰氣。

3) 原油洗艙。為節(jié)省時(shí)間，原油洗艙通常與卸貨同時(shí)進(jìn)行；為保證洗艙作業(yè)的安全，需向艙室內(nèi)注入惰氣。

4) 裝油航行。為保證航行安全，一方面應(yīng)通過惰氣支管補(bǔ)惰氣和高速透氣閥排氣的方式確保在溫度變化的情況下艙內(nèi)的壓力處于安全范圍內(nèi)；另一方面在惡劣海況下船舶大幅度搖晃時(shí)保證貨油不至于從頂部出口向外拍擊而產(chǎn)生噴濺，將高速透氣閥布置在靠船中比較高的位置。

2 油艙透氣系統(tǒng)布置分析

2.1 貨油艙透氣的型式

2.1.1 公用總管透氣

公用總管透氣就是從每個(gè)貨油艙的頂部引出一路透氣支管，匯集到主甲板上的一根總管上，透氣總管一般與油船的惰氣系統(tǒng)合用，最后經(jīng)透氣桅排出。透氣桅高度至少需 6m，以保證油氣放出之后能在距離甲板比較高的安全位置被自然風(fēng)充分稀釋吹散。

通常在透氣桅前設(shè)置一只呼吸閥，用以調(diào)節(jié)溫度引起的艙內(nèi)壓力變化。在裝有惰氣系統(tǒng)的油船上，空氣是不允許進(jìn)入貨油艙的，以避免破壞其惰性；當(dāng)艙內(nèi)的真空度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，通過補(bǔ)充惰氣來(lái)增大氣壓。呼吸閥旁通一只手動(dòng)閥，一般常閉，用來(lái)在裝卸貨油或壓載水時(shí)滿足艙內(nèi)氣體的進(jìn)出需求。然而對(duì)于大型油船，其吃水比較深，透氣桅通常距離裝油碼頭比較近，用透氣桅排放不安全，且在港口排放油氣會(huì)造成環(huán)境污染。因此，對(duì)于裝惰氣回收系統(tǒng)的油船，在裝油時(shí)都是通過惰氣系統(tǒng)的油氣回收管路將油氣排出艙頂并送到岸上專門的回收裝置，而在卸油時(shí)則是向艙內(nèi)補(bǔ)充惰氣。

2.1.2 獨(dú)立式透氣

獨(dú)立式透氣即單獨(dú)為貨油艙透氣設(shè)置的裝置，一般采用高速透氣閥，使艙內(nèi)氣體排出的速度高于火焰?zhèn)鞑ニ俣龋ǎ?0m/s），比自由流通式透氣布置得更低。該裝置的排出口應(yīng)設(shè)置在距離甲板至少 2m的高度處[2]；根據(jù)挪威船級(jí)社（Det Norske Veritas，DNV）規(guī)范，吸氣口需設(shè)置在距離甲板至少1.5m的高度處[3]。

高速透氣閥除了用來(lái)調(diào)節(jié)溫度以及裝卸貨油和壓載水時(shí)引起的艙內(nèi)壓力的變化以外，還用來(lái)對(duì)貨油艙進(jìn)行除氣，保證艙內(nèi)空氣壓力在規(guī)定范圍內(nèi)，即壓力≤0.021MPa，≥0.007MPa[4]。與總管集中透氣相比，獨(dú)立透氣的特點(diǎn)是貨油艙之間彼此不連通，可避免裝載不同油品時(shí)的油氣混合問題。

2.1.3 經(jīng)由貨油管MANIFOLD的驅(qū)氣蓋

在主甲板貨油集管區(qū)設(shè)置驅(qū)氣蓋，目的是構(gòu)建一套從貨油艙頂部注入惰氣或新鮮空氣，經(jīng)貨油管路到主甲板驅(qū)氣蓋，從而排出原有油氣混合氣體的系統(tǒng)。驅(qū)氣蓋要求裝有防火網(wǎng)，并距離操作平臺(tái)2m以上，遠(yuǎn)離火源10m以上[2]。這種通過貨油系統(tǒng)設(shè)置驅(qū)氣蓋的方式比較靈活，在不影響底進(jìn)頂出模式的前提下，實(shí)現(xiàn)以頂進(jìn)底出的方式進(jìn)行氣體置換。

2.2 布置分析

艙內(nèi)氣體的交換對(duì)布置有實(shí)際要求，即保證氣體得以高效、充分地交換，重點(diǎn)是合理設(shè)定進(jìn)氣口和排氣口的位置并保證足夠的距離。按照SOLAS公約要求，驅(qū)氣和/或除氣的布置應(yīng)能使由于空氣中可燃?xì)怏w的散布和液貨艙內(nèi)可燃混合氣體的存在而造成的危險(xiǎn)降到最低，使碳?xì)浠衔镎魵庠谝贺浥搩?nèi)部形成的空穴積聚降至最低；對(duì)于單個(gè)液艙，排氣管位置應(yīng)盡可能地遠(yuǎn)離惰性氣體和空氣進(jìn)口[2]。圖3為進(jìn)出口對(duì)角線布置。從圖3中可看出，IMO推薦的第II種和第III種布置方式是進(jìn)出口為對(duì)角線排布，可實(shí)現(xiàn)以上要求。

圖3 進(jìn)出口對(duì)角線布置

在安全方面，除了防止晃蕩而要求高速透氣閥布置在靠近船中的部位以外，其他工況對(duì)布置的位置無(wú)嚴(yán)格限制。下面根據(jù)實(shí)船不同配置，結(jié)合上述分析，針對(duì)艙室氣體交換的方式，討論幾種可能的合理布局。

1) 路線A。根據(jù)某些船東的經(jīng)驗(yàn)，歐洲港口出于環(huán)境保護(hù)考慮，不允許卸油的船在卸油期間有油氣排出或溢出；滿載的油艙因液面較高，越靠近油面，油氣濃度越高[5]。油氣溢出通常不是船東刻意為之的，而是由于港口晝夜溫差較大使艙內(nèi)壓力發(fā)生變化所引起的。因此，在進(jìn)港卸油之前，港口方面要求提前對(duì)貨油艙頂部的油氣濃度進(jìn)行稀釋。這種要求可通過惰氣支管進(jìn)氣、高速透氣閥出氣的方式實(shí)現(xiàn)，即通過頂進(jìn)頂出的布置I方案。這就需要保證惰氣注入口與高速透氣閥保持一定的距離（例如一前一后布置），使換氣得以充分進(jìn)行。這種換氣同樣可用于貨油艙換氣，但因底部距離較遠(yuǎn)，效果不好。

2) 路線B。通過驅(qū)氣風(fēng)機(jī)引入空氣或惰氣，從惰氣總管與貨油總管的連接管進(jìn)入貨油管系，并通過油艙尾部的吸入口注入，排氣可通過布置在油艙前部的惰氣分支管進(jìn)入惰氣總管，經(jīng)由透氣桅排出（見圖4），屬于“布置II”型，艙內(nèi)氣體交換充分。

圖 4 路線 B

3) 路線C。對(duì)于額外在貨油系統(tǒng)配置驅(qū)氣蓋的油船，除了走路線B的路徑以外，還可采用頂進(jìn)底出的“布置III”（見圖5）。應(yīng)注意，這種布局不涉及貨油與惰氣的連通管。惰氣支管和貨油吸入口均可作為排氣口和進(jìn)氣口，而高速透氣閥（需帶有驅(qū)氣蓋）僅能作為排氣口?？紤]到氣體流通路徑的覆蓋效果，路線B和路線C中的高速透氣閥作為輔助排氣口。

4) 路線D。可將路線B中的高速透氣閥與惰氣支管的位置對(duì)調(diào)。

需注意的是，有些船東為方便閥門集中操作，會(huì)將貨油和惰氣連通管放在船中的集管區(qū)域，這種情況下若采用布置II，只能通過高速透氣閥排氣，惰氣支管應(yīng)關(guān)閉。圖6為路線E沖突布置，走路線B是行不通的。在此情況下高速透氣閥宜布置在艙的前部。當(dāng)然，若貨油系統(tǒng)設(shè)置有驅(qū)氣蓋，路線C由于不受連通管的影響，也可實(shí)現(xiàn)艙室的換氣。

圖 5 路線 C

圖6 路線E沖突布置

3 結(jié) 語(yǔ)

油船根據(jù)不同的配置，可選擇的透氣布置見表3。

表3 布置方案矩陣

綜上所述，實(shí)船的布置取決于透氣系統(tǒng)的配置和換氣路線的選擇（即操作方式），有以下方案可供實(shí)船決策：

1) 路線C由于不受連通管的影響，給方案2和方案4帶來(lái)雙向換氣的靈活性；

2) 連通管布置在船中時(shí)的換氣方案相比布置在艉部時(shí)要少，且要求高速透氣閥必須在艙室前部。

3) 路線C的甲板排口位置與路線D是相反的，若同時(shí)采用，必須將高速透氣閥和惰氣支管同時(shí)放在艙的前部（見圖 7）。這種方案能否采用需經(jīng)與船東討論其是否滿足在進(jìn)港卸油之前進(jìn)行頂部油氣驅(qū)氣要求后確定。

圖7 路線C+路線D

4) 高速透氣閥應(yīng)布置在艙室高點(diǎn)，一般靠近船中，以防止船舶航行過程中因晃蕩而引發(fā)噴濺風(fēng)險(xiǎn)。