液貨船液貨艙透氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馮 堅(jiān)，張 林

(1.揚(yáng)州海翔船舶科技有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225009；2.陸軍裝備部駐沈陽軍事代表局駐哈爾濱地區(qū)第二軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150000)

0 引言

船舶航行中，大氣溫度、舷外水溫度和液貨加熱溫度的變化會(huì)引起氣密液貨艙內(nèi)液貨體積膨脹或收縮，使得艙內(nèi)氣壓升高或下降。另外，在裝卸液貨或壓載水過程中，艙內(nèi)氣壓也會(huì)隨著艙內(nèi)液貨體積的變化而變化。如果液貨艙內(nèi)的壓力或真空超過設(shè)計(jì)限度，就會(huì)導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)的損傷或變形。然而，大多數(shù)貨品在裝運(yùn)和裝卸過程中又不能無任何限制地與外界相通。例如：一些裝載有毒液體物質(zhì)的化學(xué)品船，艙內(nèi)液貨揮發(fā)出來的氣體，不僅可能對海洋產(chǎn)生污染，還會(huì)危害人體的健康；一些裝載原油的油船，貨油艙排出的混合物中還含有可燃碳?xì)錃怏w，若不能在空氣中有效地?cái)U(kuò)散，將會(huì)下沉到液貨艙甲板面上，形成可爆炸性氣團(tuán)，嚴(yán)重威脅到船舶的安全。液貨艙透氣系統(tǒng)是液貨艙氣體空間與大氣相通的專用管系，其作用是通過系統(tǒng)的進(jìn)排氣調(diào)節(jié)，能使少量的艙內(nèi)蒸汽從液艙內(nèi)排出，或少量的氣體進(jìn)入液艙，防止液貨艙由于溫度的變化出現(xiàn)超過設(shè)計(jì)值的壓力或真空。另外，在裝卸貨、驅(qū)氣和除氣過程中，能使大量的氣體進(jìn)出液艙，在保護(hù)液貨艙結(jié)構(gòu)的同時(shí)，又避免油氣在甲板上聚集引起安全隱患。

透氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)跟船舶所運(yùn)載貨品、裝卸率等因素密切相關(guān)。規(guī)范對運(yùn)載閃點(diǎn)(閉杯試驗(yàn))不超過60 ℃和超過60 ℃的貨品有著不同的要求，因此設(shè)計(jì)透氣系統(tǒng)時(shí)應(yīng)在遵照規(guī)范的相關(guān)要求的基礎(chǔ)上，充分考慮液貨船的型式、所載貨品、航行區(qū)域及裝卸碼頭的要求。本文首先分析液貨船各種透氣系統(tǒng)的型式；其次根據(jù)規(guī)范要求確定透氣管出口位置和透氣管管徑，選擇合理的阻火裝置；最后提出設(shè)計(jì)透氣系統(tǒng)應(yīng)注意事項(xiàng)，對液貨船的透氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有參考作用。

1 透氣系統(tǒng)的型式

液貨船的透氣系統(tǒng)可采用多種型式，規(guī)范和公約對不同貨品的液貨船的透氣系統(tǒng)的要求也不相同。液貨船的透氣系統(tǒng)一般有2種基本型式，即開式透氣系統(tǒng)和控制式透氣系統(tǒng)。

1.1 開式透氣系統(tǒng)

開式透氣系統(tǒng)是指在正常作業(yè)中，液貨蒸氣進(jìn)出液貨艙自由流動(dòng)無任何限制的系統(tǒng)，只可用于液貨的蒸發(fā)氣不易燃燒、不易爆炸，吸入時(shí)對人體健康無明顯危害的貨品，主要適用于裝運(yùn)閃點(diǎn)在60 ℃(閉杯)以上成品油船和少數(shù)專用化學(xué)品船。開式透氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對比較簡單，主要由透氣管和帶阻火裝置的透氣管頭組成。

開式透氣系統(tǒng)布置有2種型式：獨(dú)立透氣管型式、集中透氣管型式布置。其布置型式見圖1。獨(dú)立透氣管型式是指每個(gè)液貨艙頂部設(shè)有各自向上的透氣管，各艙透氣管互不相通。集中透氣管型式是指每個(gè)液貨艙頂部所設(shè)的透氣管匯集于一根或幾根向上的透氣總管。開式透氣系統(tǒng)無論采用獨(dú)立透氣管的布置型式還是集中式透氣管的布置型式，在任何流通情況下均不得在獨(dú)立透氣系統(tǒng)管上或透氣集管上裝設(shè)關(guān)斷閥或盲板法蘭。

圖1 開式透氣系統(tǒng)布置型式

1.2 控制式透氣系統(tǒng)

大多數(shù)液貨船采用控制式透氣系統(tǒng)。控制式透氣系統(tǒng)是指每個(gè)液貨艙均有壓力或真空泄放閥以限制液貨艙的壓力和真空的系統(tǒng)?？刂剖酵笟庀到y(tǒng)也可以采用由每個(gè)液貨艙的獨(dú)立透氣管組成的獨(dú)立透氣管型式布置，也可以采用將透氣管組合于一個(gè)或幾個(gè)集管內(nèi)的集中透氣管型式布置?？刂菩屯笟庀到y(tǒng)在任何情況下，在壓力或真空泄放閥上面或下面不應(yīng)該裝截止閥，但在某些操作條件下，可采取對壓力真空閥加旁通閥。

1.2.1 公用總管控制式透氣系統(tǒng)

公用總管式透氣系統(tǒng)是從每個(gè)艙最高處引出的透氣支管都匯集到1根縱向貫通全船布置的透氣總管，該總管末端部分通常沿桅桿或桅柱向上延伸，其透氣口出口一般布置在液貨艙甲板以上9～12 m處。下透氣桅管下部設(shè)置1只壓力和真空釋放閥(呼吸閥)。當(dāng)液貨艙的氣壓超過規(guī)定值，呼吸閥中的真空釋放閥自動(dòng)打開，空氣補(bǔ)進(jìn)艙內(nèi)降低真空度。在呼吸閥旁邊通常設(shè)置1只旁通手動(dòng)開閉閥，平時(shí)關(guān)閉，當(dāng)裝卸液貨時(shí)打開此閥，讓大量艙內(nèi)氣體排出或外部空氣進(jìn)艙。為防止外界火焰進(jìn)入液貨艙，一般在透氣桅管頂部設(shè)置阻火裝置，有時(shí)這種阻火裝置設(shè)在透氣管底部呼吸閥附近處。有些船舶同時(shí)裝運(yùn)幾種貨品，且不允許互相混雜，因而船上的液貨艙應(yīng)分成幾組，每一組的液貨艙共用1根公用透氣管，船上就有幾根互不相通的公用透氣管。公用總管控制式透氣系統(tǒng)布置示意見圖2。

1.2.2 獨(dú)立控制式透氣系統(tǒng)

獨(dú)立式系統(tǒng)是指每一液貨艙設(shè)有獨(dú)立的透氣系統(tǒng)，有2種型式。一種型式是自由流通式排氣，從液貨艙頂部引出1根直到離甲板面一定高度的透氣管，在管頂部設(shè)有1只呼吸閥和1只旁通閥或透氣口蓋。前者供溫度變化引起壓力或真空釋放之用，旁通閥供裝卸油時(shí)排氣或進(jìn)入空氣之用(在裝有惰性氣體的船舶上不允許空氣進(jìn)艙，呼吸閥一般情況下是不工作的)。有時(shí)用可啟閉或帶有阻火裝置的透氣口蓋代替旁通閥。有時(shí)僅設(shè)有呼吸閥，當(dāng)裝液貨時(shí)用手動(dòng)結(jié)構(gòu)使呼吸閥的壓力釋放閥強(qiáng)制打開，讓氣體流通。這種方式僅適合于小型低裝卸速率的船舶，因?yàn)楹粑y的流通能力是比較低的。自由流通式獨(dú)立透氣系統(tǒng)見圖3。

圖2 公用總管控制式透氣系統(tǒng)

圖3 自由流通式獨(dú)立透氣系統(tǒng)

另一類型是高速排氣型，在各液貨艙的透氣管頂部安裝1只高速透氣閥。當(dāng)艙內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，高速透氣閥中的壓力釋放閥自動(dòng)開啟排氣。由于高速透氣閥具有可根據(jù)進(jìn)口壓力來調(diào)整氣流開口大小使得噴出氣流速度不小于30 m/s的功能，從而有效地阻止火焰通過。高速排氣式獨(dú)立透氣系統(tǒng)見圖4。

圖4 高速排氣式獨(dú)立透氣系統(tǒng)

2 透氣管出口位置和高度的要求

規(guī)范對開式透氣系統(tǒng)透氣管出口位置沒有限制要求，開式透氣系統(tǒng)透氣管滿足規(guī)范對液艙空氣管的相關(guān)要求即可。例如：其可能進(jìn)水處距甲板上緣高度應(yīng)不小于760 mm，透氣管開口端不應(yīng)位于因溢油或油氣而發(fā)生危險(xiǎn)的處所，開口端應(yīng)設(shè)置耐腐蝕和便于更換的金屬絲防火網(wǎng)，其凈流通面積不得小于該空氣管的橫截面積等。

規(guī)范對控制式透氣系統(tǒng)的透氣管出口和位置則有著嚴(yán)格的要求，而且對油船和化學(xué)品船規(guī)定也不一樣，其高度和位置應(yīng)按如下規(guī)定布置：

(1)當(dāng)透氣系統(tǒng)采用自由排出方式時(shí)，透氣管出口應(yīng)布置在液貨艙甲板以上不小于6 m處，且離開含有著火源的圍壁處所的最近進(jìn)氣口和開口以及可能構(gòu)成著火危險(xiǎn)的甲板機(jī)械和設(shè)備的水平距離不小于10 m處。

(2)當(dāng)透氣系統(tǒng)采用高速排氣方式(即液貨艙排出的蒸氣混合物的流速不小于30 m/s)時(shí)，油船透氣管出口應(yīng)布置在液貨艙甲板以上不小于2 m處，且離開含有著火源的圍壁處所的最近進(jìn)氣口和開口以及可能構(gòu)成著火危險(xiǎn)的甲板機(jī)械和設(shè)備的水平距離不小于10 m處?；瘜W(xué)品船透氣管出口應(yīng)布置在液貨艙甲板以上不小于3 m處。對于載運(yùn)有毒貨品的船舶該水平距離至少為15 m。

3 透氣管口徑的確定

開式透氣系統(tǒng)透氣管的尺寸和數(shù)量應(yīng)滿足規(guī)范對動(dòng)力注入的液艙空氣管的相關(guān)規(guī)定，每一個(gè)液貨艙的空氣管總橫截面積應(yīng)至少為其注入管有效截面積的1.25倍。對頂板長度和寬度大于7 m的液艙，應(yīng)設(shè)2根或多根空氣管。

控制式透氣系統(tǒng)液貨艙透氣管口徑可按以下2個(gè)基本要求計(jì)算得出：

(1)裝載工況時(shí)，透氣管內(nèi)流速不得大于40 m/s。

(2)每個(gè)液貨艙透氣管的截面積，應(yīng)為最大裝油速率的1.25倍以上。裝油速率可按裝貨時(shí)液貨管的管內(nèi)流速來確定。

(1)

式中：qVL為裝油速率，m3/h；V∞為液貨管內(nèi)液體流速，按3.5～5 m/s選??；d∞為液貨管的直徑，mm。

液貨艙透氣管最小內(nèi)徑按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：d為液貨艙透氣管最小內(nèi)徑，mm；V為透氣管內(nèi)流速，正常按30 m/s計(jì)算。

4 阻止火焰進(jìn)入液貨艙的裝置的要求

為了阻止產(chǎn)生火焰或發(fā)生爆炸，應(yīng)采取必要的措施，防止易燃混合物的形成。主要采取的方法是控制易燃物質(zhì)和氧氣的混合，或控制氧氣或消除發(fā)火源。這些措施稱為第一類措施。但是在采取這些措施時(shí)，由于設(shè)備的誤操作或故障或失控，仍然會(huì)產(chǎn)生火源，這就需要采取第二類措施，及時(shí)防止火焰蔓延，特別要阻止火焰進(jìn)入液貨艙，為此，透氣系統(tǒng)必須裝設(shè)阻火裝置。

阻火裝置主要有2種型式：機(jī)械式和高速閥式。機(jī)械式阻火裝置的工作原理是不允許反應(yīng)從一個(gè)區(qū)域向下一個(gè)區(qū)域傳遞，通過裝置的金屬將反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的熱量吸收掉。機(jī)械式阻火裝置內(nèi)的阻火結(jié)構(gòu)有鋼絲網(wǎng)、鋼絲團(tuán)、穿孔板、金屬泡孔球、平列金屬板條、粒狀排列金屬填床和卷曲鋼絲棒等。高速透氣閥的原理是建立在這樣的已知條件上的，即火焰速度處于每秒幾米到每秒10 m范圍內(nèi)，通過人為地在阻火裝置內(nèi)，制造一個(gè)遠(yuǎn)高于火焰速度的出口氣流速度，使火焰不能逆氣流進(jìn)入受保護(hù)的液貨艙，從而保證反應(yīng)區(qū)域處于安全距離內(nèi)。高速透氣閥是由一個(gè)機(jī)械閥組成的阻止火焰通過裝置，該機(jī)械閥可根據(jù)入口處壓力的大小，調(diào)節(jié)允許氣流通過閥口大小，以保證其出口流速不小于30 m/s。

此外，對裝設(shè)阻火裝置還應(yīng)滿足以下要求：

(1)經(jīng)過試驗(yàn)和主管機(jī)構(gòu)認(rèn)可后的阻火裝置方可安裝管路中及與外界大氣相通的出口處。

(2)阻火鋼絲網(wǎng)只能安裝在蒸氣無法經(jīng)過其透入外界大氣的壓力真空釋放閥進(jìn)口處，以及液貨艙的排氣口處。阻火鋼絲網(wǎng)必須予以保護(hù)，以防止機(jī)械損壞。

(3)安裝在管路系統(tǒng)中的阻火裝置，在要求進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，必須能承受突發(fā)爆炸所引起的內(nèi)壓力，不會(huì)發(fā)生損壞或永久變形。

(4)阻火裝置必須能夠在結(jié)冰條件下使用。

5 壓力/真空閥的調(diào)整

壓力/真空閥主要用于控制式透氣系統(tǒng)。根據(jù)不同的液貨和不同的用途，壓力/真空閥需要有合適的調(diào)整值。一般除考慮液貨艙設(shè)計(jì)壓力外，還應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素：

(1)考慮限制危險(xiǎn)的貨物蒸氣釋放的必要性。有些液貨由于其蒸氣毒性相當(dāng)嚴(yán)重，要相應(yīng)提高其壓力/真空閥的調(diào)整值，限制其向外釋放。

(2)考慮液貨艙內(nèi)保持惰性環(huán)境的需要，壓力/真空閥也需要有合適的調(diào)整值。這種用途的壓力/真空閥須能使液艙內(nèi)在任何時(shí)候都保持至少為0.007 MPa的正壓力。

(3)考慮到控制易蒸發(fā)液貨和貴重液貨蒸發(fā)損失的必要性，也要適當(dāng)提高壓力/真空閥的調(diào)整值，以便減少液貨的損失。

6 設(shè)計(jì)時(shí)其他注意事項(xiàng)

(1)2018年之前規(guī)范對控制式透氣系統(tǒng)壓力釋放開口位置要求是不低于液貨艙甲板之上2 m，且離開含有著火源的圍壁處所的最近進(jìn)氣口和開口以及可能構(gòu)成著火危險(xiǎn)的甲板機(jī)械和設(shè)備的水平距離不小于5 m處。2018年鋼質(zhì)海船建造規(guī)范及入級規(guī)范均把對壓力釋放開口位置要求修改為跟透氣管出口位置的要求一致。

(2)控制式透氣系統(tǒng)除了一個(gè)主透氣裝置系統(tǒng)外，還需設(shè)有一個(gè)輔助透氣裝置系統(tǒng)作為主系統(tǒng)的備用系統(tǒng)。液貨艙的輔助透氣裝置系統(tǒng)可用壓力監(jiān)控系統(tǒng)替代。

(3)壓力/真空閥需要設(shè)有用于檢查壓力真空閥效用的核驗(yàn)柄。同時(shí)壓力真空閥和阻火裝置處還要設(shè)有檢修平臺(tái)，以便工作人員維修和檢驗(yàn)。

(4)透氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)防止系統(tǒng)和附件在惡劣氣候條件下透氣出口處貨物蒸發(fā)氣的凍結(jié)、聚集物的產(chǎn)生、大氣灰塵或結(jié)冰堵塞的可能。船前部的液貨艙透氣管應(yīng)有足夠的水平坡度以防積液堵塞。

(5)近年來，主管機(jī)關(guān)要求液貨船裝卸貨時(shí)產(chǎn)生的蒸氣送到岸上的蒸發(fā)氣處理系統(tǒng)(VPU)進(jìn)行回收、消除或分散，以免蒸發(fā)氣體對海洋產(chǎn)生污染，因此采用控制式透氣系統(tǒng)的船舶還應(yīng)設(shè)有用于收集船舶液貨艙逸出的蒸發(fā)氣系統(tǒng)(VECS)。通?？砂裋ESC系統(tǒng)跟液貨船的透氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)在一起，作為透氣系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。

7 結(jié)語

船舶采用何種型式的透氣系統(tǒng)是由所裝載的貨品決定的。對于裝載閃點(diǎn)在60 ℃(閉杯)以上的、揮發(fā)性弱的液貨，則可采用較簡單的開式透氣系統(tǒng)。對于裝載閃點(diǎn)在60 ℃(閉杯)以下的、揮發(fā)性強(qiáng)的液貨，則必須采用控制式透氣系統(tǒng)。而在決定采用公用總管式或獨(dú)立式時(shí)，則需要考慮所裝的液貨品種。如果裝運(yùn)多種液貨，一般采用完全獨(dú)立的系統(tǒng)，其次考慮所裝化學(xué)品的毒性和反應(yīng)性危險(xiǎn)，因?yàn)檫@些特性也決定有無必要將系統(tǒng)分開。即使所裝液貨沒有上述危險(xiǎn)，在采用非獨(dú)立透氣系統(tǒng)時(shí)，還必須充分注意防止由于互相污染和不能保持純度而造成的貨損。只有綜合考慮各個(gè)方面的因素，才能設(shè)計(jì)出既經(jīng)濟(jì)合理，又符合規(guī)范要求，同時(shí)又滿足船東使用要求的合理系統(tǒng)。