考慮貨艙絕熱層壓力的薄膜型LNG船相關操作要領

何慶華，尹建川，章文俊

(大連海事大學 航海學院，遼寧 大連 116026)

考慮貨艙絕熱層壓力的薄膜型LNG船相關操作要領

何慶華，尹建川，章文俊

(大連海事大學 航海學院，遼寧 大連 116026)

針對No 96和Mark III兩種薄膜型LNG船的屏壁非常薄，承受壓力的范圍有限的問題，為保證貨艙安全，比較分析這兩種船型的貨物圍護系統、貨艙和主次絕熱層正常壓力范圍，以及引起壓力過高和過低的原因，介紹貨艙壓力升高、降低可能觸發的報警，總結薄膜型LNG船貨物操作過程中應注意的問題。

LNG船；薄膜；屏壁；絕熱層；貨艙壓力

液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)船是運輸-161.5℃低溫液化天然氣的專用船舶，是國際公認的技術含量高、建造難度大、附加值高的船舶，被譽為“造船皇冠上的明珠”[1]。目前，最主流的LNG船包括MOSS型和薄膜型。近年來，薄膜型LNG船所占比例逐年增加，截止2014年底，全球擁有MOSS型LNG船112艘，薄膜型289艘，其他類型20艘。

由于所承運的貨物為極低溫的液態天然氣，其沸點為-161.5℃，極易蒸發。蒸發氣(boil-off gas，BOG)使貨艙及絕熱層壓力不穩定。No 96和Mark III兩種薄膜型LNG船貨艙屏壁非常薄，對壓力要求非常高，壓力過高或過低都可能損壞貨艙屏壁。為保證貨艙安全，分析各操作過程貨艙壓力及絕熱層壓力要求及可能引起壓力變化的原因，總結出操作注意事項。

1 薄膜型LNG船貨物圍護系統

1.1 薄膜型LNG船

根據《國際散裝運輸液化氣體船舶構造和設備規則》(IGC Code)規定，薄膜液貨艙系非自身支持的液貨艙，由鄰接的船體結構通過絕熱層支持的一層薄膜組成，通常設計蒸氣壓力應不超過25 kPa[2]。

薄膜型貨物圍護是由法國的GTT專利公司研發，按其采用的屏壁、絕熱材料和施工方式的不同可分為No 96型、Mark III型和CS1型3種。CS1型還處于不成熟階段，訂單也少。下面僅討論No 96和Mark III型。

1.2 No 96型LNG船

No 96型船的貨物圍護系統主要包括主、次屏壁和主、次絕熱層。

1.2.1 屏壁

No 96型LNG船的液貨艙主屏壁和次屏壁都是一層只有0.7 mm厚的殷鋼，成分包括36%左右的鎳鋼合金和64%的鐵，具有極低的熱膨脹系數，屏壁從而可以做成平板狀，無需膨脹接頭或形成波紋形。

1.2.2 主次絕熱層

主絕熱層和次絕熱層均由填有珍珠巖絕熱材料的結實樺木壓板箱組成。主絕熱層厚300 mm，次絕熱層厚度為230 mm，共計530 mm[3]，這樣可以保證日蒸發率為0.15%左右。No 96型LNG船貨物圍護系統結構見圖1。

圖1 No 96型LNG船貨物圍護系統結構

1.3 Mark III型LNG船

Mark III型LNG船的貨物圍護系統與No 96型類似，包括主、次屏壁和內壁空間、絕熱層等。

1.3.1 屏壁

Mark III型船的液貨艙主屏壁是1.2 mm厚的波紋狀不銹鋼，波紋結構可以吸收由于溫度降低產生的收縮和船體彎曲運動引起的變形。次屏壁是三層板，厚度約0.6 mm，由兩層玻璃纖維布和一層鋁箔組成。

1.3.2 絕熱層

內壁空間(inter barrier space，IBS)相當于No 96型船的主絕熱層，厚度為100 mm。絕熱層(insulation space，IS)，相當于No 96型船的次絕熱層，厚度為170 mm，都是加強型纖維聚氨酯泡沫材料。Mark III型LNG船貨物圍護系統結構見圖2。

圖2 Mark III型LNG船貨物圍護系統結構示意

2 貨艙壓力變化情況

薄膜型LNG船的屏壁是貨物圍護系統最重要的結構，無論是No 96還是Mark III型，屏壁都非常薄，貨艙的壓力過高或過低都可能損壞屏壁，因此，控制好貨艙壓力非常關鍵

目前LNG船的推進動力主要包括單燃料(重油)和雙燃料(重油+BOG)兩種方式。

對單純使用重油作為燃料的LNG船，必須配備再液化裝置，將BOG再液化后送回貨艙，以控制貨艙壓力的升高；對采用雙燃料的LNG船，BOG通過低負載壓縮機送至機艙使用，以控制貨艙壓力的升高[4]。

2.1 壓力升高

導致貨艙壓力升高有很多原因，除了與油船和散裝化學品船等其他類型的液貨船類似的原因，比如裝貨期間裝貨速率過快等，更主要的原因是LNG液貨極易揮發[5]。

2.1.1 航行途中

在航行過程中，受天氣、海況等影響，液貨揮發速率可能不同。當外界溫度高、船舶搖擺劇烈時，蒸發速率大，反之蒸發速率小。

滿載航行時，由于各艙載貨量在98.5%左右，與周圍環境熱交換面積大，貨物蒸發速率大；相反，壓載航行時，留存貨物少，與周圍環境熱交換面積小，貨物蒸發率就小，見圖3。

圖3 滿載與壓載狀態貨艙熱交換

對于利用BOG作為燃料的LNG船來說，航行過程中，自然蒸發氣大概可以滿足60%左右機艙需要，另外還需強制蒸發部分液貨作為燃料。所以在正常情況下，可以用低負載壓縮機控制貨艙壓力；對于低速柴油機船，BOG只能通過再液化的方式送回貨艙以控制貨艙壓力。

2.1.2 裝貨中

LNG船裝貨過程中，如果貨艙內的BOG不排出，隨著貨艙空間減小和貨物蒸發，貨艙壓力將急劇上升，即使在港期間機艙使用部分BOG，也很難控制貨艙壓力的上升。所以多余的BOG將通過回氣管線(vapour return line)送回岸罐，以保證貨艙壓力穩定。裝貨前應將兩臺高負載壓縮機備妥，必要時使用1臺或2臺高負載壓縮機將BOG送至岸罐。

2.1.3 卸貨中

LNG船在卸貨過程中，雖然貨物在蒸發，但貨艙空間增大較快，總體貨艙壓力在減小，必須補充貨物蒸發氣。通常由岸方通過回氣管線對貨艙補氣，以保證貨艙壓力穩定。

如果岸方無法提供回氣，船方可以利用強制蒸發器將部分液貨強制蒸發送回各貨艙，自行解決回氣問題，從而不影響卸貨作業。

2.2 壓力降低

導致貨艙壓力下降的原因主要包括卸貨速率過快。

當艙壓降低至3 kPa時，發出低壓報警；當艙壓降低至2 kPa時，發出低-低壓報警，貨艙保護系統自動開啟(貨泵停止，壓縮機停止，噴淋閥關閉)；當艙壓進一步降低至-1 kPa時，貨艙安全閥(safety valve)打開，吸入空氣，避免艙壓進一步降低。

2.3 貨艙壓力范圍

航行過程中，通過低負載壓縮機控制，BOG抽至機艙使用，使貨艙壓力保持4～19 kPa范圍。壓載航行時，保持艙壓7～19 kPa；滿載航行時，保持艙壓4～9 kPa，因為滿載時貨物蒸發量大于壓載時的蒸發量，艙壓更容易升高。

當艙壓升高至20 kPa時，發出高壓報警；

當艙壓升高至22 kPa時，發出高-高壓報警，噴淋泵、噴頭自動關閉；

當艙壓升高至23 kPa時，排氣閥自動打開，BOG通過No.1透氣桅進入大氣(當艙壓降低至21 kPa時，排氣閥自動關閉)；

當艙壓進一步升高至25 kPa時，貨艙安全閥打開，BOG通過本艙透氣桅進入大氣。

薄膜型LNG船貨艙壓力管理要點見圖4。

圖4 貨艙壓力管理要點

3 絕熱層壓力變化情況

絕熱層內充滿氮氣，通過壓力控制系統可以自動控制絕熱層內的壓力。

3.1 絕熱層充氮

3.1.1 充氮目的

LNG船建造后，其絕熱層內是潮濕空氣，投入營運前應用干燥氮氣將潮濕空氣置換，使絕熱層含氧量低于2%，其目的為[6]：

1)如果LNG貨物泄漏，可以避免形成可燃氣體與空氣的混合物。

2)一旦LNG貨物從貨艙屏壁泄露進入絕熱層，容易被探測。

3)干燥的氮氣可以起到防止腐蝕的作用。

3.1.2 操作程序

1)No 96型。對No 96型LNG船而言，由于絕熱層較厚，空間大，船舶配備2臺真空泵。往絕熱層充入氮氣前應用真空泵將其抽成真空，壓力約為200 kPa(絕對壓力)，表壓為-800 kPa。

一般需進行3次氣體交換才能使絕熱層的含氧量低于2%。

操作過程中，始終保持貨艙壓力大于主絕熱層，主絕熱層壓力大于次絕熱層[7]。

2)Mark III型。 對Mark III型LNG船而言，由于絕熱層空間較薄，船舶一般不配備真空泵，往絕熱層充入氮氣前應用便攜式真空泵(根據船舶制造合同，廠方提供或船東自己解決)，操作程序同No 96型。

操作過程中，始終保持貨艙壓力大于IBS壓力，IS壓力大于IBS。

3.2 絕熱層壓力控制

3.2.1 No 96型LNG船

No 96型LNG船的主絕熱層正常壓力為0.4～0.6 kPa，次絕熱層正常壓力略小于主絕熱層壓力，為0.2～0.4 kPa，保證貨艙、主絕熱層和次絕熱層壓力遞減，有利于保護主屏壁和次屏壁。

當主絕熱層壓力升高至1 kPa時，主絕熱層安全閥自動打開，氮氣通過本艙的透氣桅進入大氣；當次絕熱層壓力升高至1 kPa時，次絕熱層安全閥自動打開，氮氣直接進入甲板。

當絕熱層壓力回落至0.95 kPa時，安全閥再次自動關閉。

3.2.2 Mark III型LNG船

Mark III型LNG船內屏壁空間(IBS)正常壓力為0.5～1.0 kPa，絕熱層空間(IS)的壓力比IBS高0.2～0.7 kPa。

IBS安全閥設定值為3 kPa，當IBS壓力升至3 kPa時，安全閥自動打開(壓力回落至1.8 kPa時自動關閉)，氮氣通過本艙的透氣桅進入大氣；IS安全閥設定值為3.5 kPa，當IS壓力升至3.5 kPa時，其安全閥自動打開(壓力回落至2.1 kPa時自動關閉)，氮氣直接進入甲板。

4 操作注意事項

薄膜型LNG船對貨艙及絕熱層壓力控制非常嚴格，如果不慎造成貨艙壓力過高或過低，都可能損壞貨艙薄膜，造成巨大損失。因此，在貨物操作過程中，必須嚴密監控貨艙及絕熱層壓力[8]。

1)貨艙預冷前應適當提高絕熱層壓力，以補償因貨艙降溫導致絕熱層降溫進而壓力下降；

2)裝貨前，應先將高負載壓縮機備妥，當艙壓升高時，及時啟動高負載壓縮機，將蒸發氣送至岸方，以保持艙壓穩定；

3)卸貨過程中，如果岸方無法提供回氣或回氣量不足而導致貨艙壓力持續降低時，應啟動強制蒸發器，將船上的液貨強制蒸發，通過高負載壓縮機送至各貨艙，保持貨艙壓力穩定[9]；

4)航行中，密切監測貨艙壓力，尤其是天氣惡劣時，貨艙壓力可能因為劇烈搖晃而升高，應及時調整船速，增加燃氣使用量，保持艙壓穩定；

5)各貨艙安全閥應嚴格按照使用說明書進行測試、保養。

5 結束語

由于No 96和Mark III兩種薄膜型LNG船貨物圍護系統的結構和壓力要求大體相同，船員在操作過程中容易忽視二者的差異，可能造成貨物維護系統損壞。本文總結出No 96和Mark III兩種薄膜型LNG船貨物圍護系統的結構、各個貨物操作過程中應保持的壓力范圍和注意事項，期望為船員和相關公司管理人員提供理論依據，確保貨艙安全。

[1] 宋吉衛.大型LNG船舶型設計研究[J].中國造船，2012，53(4)：165-170.

[2] 騰 蓓，陸 曄，祁恩榮.LNG 船液艙圍護系統結構極限承載力研究[J].艦船科學技術，2012，34(2):36-39.

[3] 中國海事服務中心.液化氣船貨物操作[M].大連：大連海事大學出版社，2012.

[4] 李遠朋.LNG船的分類及相關技術問題[J].內蒙古石油化工，2013(19)：114-116.

[5] SIGTTO.Liquefied gas handling principles on ships and in terminals[M].3rd ed.London:Witherbys,2000.

[6] SIGTTO.Gas concentrations in the insulation spaces of membrane LNG carrier[M].London:Witherbys,2007.

[7] Witherbys.LNG Shipping knowledge[M].Livingston,2008.

[8] 張建斌，林志豪，魏偉堅,等.液化天然氣(LNG)船舶安全監督管理[M].大連：大連出版社，2010.

[9] WITHERBYS.LNG Operational practice[M].London:Witherbys,2006.

Related Operation Essentials of Membrane Types LNG Carriers on Considering the Pressure of Cargo Tank and Insulation Space

HE Qing-hua, YIN Jian-chuan, Zhang Wen-jun

(Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

Considering the pressure of cargo tanks of membrane type LNG carrier including No 96 and Mark III can bear is limited due to their very thin barriers, in order to protect cargo tanks, cargo containment systems of the two types of LNG carriers are interpreted, as well as the routine working pressure range of cargo tanks and insulation spaces of these two membrane types LNG carrier. The reasons of over pressure and under pressure are also presented. The alarms may be activated due to high or low pressure of cargo tanks are specified, and the precautions to be paid during cargo operations for LNG carrier are summarized.

LNG carrier; membrane; barrier; insulation; cargo tank pressure

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.002

2015-07-27

交通運輸部應用基礎研究項目 (2014329225010)

何慶華(1971-)，男，碩士，副教授

U674.13+3.3

A

1671-7953(2015)06-0006-04

修回日期：2015-09-07

研究方向:航海學

E-mail:capt_he@163.com