油船壓力真空/斷開裝置適用范圍探討

昝彬彬

(中國船級社 江蘇分社，南京 210011)

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油船壓力真空/斷開裝置適用范圍探討

昝彬彬

(中國船級社 江蘇分社，南京 210011)

針對目前業內對于壓力/真空斷開裝置(PV breaker)是否適用于未裝設惰性氣體系統的船舶存在理解上的差異的問題，從公約條款、各船級社規范，油船裝卸貨操作要求以及貨艙壓力故障事故樹分析等方面對油船PV breaker的適用范圍進行探討，提出油船PV breaker新的適用范圍。

PV breaker；裝卸貨操作；事故樹故障分析

油船由于其本身載運貨品的特殊性，在裝卸貨或外部溫度發生變化時，其貨艙內均會產生額外的貨物蒸汽，從而導致貨艙內部壓力發生變化，如果不適時進行調整，則最終可能導致貨艙結構變形，影響船舶航行安全。因此，為了確保貨艙內的壓力變化范圍始終處于允許的設計值之內，SOLAS公約要求油船必須設置透氣系統，以在貨艙壓力發生變化時，通過自身的透氣系統自動調節艙內壓力，保證貨艙結構安全。PV breaker作為保證貨油艙壓力平衡的最后一道“屏障”，其重要性不言而喻，然而隨著SOLAS公約的幾次修訂，其適用范圍已經發生了很大變更，可不論是船廠、船舶設計院還是船級社似乎都沒有完全滿足修訂后的PV breaker設置要求。矛盾的焦點在于未設置惰性氣體系統的(IGS)的船舶是否也應當設置PV breaker。

針對這一問題，從SOLAS公約的歷次修訂內容、各船級社規范，裝卸貨操作要求以及基于事故樹方法的貨艙壓力故障分析等方面對油船PV breaker的適用范圍進行探討。

1　公約要求

SOLAS公約對油船透氣系統設置壓力真空斷開裝置的要求最早見于SOLAS 81修正案II-2章D部分(油船的消防措施)第62條惰性氣體系統，具體要求為：“應在惰性氣體供氣總管上裝有1個或多個壓力真空的防護裝置，以防止貨油艙遭受到[1]：

1)在以規定的最大速率裝貨油而所有其他出氣口被關閉時，產生一個正壓超過貨油艙的試驗壓力。

2)或在以貨油泵的最大額定排量卸貨油而惰性氣體鼓風機失靈時，產生負壓超過7 kPa。

3)上述壓力真空斷開裝置的安裝位置和數量應符合貨油艙透氣系統的相關規定。

此階段的SOLAS明確將PV breaker劃為惰氣系統的一部分，但由于上述規定并未明確說明PV breaker具體的安裝位置和數量，因此SOLAS 83修正案[2]明確：“PV breaker如果不設在貨油艙透氣系統上，或者不設在各個液貨艙上，就應設在惰性氣體總管上。

在隨后的SOLAS公約修訂中，并未過多地涉及PV breaker的相關要求。直到SOLAS 2000[3]修正案對原II-2章中的內容進行了大范圍的重新修訂，將PV breaker的相關要求重新編入了II-2章C部分第11條結構完整性中，同時刪除了II-2章B部分第4條第5.5惰性氣體章節中涉及PV breaker的相應內容。

綜上所述，與SOLAS 83修正案相比，SOLAS 2000修正案對壓力真空斷開裝置的技術要求并沒有大的變化，但這部分內容的所屬章節卻發生了質的變化，由原來的“惰性氣體系統”變更到“結構完整性”章節中，從公約的適用范圍來看“結構完整性”章節中的要求應當適用于所有油船而不再僅僅是設有IGS的油船。簡而言之，SOLAS 2000修正案對貨艙透氣系統提出了更高的要求，擴大了壓力真空斷開裝置的適用范圍，凡是適用SOLAS 2000修正案的船舶，無論是否設有IGS，均應裝設PV breaker。這僅是從公約條款自身的適用范圍進行考慮；此外，從PV breaker的保護作用看，對于沒有IGS的船舶，如果在裝貨的過程中其他出氣口被關閉，同樣也存在貨艙超壓的風險，因此如果未裝設PV breaker，則無法滿足上述條款a)的要求，這也從另一點證明即使船舶未設置IGS也應當配備PV breaker[4]。

2　船級社要求

目前各個船級社的規范對壓力真空斷開裝置的適用范圍也有著不同的規定(見表1)，其中ABS、DNV-GL、LR均將PV breaker的配備要求明確放在了規范中的惰性氣體系統章節，而KR、NK則與SOLAS的布局一致，將PV breaker的相關要求放在了結構完整性一章中[5]。

表1　各船級社對PV breaker的設置要求

正如前面提到的一樣，SOLAS 2000修正案已經將PV breaker的適用范圍進行了調整,即并不僅僅適用于設有IGS的油船;但ABS、DNV-GL、LR的規范并未及時做出調整，相應的要求仍劃歸惰性氣體系統章節，這顯然與公約要求不盡一致。KR、NK的規范雖然根據SOLAS公約做出了調整，但實際情況是，不論是新造船還是營運船，PV breaker仍然僅設置在了設有IGS的油船。這反映出各船級社在PV breaker適用范圍的理解上存在差異[6]。

3　實際用途

從SOLAS 2000修正案來看，公約要求油船的透氣系統應當由3部分組成即：主透氣系統，輔助透氣系統以及壓力真空斷開裝置，其中主透氣系統的設計和操作應當滿足：

1)在任何情況下，由于液貨艙內溫度變化所產生的少量蒸汽、空氣或惰性氣體混合物能流經壓力/真空閥。

2)在液貨裝載和壓載或卸載過程中，大量蒸汽、空氣或惰性氣體混合物能夠通過。

對于輔助透氣系統，其主要作用是在主透氣系統發生故障時，確保貨艙內部壓力仍能保持平衡，保證貨艙內部的結構安全。對此，SOLAS公約還明確指出，貨艙壓力監控(CTPM)可以作為輔助透氣系統的替代。目前油船的主輔透氣系統大都采用壓力真空閥(PV閥)，并通過設定不同的壓力真空范圍予以區分，一般主透氣系統的設定范圍在-2.0～+12.5 kPa，輔透氣系統則設定在-3.5～+14.0 kPa。PV breaker雖然本身也設定有壓力真空范圍，一般為-7.0～+21.0 kPa，但其內部構造(見圖1)則與主輔透氣系統采用的PV閥(見圖2)有著根本的區別[7]。

圖1　壓力真空斷開裝置

圖2　高速壓力真空閥

從PV閥的工作原理和內部結構可以看出，即使貨油艙內部的壓力/真空值超過其設定范圍，壓力真空閥本身仍能正常工作；然而當貨艙內的壓力/真空值超過PV breaker的設定范圍時，以貨艙超壓為例，PV breaker內的液體介質將會溢出，從而使得PV breaker所保護的貨油艙直接與外部空氣連通，避免因內部壓力失衡而導致貨油艙結構發生損壞；然而PV breaker的保護動作是不可逆的，一旦保護動作被激發，PV breaker自身將隨之失效，必須通過重新加注液體介質，恢復其原有功能，這也是PV breaker顯著區別于壓力真空閥的一個重要特征。因此，雖然壓力真空閥與PV breaker雖同屬于貨油艙的保護措施，但二者的實際功能是不一樣的，前者屬于典型的透氣設備，而后者則更偏向于一種應急設備。

值得指出的是， IACS曾經發布UI SC 140，指出PV breaker可以視為貨油艙輔助透氣裝置的一種，但由于石油行業組織(OCIMF)曾明確表示該裝置只能視為一種應急設備，不能作為傳統意義上的透氣裝置。鑒于OCIMF在世界油運市場上的優勢地位，絕大多數油船均未直接將PV breaker作為貨油艙的輔助透氣裝置使用[8]。

除了公約規范的要求之外，對于一些經常航行于寒冷區域的船舶而言，不管是否設有IGS，PV breaker對保證貨艙內壓力平衡都是極其重要的。如果實船未裝設PV breaker，而在航行途中由于天氣寒冷，壓力真空閥被凍住，此時即使貨艙壓力監控顯示貨艙壓力超標，也很難有及時的補救措施，進而對船舶的結構安全形成威脅。相反，如果船上裝有PV breaker，由于PV breaker中液體一般為乙二醇和水的混合物，混合比例為50%，其冰點為-35℃(見表2)，能滿足幾乎所有航行于寒冷區域船舶的防凍要求，這種情況下，即使貨艙壓力真空閥被凍住無法透氣，在貨艙壓力超標時，仍可以通過PV breaker將貨艙和外界直接連通平衡艙內壓力，從而保證貨艙結構安全。由此可見，對于沒有IGS的船舶，如果其長期航行于寒冷地區，PV breaker作為貨艙壓力平衡的最后一道“防線”是十分必要的。

表2　乙二醇混合比例表

4　實例分析

某載重量小于20 000 t的油船，透氣系統配備見表3，在試航回程途中，按照船東要求所有貨油艙進行了“泡艙”試驗，即往貨油艙中注滿海水并保持24 h，隨后排干海水對貨艙內部涂層進行檢查。

表3　某油船透氣系統配備情況

然而在排出海水的過程中，由于該輪沒有IGS和PV breaker，且在CTPM發出報警時船員未能及時停止排放，致使貨艙內出現過低的負壓，從而導致貨艙內部結構出現變形,見圖3。

圖3　貨艙內部平臺板變形

根據此案例，以事故樹分析方法為基礎，對其可能導致船舶貨艙失壓的因素進行分析見表4，其中最小割集Er共有4個即(見圖4)：P1=(X1,X2,X3)，P2=(X4,X5)，P3=(X6,X7)，P4=(X1,X2,X3)。

表4　貨艙失壓基本事件1

圖4　貨艙失壓事故樹分析1

根據結構事件重要度的計算公式[9]：

(1)

式中：mr——基本事件個數；

k——最小割集的數量。

因此由式(1)可計算出各基本事件的結構重要度為

即：I(4)=I(5)=I(6)=I(7)>I(1)=I(2)=I(3)。

如果增設PV breaker，按照事故樹原理進行分析，可能導致貨艙失壓的基本事件共有8項(見表5)，最小徑集共有5項(見圖5)即：P1=(X1,X2,X3)，P2=(X4,X5)，P3=(X6,X7)，P4=(X1,X2,X3)，P5=(X6,X7,X8)，根據結構重要度的計算公式可得

即：I(6)=I(7)>I(1)=I(2)=I(3)>I(4)=I(5)>I(8)。

由上述計算可以看出，在增設PV breaker之后，雖然船員自身能力和責任心這類主觀因素的結構重要度有所上升，但由于硬件原因導致貨艙壓力失衡的基本事件的結構重要度卻有了明顯降低，這也凸顯了PV breaker作為透氣系統應急設備的重要作用。如果油船增設了PV breaker，船公司可以通過制定更完善的維護保養計劃，加強對船員專業技能的培訓，來顯著降低貨艙壓力失衡的概率。

表5　貨艙失壓基本事件2

圖5　事故樹分析2

圖6　無IGS油船貨艙失壓基本事件結構重要度對比

5　無PV breaker油船改裝設想

對于采用表6作為透氣系統布置的油船，要想重新滿足公約要求則較為簡單，只需要在連接各個貨油艙的透氣總管上增設PV breaker，調整壓力設定范圍，使其滿足公約要求即可。

表6　油船透氣系統布置1

對于采用表7作為透氣系統的布置的油船，由于其本身并未采用透氣總管，而是采用了單艙透氣的形式，因此無法直接在透氣總管上增設PV breaker，以滿足公約要求。對于這種情況，公約也給出了明確的處理方法，即在各個液貨艙的透氣系統中安裝PV breaker，但在咨詢過多家高速PV閥生產廠家之后，均被告知目前他們的產品均不具備此功能。

表7　油船透氣系統布置2

為此，根據PV breaker的工作原理，借鑒帶旁通端高速PV閥的設計理念(見圖7)，提出貨油艙高速PV閥的改造設想(見圖8)：將PV breaker的功能集成到高速PV閥中。但考慮到集成在高速PV閥上的PV breaker體積有限，因此其內部不再適合采用水作為介質，而應當根據實際情況選擇比重更大的液體。

圖7　帶旁通端的高速PV閥

圖8　高速PV閥改裝設想

總之，不管是直接在透氣總管上增設PV breaker還是改造現有的高速PV閥，其最終目的都是確保貨油艙壓力始終處于三套保護措施之下即：主透氣設施，輔助透氣設施以及應急切斷措施PV breaker，這也是SOLAS的實際要求。

6　結論

1)從公約條款看：根據SOLAS公約中各個章節的適用范圍，隨著PV breaker的相關要求調整至“結構完整性”章節后，其適用范圍也隨之進行了擴大。從公約本身看，在SOLAS 2000修正案生效后，適用于SOLAS公約的所有油船，無論其是否設有IGS，都應當配備PV breaker；

2)從各船級社要求看： KR，NK及時根據SOLAS修正案做出了調整，將PV breaker納入到了“結構完整性”章節，但ABS，DNV和LR仍沿用的SOLAS 81修正案的要求，將PV breaker視為惰性氣體系統的一部分。盡管有上述差別，但PV breaker仍然只裝設在了設有IGS系統的油船中，這顯然是有悖于SOLAS公約要求的；

3)從實際作用看：通過運用事故樹原理對貨艙壓力失衡進行分析，對于沒有IGS的油船， 在增設PV breaker作為油船透氣系統的一種應急設備之后，可以顯著降低由于硬件原因導致貨艙壓力失衡的概率，對提高船舶結構安全性大有裨益。

因此，無論是從公約條款還是PV breaker對提高船舶結構安全性所起到的作用看，適用SOLAS 2000修正案的油船，都應當設置PV breaker才能滿足公約的要求，也能更好地提高船舶安全性。

[1] 《國際海上人命安全公約》(SOLAS)1981修正案[S].北京：人民交通出版社，1981.

[2] 《國際海上人命安全公約》(SOLAS)1983修正案[S].北京：人民交通出版社，1984.

[3] 《國際海上人命安全公約》(SOLAS)2000修正案[S].北京：人民交通出版社，2001.

[4] American Bureau of Shipping (ABS), Rules for Building and Classing [S], 2015.

[5] DET NORSKE VERITAS, Rules for Classification of Ships [S], 2014.

[6] Lloyd’s Register, Lloyd’s Register Rules and Regulations [S], 2015.

[7] Korean Register, Rules for the Classification of Steel Ships [S], 2015.

[8] Nippon Kaiji Kyokai, Rules for the Classification of Steel Ships [S], 2015.

[9] 張景林，崔國璋.安全系統工程[M].北京，煤炭工業出版社，2002.

Discussion of Application for Pressure/Vacuum Breaker on Oil Tanker

ZAN Bin-bin

(Jiangsu Branch of China Classification Society, Nanjing 210011 China)

Due to the different understanding of whether the pressure/vacuum (PV) breaker should be installed on a tanker without inert gas system, the new application range of the PV breaker is proposed based on analysis of convention requirements, class rules, cargo handling regulations and fault tree analysis of cargo tank pressure.

PV breaker; cargo handling; fault tree analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.001

2015-10-27

2015-11-08

昝彬彬(1985-)，男，碩士，工程師

U662.1

A

1671-7953(2016)01-0001-06

研究方向:營運船舶的現場檢驗與管理

E-mail:zanbinbin@ccs.org.cn