水面船舶儲存液氧的安全性風險及防護措施

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(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

1 液氧的儲存環境

隨著保障要求的提高，水面船舶對氧氣的需求日趨增大，造成用于儲存氧氣的高壓儲氣鋼瓶數量不斷增加，不僅占用了大量的空間，還因為儲氣瓶室對安全性要求較高，給總體設計帶來諸多限制。若對大量高純氧氣采用液態形式進行儲存，可以有效減少儲氣鋼瓶的數量，節省總體資源，優化總體布置。水面船舶儲存液氧面臨著火災、爆炸、人員凍傷和人員氧中毒等的安全性風險，需要在總體設計時予以充分考慮。目前，陸用液氧儲存及應用設施通常應滿足GB 16912—2008 《深度冷凍法生產氧氣及相關氣體安全技術規程》、GB 50030 《氧氣站設計規范》和JB 6898 《低溫液體儲運設備使用安全規則的要求》等標準規范要求[1]。潛艇對于儲存液氧的安全性設計，在供氧系統中設置氧煙囪，既用作液氧的灌注通道,也作為在緊急情況下將液氧向舷外釋放的通道[2]。

水面船舶人員密度大，環境復雜，層高受限，進排氣通道相對較多，且存在受到猛烈沖擊的可能性，與陸地、潛艇環境存在一定差異，因此，水面船舶儲存液氧的安全性設計存在特殊性，需要針對性地進行安全風險分析，并在設計時充分考慮安全防護措施。

2 水面船舶儲存液氧的安全性風險

2.1 火災和爆炸風險

火災和爆炸風險包括三種：燃燒事故、可燃物爆炸和超壓物理爆炸。

液氧雖然不可燃,但能助燃,火災危險性為乙類。液氧貯槽發生爆燃危險的原因有兩種：①雜質點燃；②機械沖擊對雜質提供了能量[3]。當艙室內發生液氧泄漏事故后,艙室內空氣的氧氣濃度升高,在出現火情時極易發生富氧燃燒事故。包括氣體、液體、固體物質在內的所有可燃物質與液氧混合時，都具有爆炸危險性，在受到機械沖擊、火源、靜電等外因的影響時都可能發生爆炸。當液氧儲罐或者液氧管路的隔熱措施發生破壞或引入其他熱源時，容器或管道內的液氧受熱發生氣化，造成容器或管道內的壓力急劇升高[4]。液氧等低溫系統應按照標準配置可靠的泄壓措施，避免因泄壓能力不足導致液氧儲罐或者液氧管路發生物理性爆炸。

2.2 低溫風險

低溫液體對水面艦艇帶來的危險包括：人員凍傷和設備甚至船體受低溫發生破壞。

液氧在一個大氣壓下的沸點為-183 ℃, 當液氧發生泄漏事故并噴到人體皮膚上時，將由于瞬間低溫液體氣化吸熱對人員造成嚴重的凍傷事故。由于低溫環境下大部分金屬材料會變脆、延展性變差，低溫系統通常采用奧氏體不銹鋼、鋁、銅等金屬，嚴禁使用碳鋼等低合金[5]。常規船體材料和船用設備外殼材料在與大量液氧接觸時，在材料延展性下降和降溫收縮的綜合作用下，容易發生破壞。

2.3 氧中毒

氧中毒是指人體在吸入高于一定壓力的氧一段時間后，某些系統或器官的功能與結構發生病理性變化而表現的病癥。對于水面船舶儲存液氧的情況，若艙室內發生液氧或氧氣泄漏而沒有進行有效換氣，則人員將較長時間工作在富氧環境中，容易發生氧中毒事故。氧中毒的常見癥狀包括：胸悶、呼吸困難、肌肉抽動、面色蒼白、眩暈等癥狀。

3 水面船舶儲存液氧的安全防護措施

3.1 防火防爆

水面船舶需采取的防火防爆措施包括：可燃物隔離、環境監測、超壓泄放、防爆通風、相關設備抗沖擊保護。

水面船舶總體布置應充分考慮液氧儲罐與可燃物和引火源、人員活動范圍、重要設備的相對位置，規劃防火防爆區域。水面船舶上可能出現的引火源包括：明火、高溫設備或管路表面、運動件摩擦、設備撞擊、靜電和雷擊等。

液氧儲存艙室應配置火災報警、可燃物監測、氧氣濃度監測、溫度監測等措施，實時監測儲存環境的安全。對艙室環境中的可燃物和氧氣濃度均進行監測。定期對液氧中乙炔含量進行化驗，乙炔含量應小于1×10-7[6]。高純液氧儲罐液位應控制在10%～95%之間，壓力不宜過高。定期檢查接地電阻(每年至少1次)，阻值不大于10 Ω。

液氧貯槽和液氧管路均應按要求設置壓力表、安全閥或爆破片等附件，在發生液氧汽化超壓故障時,可通過安全閥或爆破片泄放容器和管道內壓力,保障安全。對于水面船舶，液氧和氧氣均不可以直接泄放在艙室內，應通過專用泄壓通道送至船體外，應全面統籌考慮全船進排氣口的位置，避免泄放的大量氧氣與其他可燃物接觸或重新吸入船體。

為了避免氧氣積存, 必須采取有效的通風排氣措施。水面船舶對氧氣相關艙室應按照防爆艙室處理，配置防爆通風。

水面船舶受沖擊可能性較高，對相關設備應采取足夠的抗沖擊設計，不僅不能造成液氧儲罐內的受沖擊爆炸，也不能因沖擊造成液氧泄漏事故。當設備上的閥門和儀表、管道連接頭等處被凍結時，嚴禁用鐵錘敲打或明火加熱凍結部位，而應使用干凈且無油的熱空氣、熱氮氣或溫水進行融化解凍。對儲存艙室內的運動旋轉部件均應設置防護罩，發熱部件貼上警示牌，避免人員靠近。

3.2 人員凍傷防護

人員對低溫系統進行操作時，應佩戴大小合適的防護手套。作業期間不可將皮膚裸露在外。褲腳應套在鞋外邊,并高于鞋頂, 防止液氧意外進入。佩戴防酸型護目鏡或面罩, 對頭和面部進行防護。

如果出現人員凍傷的情況，應立即使凍傷人員脫離液氧環境并把凍傷的部位浸泡在42 ℃左右的溫水中；若凍傷的部位與衣物凍結在一起,則應將衣服一同浸入溫水中，避免凍傷部位自融或處于10～25 ℃的“危險溫度”范圍, 以免耽誤了早期復溫的時機。

3.3 氧中毒防治

禁止人員在無保護措施的情況下在氧濃度超過40%的環境中工作，對可能發生氧氣或液氧泄漏的艙室，要設置氧氣濃度監測報警和防爆通風裝置。當人員必須進入氧氣濃度超標的艙室時，應佩戴空氣呼吸器。一旦出現人員氧中毒事故時，應盡快幫其離開氧濃度超標環境，安置到通風良好的安全環境中，并保持呼吸道暢通，請專業醫護人員進行急救治療。

3.4 施工安全措施

為保證液氧操作系統的密閉性,在保證安裝檢修方便的情況下，應盡可能通過焊接的方式連接管路，并確保焊縫質量，提高貯槽的強度和氣密性。液氧貯槽焊縫應經過100%射線探傷，且質量評定達到Ⅱ級；外殼、內容器、外殼底板與槽體間角等部位的焊縫要經過100%滲透探傷，質量評定達到Ⅰ級。

液氧貯槽在投入使用前，應對內容器進行清洗、脫脂、強度試驗等，保證貯槽強度和氣密性。為確保高純液氧儲罐的液位控制在10%～95%之間，應對貯槽的幾何容積和有效容積進行實際測量。在強度試驗、容積測量試驗結束后，應使用干燥氮氣對液氧貯槽進行吹掃和置換，要求液氧貯槽內露點不大于-50 ℃，從而保證在使用過程中不發生水分凍結、堵塞的情況。液氧貯槽在投入使用后，應檢測是否存在泄漏、結霜等情況，然后再進行靜態日蒸發率測試，檢測貯槽密性。

3.5 低溫液體儲存容器定期檢驗

使用的低溫液體儲存容器結構通常為全封閉的真空夾層容器，儲存介質為低溫液體，容器內無法直接檢驗。陸用液氧儲存容器，應遵照《壓力容器定期檢驗規則》，資料審查、外觀檢驗、夾層真空度測試、日蒸發率測量、安全附件檢查等作為重要的定期檢驗內容[7]。對于船用環境，也應按照相關規定定期進行檢驗,確保液氧系統及設備運行工況良好且穩定,禁止帶故障運行。