液貨船液貨艙透氣系統的設計

馮 堅，張 林

(1.揚州海翔船舶科技有限公司，江蘇 揚州 225009；2.陸軍裝備部駐沈陽軍事代表局駐哈爾濱地區第二軍事代表室，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引起氣密液貨艙內液貨體積膨脹或收縮，使得艙內氣壓升高或下降。另外，在裝卸液貨或壓載水過程中，艙內氣壓也會隨著艙內液貨體積的變化而變化。如果液貨艙內的壓力或真空超過設計限度，就會導致船體結構的損傷或變形。然而，大多數貨品在裝運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的化學品船，艙內液貨揮發出來的氣體，不僅可能對海洋產生污染，還會危害人體的健康；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氫氣體，若不能在空氣中有效地擴散，將會下沉到液貨艙甲板面上，形成可爆炸性氣團，嚴重威脅到船舶的安全。液貨艙透氣系統是液貨艙氣體空間與大氣相通的專用管系，其作用是通過系統的進排氣調節，能使少量的艙內蒸汽從液艙內排出，或少量的氣體進入液艙，防止液貨艙由于溫度的變化出現超過設計值的壓力或真空。另外，在裝卸貨、驅氣和除氣過程中，能使大量的氣體進出液艙，在保護液貨艙結構的同時，又避免油氣在甲板上聚集引起安全隱患。

透氣系統的設計跟船舶所運載貨品、裝卸率等因素密切相關。規范對運載閃點(閉杯試驗)不超過60 ℃和超過60 ℃的貨品有著不同的要求，因此設計透氣系統時應在遵照規范的相關要求的基礎上，充分考慮液貨船的型式、所載貨品、航行區域及裝卸碼頭的要求。本文首先分析液貨船各種透氣系統的型式；其次根據規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；最后提出設計透氣系統應注意事項，對液貨船的透氣系統設計具有參考作用。

1 透氣系統的型式

液貨船的透氣系統可采用多種型式，規范和公約對不同貨品的液貨船的透氣系統的要求也不相同。液貨船的透氣系統一般有2種基本型式，即開式透氣系統和控制式透氣系統。

1.1 開式透氣系統

開式透氣系統是指在正常作業中，液貨蒸氣進出液貨艙自由流動無任何限制的系統，只可用于液貨的蒸發氣不易燃燒、不易爆炸，吸入時對人體健康無明顯危害的貨品，主要適用于裝運閃點在60 ℃(閉杯)以上成品油船和少數專用化學品船。開式透氣系統的結構相對比較簡單，主要由透氣管和帶阻火裝置的透氣管頭組成。

開式透氣系統布置有2種型式：獨立透氣管型式、集中透氣管型式布置。其布置型式見圖1。獨立透氣管型式是指每個液貨艙頂部設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液貨艙頂部所設的透氣管匯集于一根或幾根向上的透氣總管。開式透氣系統無論采用獨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立透氣系統管上或透氣集管上裝設關斷閥或盲板法蘭。

圖1 開式透氣系統布置型式

1.2 控制式透氣系統

大多數液貨船采用控制式透氣系統。控制式透氣系統是指每個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。控制式透氣系統也可以采用由每個液貨艙的獨立透氣管組成的獨立透氣管型式布置，也可以采用將透氣管組合于一個或幾個集管內的集中透氣管型式布置。控制型透氣系統在任何情況下，在壓力或真空泄放閥上面或下面不應該裝截止閥，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

公用總管式透氣系統是從每個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。下透氣桅管下部設置1只壓力和真空釋放閥(呼吸閥)。當液貨艙的氣壓超過規定值，呼吸閥中的真空釋放閥自動打開，空氣補進艙內降低真空度。在呼吸閥旁邊通常設置1只旁通手動開閉閥，平時關閉，當裝卸液貨時打開此閥，讓大量艙內氣體排出或外部空氣進艙。為防止外界火焰進入液貨艙，一般在透氣桅管頂部設置阻火裝置，有時這種阻火裝置設在透氣管底部呼吸閥附近處。有些船舶同時裝運幾種貨品，且不允許互相混雜，因而船上的液貨艙應分成幾組，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布置示意見圖2。

1.2.2 獨立控制式透氣系統

獨立式系統是指每一液貨艙設有獨立的透氣系統，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，旁通閥供裝卸油時排氣或進入空氣之用(在裝有惰性氣體的船舶上不允許空氣進艙，呼吸閥一般情況下是不工作的)。有時用可啟閉或帶有阻火裝置的透氣口蓋代替旁通閥。有時僅設有呼吸閥，當裝液貨時用手動結構使呼吸閥的壓力釋放閥強制打開，讓氣體流通。這種方式僅適合于小型低裝卸速率的船舶，因為呼吸閥的流通能力是比較低的。自由流通式獨立透氣系統見圖3。

圖2 公用總管控制式透氣系統

圖3 自由流通式獨立透氣系統

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。當艙內壓力達到設定值時，高速透氣閥中的壓力釋放閥自動開啟排氣。由于高速透氣閥具有可根據進口壓力來調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。高速排氣式獨立透氣系統見圖4。

圖4 高速排氣式獨立透氣系統

2 透氣管出口位置和高度的要求

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

規范對控制式透氣系統的透氣管出口和位置則有著嚴格的要求，而且對油船和化學品船規定也不一樣，其高度和位置應按如下規定布置：

(1)當透氣系統采用自由排出方式時，透氣管出口應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氣口和開口以及可能構成著火危險的甲板機械和設備的水平距離不小于10 m處。

(2)當透氣系統采用高速排氣方式(即液貨艙排出的蒸氣混合物的流速不小于30 m/s)時，油船透氣管出口應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氣口和開口以及可能構成著火危險的甲板機械和設備的水平距離不小于10 m處。化學品船透氣管出口應布置在液貨艙甲板以上不小于3 m處。對于載運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

開式透氣系統透氣管的尺寸和數量應滿足規范對動力注入的液艙空氣管的相關規定，每一個液貨艙的空氣管總橫截面積應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，應設2根或多根空氣管。

控制式透氣系統液貨艙透氣管口徑可按以下2個基本要求計算得出：

(1)裝載工況時，透氣管內流速不得大于40 m/s。

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

(1)

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

液貨艙透氣管最小內徑按式(2)計算：

(2)

式中：d為液貨艙透氣管最小內徑，mm；V為透氣管內流速，正常按30 m/s計算。

4 阻止火焰進入液貨艙的裝置的要求

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

阻火裝置主要有2種型式：機械式和高速閥式。機械式阻火裝置的工作原理是不允許反應從一個區域向下一個區域傳遞，通過裝置的金屬將反應區域內的熱量吸收掉。機械式阻火裝置內的阻火結構有鋼絲網、鋼絲團、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，通過人為地在阻火裝置內，制造一個遠高于火焰速度的出口氣流速度，使火焰不能逆氣流進入受保護的液貨艙，從而保證反應區域處于安全距離內。高速透氣閥是由一個機械閥組成的阻止火焰通過裝置，該機械閥可根據入口處壓力的大小，調節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，對裝設阻火裝置還應滿足以下要求：

(1)經過試驗和主管機構認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)阻火鋼絲網只能安裝在蒸氣無法經過其透入外界大氣的壓力真空釋放閥進口處，以及液貨艙的排氣口處。阻火鋼絲網必須予以保護，以防止機械損壞。

(3)安裝在管路系統中的阻火裝置，在要求進行試驗時，必須能承受突發爆炸所引起的內壓力，不會發生損壞或永久變形。

(4)阻火裝置必須能夠在結冰條件下使用。

5 壓力/真空閥的調整

壓力/真空閥主要用于控制式透氣系統。根據不同的液貨和不同的用途，壓力/真空閥需要有合適的調整值。一般除考慮液貨艙設計壓力外，還應考慮以下幾個因素：

(1)考慮限制危險的貨物蒸氣釋放的必要性。有些液貨由于其蒸氣毒性相當嚴重，要相應提高其壓力/真空閥的調整值，限制其向外釋放。

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

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

6 設計時其他注意事項

(1)2018年之前規范對控制式透氣系統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氣口和開口以及可能構成著火危險的甲板機械和設備的水平距離不小于5 m處。2018年鋼質海船建造規范及入級規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)控制式透氣系統除了一個主透氣裝置系統外，還需設有一個輔助透氣裝置系統作為主系統的備用系統。液貨艙的輔助透氣裝置系統可用壓力監控系統替代。

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

(4)透氣系統設計時應防止系統和附件在惡劣氣候條件下透氣出口處貨物蒸發氣的凍結、聚集物的產生、大氣灰塵或結冰堵塞的可能。船前部的液貨艙透氣管應有足夠的水平坡度以防積液堵塞。

(5)近年來，主管機關要求液貨船裝卸貨時產生的蒸氣送到岸上的蒸發氣處理系統(VPU)進行回收、消除或分散，以免蒸發氣體對海洋產生污染，因此采用控制式透氣系統的船舶還應設有用于收集船舶液貨艙逸出的蒸發氣系統(VECS)。通常可把VESC系統跟液貨船的透氣系統設計在一起，作為透氣系統的一個重要組成部分。

7 結語

船舶采用何種型式的透氣系統是由所裝載的貨品決定的。對于裝載閃點在60 ℃(閉杯)以上的、揮發性弱的液貨，則可采用較簡單的開式透氣系統。對于裝載閃點在60 ℃(閉杯)以下的、揮發性強的液貨，則必須采用控制式透氣系統。而在決定采用公用總管式或獨立式時，則需要考慮所裝的液貨品種。如果裝運多種液貨，一般采用完全獨立的系統，其次考慮所裝化學品的毒性和反應性危險，因為這些特性也決定有無必要將系統分開。即使所裝液貨沒有上述危險，在采用非獨立透氣系統時，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。只有綜合考慮各個方面的因素，才能設計出既經濟合理，又符合規范要求，同時又滿足船東使用要求的合理系統。