某集裝箱船的應(yīng)急壓縮空氣系統(tǒng)分析

陳華蘭， 周言高

(揚(yáng)州中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司， 江蘇 揚(yáng)州 225211)

0 引 言

船舶應(yīng)急壓縮空氣系統(tǒng)能為全船的油艙氣動(dòng)快關(guān)閥、機(jī)艙防火風(fēng)閘和百葉窗提供控制氣源，對(duì)保障船舶安全運(yùn)營(yíng)有著至關(guān)重要的作用?？礻P(guān)閥、機(jī)艙煙囪和防火風(fēng)閘控制箱按相關(guān)規(guī)范的要求布置在機(jī)艙外，一般布置在主甲板消防控制站內(nèi)。對(duì)于雙島型集裝箱船而言，其前島和后島一般都有消防控制站，控制箱布置在后島，可同時(shí)在前島和后島對(duì)其進(jìn)行控制。

1 相關(guān)規(guī)范的要求

根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求，位于雙層底以上的艙容大于等于500 L的燃油/滑油儲(chǔ)存艙、沉淀艙和日用艙等一般應(yīng)設(shè)置快關(guān)閥[1]，且控制位置應(yīng)在快關(guān)閥服務(wù)處所以外。根據(jù)SOLAS的要求：機(jī)艙百葉窗和防火風(fēng)閘在正常情況下應(yīng)保持開(kāi)啟狀態(tài)，使氣流進(jìn)入機(jī)艙，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)迅速關(guān)閉，防止氣流進(jìn)入，從而限制火災(zāi)蔓延；控制裝置應(yīng)布置在有關(guān)處所的外部，防止在其服務(wù)的處所失火時(shí)被切斷。

2 某集裝箱船的應(yīng)急壓縮空氣系統(tǒng)

某集裝箱船的應(yīng)急壓縮空氣系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)能為全船的油艙氣動(dòng)快關(guān)閥、機(jī)艙防火風(fēng)閘和百葉窗提供控制氣源。當(dāng)有火災(zāi)等緊急情況出現(xiàn)時(shí)，船員通過(guò)切斷氣源供給迅速關(guān)閉出油閥、機(jī)艙防火風(fēng)閘和百葉窗，防止火災(zāi)蔓延。該船設(shè)有前島和后島，控制箱布置在主甲板后島的快關(guān)閥控制室內(nèi)，不僅能在快關(guān)閥控制室內(nèi)進(jìn)行遙控操作和手動(dòng)操作，而且能在前島的主消防控制站進(jìn)行遙控操作。

圖1 某集裝箱船的應(yīng)急壓縮空氣系統(tǒng)

2.1 氣動(dòng)快關(guān)閥、機(jī)艙氣動(dòng)百葉窗和防火風(fēng)閘工作原理

氣動(dòng)快關(guān)閥 (見(jiàn)圖2)的工作原理為：在正常情況下處于開(kāi)啟狀態(tài)，通過(guò)手輪關(guān)閉，作為普通截止閥使用;在緊急情況下就地往外拉操作手桿，閥桿組件失去支撐，在彈簧的作用下回到閥座上，閥門(mén)關(guān)閉(或通過(guò)向氣缸注入壓縮空氣，壓迫活塞，帶動(dòng)操作手桿往外移，閥桿組件失去支撐,在彈簧的作用下回到閥座上，閥門(mén)關(guān)閉)。

機(jī)艙氣動(dòng)百葉窗和防火風(fēng)閘通氣時(shí)打開(kāi)，失氣時(shí)關(guān)閉。以機(jī)艙煙囪氣動(dòng)百葉窗(見(jiàn)圖3)為例：百葉窗的氣缸采用單作用方式，內(nèi)部有高強(qiáng)度的彈簧，在自由狀態(tài)下處于關(guān)閉狀態(tài);當(dāng)氣體進(jìn)入氣缸內(nèi)時(shí)，彈簧壓縮，帶動(dòng)連接裝置打開(kāi)百葉窗;當(dāng)氣缸失氣時(shí)，彈簧在彈力的作用下恢復(fù)至自由狀態(tài)，帶動(dòng)連接裝置關(guān)閉百葉窗。

2.2 氣動(dòng)快關(guān)閥、機(jī)艙氣動(dòng)百葉窗和防火風(fēng)閘控制箱

氣動(dòng)快關(guān)閥、機(jī)艙氣動(dòng)百葉窗和防火風(fēng)閘的控制箱既可分開(kāi)設(shè)置,又可合并設(shè)置?？刂葡湟话惆刂葡浔倔w、空氣瓶，以及瓶上的安全閥、泄放閥、壓力表和壓力開(kāi)關(guān)等。應(yīng)急空氣瓶的容量應(yīng)滿(mǎn)足能在不充氣的情況下切斷系統(tǒng)2次?？刂葡鋬?nèi)的壓縮空氣通過(guò)電磁閥或截止閥分成多路，以便控制不同場(chǎng)合的快關(guān)閥、百葉窗和防火風(fēng)閘。

2.3 電磁閥工作原理[2]

2.3.1 氣動(dòng)電磁閥的符號(hào)和分類(lèi)

氣動(dòng)電磁閥有多個(gè)工作位置,其中一個(gè)為常態(tài)位,即閥芯未受到操縱力時(shí)所處的位置。供氣路一般應(yīng)連接在換向閥的常態(tài)位上，接錯(cuò)會(huì)導(dǎo)致電磁閥無(wú)法正常工作。兩位三通氣動(dòng)電磁閥有3個(gè)通道通氣(見(jiàn)表1):一個(gè)通道與氣源相通，為進(jìn)氣口(P)；一個(gè)通道與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的進(jìn)氣口連接，為工作出口(A)；一個(gè)通道與執(zhí)行機(jī)構(gòu)排氣口連接，為排氣口(R),必要時(shí)需裝消音器以消除噪聲。

表1 兩位兩通電磁閥和兩位三通電磁閥符號(hào)

電磁閥從功能上可分為常閉型和常開(kāi)型，從原理上可分為直動(dòng)式和先導(dǎo)式等。對(duì)于常閉型電磁閥而言:當(dāng)其線圈不通電時(shí)，A與R相通，若A有氣體,通過(guò)R排氣；當(dāng)其線圈通電時(shí)，P與A相通，通過(guò)A進(jìn)氣。對(duì)于常開(kāi)型電磁閥而言，當(dāng)其線圈不通電時(shí)，氣路是相通的。

2.3.2 先導(dǎo)式常閉電磁閥工作原理

先導(dǎo)式常閉電磁閥主要由導(dǎo)閥和主閥組成。圖4為先導(dǎo)電磁閥工作原理。在常態(tài)位或斷電狀態(tài)下，活動(dòng)鐵芯封住導(dǎo)流口，電磁閥腔內(nèi)的壓力平衡，主閥關(guān)閉，管路不通；當(dāng)電磁閥通電時(shí)，在電磁力的作用下，活動(dòng)鐵芯被向上吸起，導(dǎo)流孔打開(kāi)，上腔內(nèi)的介質(zhì)自導(dǎo)流孔流出，上腔通過(guò)導(dǎo)流孔卸壓，在主閥芯周?chē)纬缮系拖赂叩膲翰?，主閥芯在流體壓力的推動(dòng)下向上移動(dòng)，將主閥口打開(kāi)；當(dāng)電磁閥斷電時(shí)，在彈簧力和主閥芯重力的作用下，閥桿復(fù)位，導(dǎo)流孔關(guān)閉，主閥芯向下移動(dòng)，主閥口關(guān)閉。

圖4 先導(dǎo)電磁閥工作原理

2.4 應(yīng)急壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

本文所述集裝箱船的應(yīng)急壓縮空氣系統(tǒng)各控制管路都設(shè)置有手動(dòng)三通閥和常閉電磁閥，其中：手動(dòng)三通閥的作用是就地控制氣源；常閉電磁閥的作用是遙控控制氣源。該系統(tǒng)的控制原理見(jiàn)圖5。電磁閥在正常情況下不通電，在斷電狀態(tài)下R與A相通，手動(dòng)三通閥處于2號(hào)閥位，無(wú)壓縮空氣供給，若至氣動(dòng)百葉窗、防火風(fēng)閘和快關(guān)閥的管路上殘留有壓縮空氣，這部分氣體會(huì)通過(guò)電磁閥R-A，在手動(dòng)三通閥2號(hào)閥位處泄放，因此氣動(dòng)百葉窗和防火風(fēng)閘無(wú)氣則保持關(guān)閉，快關(guān)閥無(wú)氣則保持開(kāi)啟。當(dāng)電磁閥通電時(shí)，P與A相通，壓縮空氣接至氣動(dòng)百葉窗、防火風(fēng)閘和快關(guān)閥，氣動(dòng)百葉窗和防火風(fēng)閘打開(kāi)，快關(guān)閥關(guān)閉。百葉窗打開(kāi)；電磁閥不通電，就地手動(dòng)操作三通閥，即三通閥調(diào)至1號(hào)閥位，壓縮空氣通過(guò)手動(dòng)三通閥接至氣動(dòng)百葉窗、防火風(fēng)閘和快關(guān)閥，氣動(dòng)百葉窗和防火風(fēng)閘打開(kāi)，快關(guān)閥關(guān)閉。由此可見(jiàn)，該系統(tǒng)的最終結(jié)果是:在正常情況下，快關(guān)閥處于開(kāi)啟狀態(tài)，氣動(dòng)百葉窗和防火風(fēng)閘處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)通電通氣時(shí)，快關(guān)閥關(guān)閉，氣動(dòng)百葉窗和防火風(fēng)閘打開(kāi)?？礻P(guān)閥的動(dòng)作滿(mǎn)足要求，氣動(dòng)百葉窗和防火風(fēng)閘不滿(mǎn)足SOLAS“正常情況下保持開(kāi)啟使氣流進(jìn)入機(jī)艙,在火災(zāi)時(shí)關(guān)閉，以防止氣流進(jìn)入，從而限制火災(zāi)的蔓延”的要求。

圖5 氣動(dòng)百葉窗控制原理

鑒于氣動(dòng)快關(guān)閥、機(jī)艙百葉窗和防火風(fēng)閘都要求在緊急情況下關(guān)閉，對(duì)機(jī)艙百葉窗和防火風(fēng)閘采用“失氣打開(kāi)、通氣關(guān)閉”的型式是否可行進(jìn)行分析。若機(jī)艙百葉窗和防火風(fēng)閘采用“失氣打開(kāi)，通氣關(guān)閉”的型式，當(dāng)壓縮空氣管路或氣源發(fā)生故障時(shí)，到達(dá)機(jī)艙百葉窗和防火風(fēng)閘的氣壓不夠，甚至無(wú)壓縮空氣到達(dá)，一旦出現(xiàn)緊急情況，防火風(fēng)閘和百葉窗將無(wú)法在機(jī)艙外關(guān)閉，進(jìn)而無(wú)法防止氣流進(jìn)入，無(wú)法限制火災(zāi)蔓延。可見(jiàn)，機(jī)艙百葉窗和防火風(fēng)閘只能采用“通氣打開(kāi)，失氣關(guān)閉”的型式。SOLAS明確要求機(jī)艙百葉窗和防火風(fēng)閘需采用本質(zhì)故障安全型，即“通氣打開(kāi)，失氣關(guān)閉”。在正常情況下保持通氣，壓縮空氣將機(jī)艙百葉窗和防火風(fēng)閘頂開(kāi)，當(dāng)壓縮空氣管路破損或氣源出現(xiàn)故障導(dǎo)致失氣時(shí)，機(jī)艙百葉窗和防火風(fēng)閘自動(dòng)關(guān)閉，船員能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障，確保壓縮空氣管路和氣源的可靠性，以便在任何情況下都能有效關(guān)閉機(jī)艙百葉窗和防火風(fēng)閘。

由上述分析可知，該應(yīng)急壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在重大缺陷，在正常情況下機(jī)艙百葉窗和防火風(fēng)閘保持關(guān)閉，無(wú)法提供機(jī)艙設(shè)備運(yùn)行所需的空氣量，需在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)修改。

2.5 應(yīng)急壓縮空氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)至快關(guān)閥的氣源供給沒(méi)有問(wèn)題，僅需修改該系統(tǒng)至機(jī)艙百葉窗和防火風(fēng)閘的氣源供給。由于相關(guān)設(shè)備已采購(gòu)，管路已在實(shí)船上安裝應(yīng)用，因此優(yōu)化方案應(yīng)以修改量最小為前提，從而降低成本。以機(jī)艙百葉窗為例，考慮采取以下方案。

1) 方案一：不更改電磁閥和百葉窗的型式，電磁閥進(jìn)氣端(P)開(kāi)敞，壓縮空氣管端關(guān)閉，手動(dòng)閥保持常開(kāi)(閥位1)(見(jiàn)圖6)。在正常狀態(tài)下，壓縮空氣通過(guò)三通閥和電磁閥輸送至百葉窗，百葉窗通氣打開(kāi)；當(dāng)電磁閥通電時(shí)，P與A接通，百葉窗氣缸及其管路上的壓縮空氣從電磁閥進(jìn)氣端泄放，百葉窗失氣關(guān)閉；手動(dòng)操作三通閥至閥位2，百葉窗氣缸及其管路上的壓縮空氣通過(guò)三通閥泄放，百葉窗失氣關(guān)閉。

按該方案優(yōu)化之后，在進(jìn)行功能試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)手動(dòng)操作時(shí)正常，遙控操作時(shí)百葉窗無(wú)法關(guān)閉。手動(dòng)操作正常說(shuō)明壓縮空氣管路沒(méi)有問(wèn)題，控制氣源的電磁閥出現(xiàn)了問(wèn)題。

該集裝箱船選用的電磁閥為兩位三通先導(dǎo)式氣控常閉電磁閥，其工作原理見(jiàn)圖7。通電時(shí)，在電磁力的作用下打開(kāi)先導(dǎo)閥，使氣體進(jìn)入閥芯氣室，利用氣壓推動(dòng)閥芯，管路通；斷電時(shí)，先導(dǎo)閥關(guān)閉，工作口A處的壓力從R泄放。若按方案1進(jìn)行優(yōu)化，壓縮空氣從R進(jìn)，從A出，通電時(shí)由于閥芯上方壓縮空氣有一定的壓力(0.7 bar),當(dāng)電磁力不足以抵消壓縮空氣的作用力(有可能還包括重力的作用)時(shí)，先導(dǎo)閥無(wú)法打開(kāi)，管路保持?jǐn)嚅_(kāi)(見(jiàn)圖7)，無(wú)法切斷百葉窗壓縮空氣供給，導(dǎo)致百葉窗無(wú)法關(guān)閉。因此，方案一無(wú)法滿(mǎn)足要求。

圖7 兩位三通先導(dǎo)式氣控常閉電磁閥工作原理

2) 方案二：電磁閥改為常開(kāi)型，不改變供氣管路和百葉窗的型式(見(jiàn)圖8)。在正常狀態(tài)下，P與A相通，百葉窗保持開(kāi)啟；當(dāng)電磁閥通電時(shí)，R與A相通，A端壓力通過(guò)三通閥泄放，百葉窗失氣關(guān)閉；當(dāng)手動(dòng)操作時(shí)，由于電磁閥P與A常通，無(wú)論如何操作手動(dòng)閥，均無(wú)法切斷供給百葉窗的氣源，無(wú)法手動(dòng)關(guān)閉百葉窗。因此，方案二不滿(mǎn)足要求。

3) 方案三：電磁閥改為常開(kāi)型，改變供氣管路，不改變百葉窗的型式(見(jiàn)圖9)。在正常狀態(tài)下，壓縮空氣通過(guò)三通閥和電磁閥輸送至百葉窗，百葉窗保持開(kāi)啟；當(dāng)遙控操作時(shí)，電磁閥通電，R與A相通，A端壓力從電磁閥排放口泄放，百葉窗失氣關(guān)閉；當(dāng)手動(dòng)操作時(shí)，三通閥至閥位2，百葉窗氣缸及其管路上的壓縮空氣通過(guò)三通閥泄放，百葉窗失氣關(guān)閉，滿(mǎn)足要求。該方案的缺陷在于：由于居住艙室、駕駛室和主消防控制站等均設(shè)置在前島，在全船失電的情況下，船員無(wú)法在主消防控制站遙控控制電磁閥斷電，進(jìn)而切斷氣源，必須在后島的快關(guān)閥控制室手動(dòng)切斷氣源，中間距離比較遠(yuǎn)，在從發(fā)生火災(zāi)到切斷氣源的時(shí)間內(nèi)，火災(zāi)會(huì)失控，存在一定的安全隱患。

4) 方案四：不改變電磁閥和百葉窗的型式(見(jiàn)圖10)。在正常狀況下，電磁閥保持通電，P與A相通，三通閥處于閥位1，氣路通，百葉窗打開(kāi)；當(dāng)手動(dòng)操作時(shí)，三通閥至閥位2，氣路斷開(kāi)，百葉窗關(guān)閉；電磁閥遙控?cái)嚯?，R與A相通，氣路斷開(kāi)，百葉窗關(guān)閉。該方案要求電磁閥能持續(xù)通電。

方案四雖然解決了防火風(fēng)閘和百葉窗的問(wèn)題，但帶來(lái)了新的問(wèn)題：

(1) 失電時(shí)防火風(fēng)閘關(guān)閉，機(jī)艙煙囪風(fēng)機(jī)無(wú)法按順序啟動(dòng);

(2) 常閉電磁閥長(zhǎng)時(shí)間通電會(huì)導(dǎo)致其使用壽命大大縮短。

該船最終采用方案四，增加了不間斷電源(Uninterruptible Power System, UPS)，避免全船失電時(shí)防火風(fēng)閘自動(dòng)關(guān)閉，同時(shí)采用能長(zhǎng)時(shí)間通電的常閉電磁閥。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上述分析可知，應(yīng)急壓縮空氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和相關(guān)設(shè)備的訂購(gòu)未綜合考慮電磁閥與百葉窗和防火風(fēng)閘的聯(lián)合動(dòng)作機(jī)制，未校核系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，是導(dǎo)致該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)存在缺陷的根本原因。本文所述4種優(yōu)化方案均考慮該系統(tǒng)管路已實(shí)船安裝的情況，需最大程度地減少修改量。方案三和方案四雖然都能滿(mǎn)足SOLAS的要求，但各有弊端。百葉窗和防火風(fēng)閘在訂購(gòu)時(shí)可考慮設(shè)備本體自帶電磁閥，而應(yīng)急壓縮空氣系統(tǒng)僅需考慮供氣和斷氣。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分了解規(guī)范的要求，熟悉設(shè)備的工作原理，結(jié)合氣源供給方式和設(shè)備工作原理設(shè)計(jì)應(yīng)急壓縮空氣系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。