考慮貨艙絕熱層壓力的薄膜型LNG船相關(guān)操作要領(lǐng)

何慶華，尹建川，章文俊

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

考慮貨艙絕熱層壓力的薄膜型LNG船相關(guān)操作要領(lǐng)

何慶華，尹建川，章文俊

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)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(tǒng)、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(fā)的報警，總結(jié)薄膜型LNG船貨物操作過程中應(yīng)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(shù)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(tài)天然氣，其沸點為-161.5℃，極易蒸發(fā)。蒸發(fā)氣(boil-off gas，BOG)使貨艙及絕熱層壓力不穩(wěn)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(jié)出操作注意事項。

1 薄膜型LNG船貨物圍護系統(tǒng)

1.1 薄膜型LNG船

根據(jù)《國際散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》(IGC Code)規(guī)定，薄膜液貨艙系非自身支持的液貨艙，由鄰接的船體結(jié)構(gòu)通過絕熱層支持的一層薄膜組成，通常設(shè)計蒸氣壓力應(yīng)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(fā)，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(tǒng)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(shù)，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(jié)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(fā)率為0.15%左右。No 96型LNG船貨物圍護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 No 96型LNG船貨物圍護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3 Mark III型LNG船

Mark III型LNG船的貨物圍護系統(tǒng)與No 96型類似，包括主、次屏壁和內(nèi)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(jié)構(gòu)可以吸收由于溫度降低產(chǎn)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(nèi)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(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 Mark III型LNG船貨物圍護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(tǒng)最重要的結(jié)構(gòu)，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(guān)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(dǎo)致貨艙壓力升高有很多原因，除了與油船和散裝化學(xué)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(fā)[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(fā)速率可能不同。當外界溫度高、船舶搖擺劇烈時，蒸發(fā)速率大，反之蒸發(fā)速率小。

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

圖3 滿載與壓載狀態(tài)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(fā)氣大概可以滿足60%左右機艙需要，另外還需強制蒸發(fā)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(nèi)的BOG不排出，隨著貨艙空間減小和貨物蒸發(fā)，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(wěn)定。裝貨前應(yīng)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(fā)，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(fā)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(wěn)定。

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

2.2 壓力降低

導(dǎo)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(fā)出低壓報警；當艙壓降低至2 kPa時，發(fā)出低-低壓報警，貨艙保護系統(tǒng)自動開啟(貨泵停止，壓縮機停止，噴淋閥關(guān)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(fā)量大于壓載時的蒸發(fā)量，艙壓更容易升高。

當艙壓升高至20 kPa時，發(fā)出高壓報警；

當艙壓升高至22 kPa時，發(fā)出高-高壓報警，噴淋泵、噴頭自動關(guān)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(guān)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(nèi)充滿氮氣，通過壓力控制系統(tǒng)可以自動控制絕熱層內(nèi)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(nèi)是潮濕空氣，投入營運前應(yīng)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(yīng)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(yīng)用便攜式真空泵(根據(jù)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(guān)閉。

3.2.2 Mark III型LNG船

Mark III型LNG船內(nèi)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(shè)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(guān)閉)，氮氣通過本艙的透氣桅進入大氣；IS安全閥設(shè)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(guān)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(jiān)控貨艙及絕熱層壓力[8]。

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

2)裝貨前，應(yīng)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(fā)氣送至岸方，以保持艙壓穩(wěn)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(dǎo)致貨艙壓力持續(xù)降低時，應(yīng)啟動強制蒸發(fā)器，將船上的液貨強制蒸發(fā)，通過高負載壓縮機送至各貨艙，保持貨艙壓力穩(wěn)定[9]；

4)航行中，密切監(jiān)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(yīng)及時調(diào)整船速，增加燃氣使用量，保持艙壓穩(wěn)定；

5)各貨艙安全閥應(yīng)嚴格按照使用說明書進行測試、保養(yǎng)。

5 結(jié)束語

由于No 96和Mark III兩種薄膜型LNG船貨物圍護系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(tǒng)損壞。本文總結(jié)出No 96和Mark III兩種薄膜型LNG船貨物圍護系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、各個貨物操作過程中應(yīng)保持的壓力范圍和注意事項，期望為船員和相關(guān)公司管理人員提供理論依據(jù)，確保貨艙安全。

[1] 宋吉衛(wèi).大型LNG船舶型設(shè)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(tǒng)結(jié)構(gòu)極限承載力研究[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2012，34(2):36-39.

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

[4] 李遠朋.LNG船的分類及相關(guān)技術(shù)問題[J].內(nèi)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(jiān)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)

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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(yīng)用基礎(chǔ)研究項目 (2014329225010)

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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(xué)

E-mail:capt_he@163.com