液氮液氧在海軍艦艇上的應(yīng)用進(jìn)展

杜 平，于開錄，呂東方，岳 強(qiáng)

（1.海軍駐保定地區(qū)航空軍事代表室，河北保定071000；2.中船重工第七一八研究所，河北邯鄲056027）

液氮液氧在海軍艦艇上的應(yīng)用進(jìn)展

杜 平1，于開錄2，呂東方2，岳 強(qiáng)2

（1.海軍駐保定地區(qū)航空軍事代表室，河北保定071000；2.中船重工第七一八研究所，河北邯鄲056027）

海軍艦船和潛艇需要大量N2和O2，氮氧以液氮液氧形式儲(chǔ)存和使用，具有儲(chǔ)存設(shè)備重量輕、空間小、使用方便、安全性高等特點(diǎn)。本文闡述了液氮液氧在海軍艦船和潛艇上的供給模式，使用和管理情況，以及安全性分析。

液氮；液氧；海軍艦艇；安全；管理

海軍大型水面艦船需要使用普通N2（99%）、普通O2（95%）、高純N2（99.999%）和高純O2（99.5%），普通O2和高純O2用于航空呼吸用氧、醫(yī)療用氧、發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)氧和金屬切割等領(lǐng)域，普通N2和高純N2用于噴氣燃料惰化、航空用氮、彈藥保護(hù)、果蔬存儲(chǔ)等領(lǐng)域[1]。

1 氮氧簡(jiǎn)介

氮氧有兩種存在方式，氣態(tài)和液態(tài)，都能夠在艦船上穩(wěn)定儲(chǔ)存。N2和O2在常溫常壓下為氣態(tài)，密度分別是1.25和1.43kg·m-3，必須加壓儲(chǔ)存。氣瓶容積一般為130L，儲(chǔ)存壓力一般為20和35MPa。當(dāng)?shù)鯗囟确謩e低于-196和-183℃時(shí)，就轉(zhuǎn)變?yōu)橐旱鸵貉?，常壓下密度分別為810和1140kg·m-3。由于液氮液氧溫度低，必須保溫儲(chǔ)存，為防止液氮液氧快速揮發(fā)，儲(chǔ)存壓力一般為0.8MPa[2]。

由于液氮液氧與N2、O2的密度相差約800倍，因此，儲(chǔ)存相同的氮氧，液氮液氧儲(chǔ)罐的體積大大低于氮氧氣瓶。5m3液氮相當(dāng)于72個(gè)130L氣瓶（35MPa），5m3液氧相當(dāng)于88個(gè)130L氣瓶（35MPa）。根據(jù)美國(guó)海軍艦船技術(shù)手冊(cè)550章，同樣儲(chǔ)存6500和4500kg的氮氧，液氮儲(chǔ)罐的重量?jī)H是氣瓶的1/5，設(shè)備容積是氣瓶的1/4[3]。因此，大型海軍艦艇上，適合儲(chǔ)存液氮液氧，能夠滿足艦艇對(duì)氮氧的需求。

液氮液氧的低溫性和易揮發(fā)性，容易讓人產(chǎn)生畏懼感。而在國(guó)防業(yè)和工業(yè)等領(lǐng)域，液氮液氧得到廣泛應(yīng)用，美國(guó)海軍等在航空母艦、醫(yī)療船和潛艇補(bǔ)給艦上使用和管理液氮液氧已經(jīng)長(zhǎng)達(dá)60多年，其安全性也得到了廣泛認(rèn)可[4，5]。本文將詳細(xì)介紹液氮液氧在海軍艦艇上的應(yīng)用現(xiàn)狀、供給方式和發(fā)展趨勢(shì)，并著重闡述液氮液氧的安全管理。

2 供給方式

根據(jù)海軍艦艇的空間、功率和使用量等因素，液氮液氧的供給分為以下兩種方式[1]。

2.1 直接攜帶

顧名思義，這種方式就是在碼頭上或者海洋上，通過(guò)充注管道向艦艇上輸送液氮液氧，例如AIP潛艇和使用液氧作為氧源的常規(guī)潛艇。對(duì)于液氮液氧需求量非常小的海軍艦艇，其液氮液氧罐是可移動(dòng)式，補(bǔ)給液氮液氧時(shí)，直接更換液氮液氧罐。這種補(bǔ)給方式的優(yōu)勢(shì)是不占用艦艇上任何資源，直接接受補(bǔ)給；缺點(diǎn)是攜帶量受限，需要經(jīng)常補(bǔ)給。美國(guó)海軍的潛艇補(bǔ)給艦配置了液氮液氧生產(chǎn)裝置，能夠隨時(shí)為潛艇補(bǔ)給液氮液氧。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)制備

對(duì)于液氮液氧需求量大的航空母艦、海軍醫(yī)療船和潛艇補(bǔ)給艦等大型水面艦船來(lái)說(shuō)，在艦船上安裝一臺(tái)低溫精餾制氮制氧裝置，直接生產(chǎn)液氮液氧。低溫精餾技術(shù)是應(yīng)廣泛用的氮氧制備技術(shù)，它的原理是：液體空氣在蒸餾時(shí)，N2的沸點(diǎn)低（-196℃），更容易揮發(fā)進(jìn)入氣相中，O2的沸點(diǎn)高（-183℃），大多留在液相中，經(jīng)過(guò)多次蒸餾（即精餾），將空氣分離為N2和O2。

3 使用與管理

圖1是美國(guó)大型水面艦船上，液氮液氧生產(chǎn)、儲(chǔ)存、輸送、充瓶和使用等過(guò)程的示意圖。

圖1 海軍艦船上氮氧生產(chǎn)與使用流程Fig.1 Production and utilization of nitrogen and oxygen in US navy

空壓機(jī)將空氣壓縮到1.3MPa，經(jīng)過(guò)預(yù)處理凈化后進(jìn)入冷箱。空氣在冷箱中的精餾塔內(nèi)分離為液氮和液氧，分別儲(chǔ)存在若干個(gè)大型低溫液體儲(chǔ)槽（6m3）內(nèi)。圖1中壓縮氣化單元主要包括液體壓縮泵和加熱器，液體壓縮泵將液氮液氧壓縮到20MPa，然后高壓液氮液氧在加熱器中被加熱到25℃左右，最后充入高壓氣瓶中。N2屬于惰性氣體，可以通過(guò)高壓環(huán)網(wǎng)，輸送到全艦各個(gè)部位。

O2屬于危險(xiǎn)性氣體，不適合建立全艦的高壓氧氣環(huán)網(wǎng)，因此，美國(guó)海軍在全艦建立了若干個(gè)液氧站，通過(guò)液氧車將液氧從總站輸送到各個(gè)分站。液氧在分站可以直接分裝，也可以壓縮氣化，就地充瓶。這種液氧輸送與使用方式，避免了高壓O2輸送和充瓶可能引發(fā)的危險(xiǎn)。

圖2是液氧站的工藝流程圖，液氧站主要由液氧儲(chǔ)罐、液氧增壓泵、氣化器及管道閥門等組成。由于液氧溫度極低，液氧儲(chǔ)罐采用雙層結(jié)構(gòu)，液氧儲(chǔ)存在內(nèi)部容器中，中間夾層處于真空狀態(tài)，避免冷量通過(guò)氣體傳導(dǎo)。為了減少冷量通過(guò)熱輻射傳導(dǎo)，夾層中間通常填充珠光砂等多孔材料，或者在內(nèi)部容器周圍包裹多層反射隔熱材料。夾層連接一個(gè)機(jī)械真空泵，隨時(shí)保證夾層的真空度。

圖2 液氧站的工藝流程圖Fig.2 Diagram of liquid oxygen station

液氧增壓泵的類型是柱塞泵，能夠?qū)⒁貉鯄嚎s到35MPa以上。氣化器就是水浴式電加熱器，將液氧從-183℃加熱升溫到25℃，而壓力保持不變，直接充入鋼瓶中。

從安全使用的角度考慮，液氧儲(chǔ)罐上設(shè)置了多個(gè)管道和閥門。閥門V1控制流經(jīng)增壓盤管的液氧流量，該盤管置于大氣環(huán)境中，液氧直接氣化，能夠增加液氧儲(chǔ)罐的氣相壓力；閥門V2控制液氧的充注和排放；閥門V3和V4控制高壓氧氣的出口方向；閥門V5控制液氧增壓泵的液氧供給開關(guān)和調(diào)節(jié)；閥門V6控制液氧儲(chǔ)存的最高液位。閥門V7～V13涉及液氧儲(chǔ)罐的安全性設(shè)計(jì)，為了防止液氧過(guò)度蒸發(fā)而形成超高壓，液氧儲(chǔ)罐通過(guò)壓力調(diào)節(jié)閥V10與外界相通，當(dāng)壓力高于設(shè)定壓力后，多余氧氣通過(guò)該閥排放出去，降低罐內(nèi)壓力。同時(shí)氣相管道設(shè)置了安全閥和爆破片，避免極端情況下發(fā)生的超高壓狀況，另外液氧站也可以通過(guò)閥門V11，以極快的速度將液氧排放出去。

液氧儲(chǔ)罐采取了嚴(yán)格的保溫措施，但仍然存在一定的冷量泄漏[6]。通常情況下，液氧儲(chǔ)罐的蒸發(fā)損失率應(yīng)該低于1%。通常情況下，超壓的O2直接排放到大氣中；在美國(guó)海軍醫(yī)療船上，這部分O2直接進(jìn)入供氧管道中；在AIP潛艇上，這部分O2直接供給到艙室內(nèi)。

4 安全性分析

4.1 生理傷害

生理傷害主要分為凍傷和窒息。液氮液氧的溫度為-196和-183℃，當(dāng)與人體組織大面積接觸時(shí)，會(huì)引起嚴(yán)重凍傷。主要防護(hù)措施是穿戴防護(hù)服、手套、皮靴、透明面罩、圍裙等，所有物品必須禁油。當(dāng)液氮或液氧泄漏時(shí)，操作人員處于N2或O2氛圍內(nèi)，容易引起窒息或肺部損害。因此，在狹小空間作業(yè)時(shí)，需要2名操作人員，同時(shí)攜帶O2分析儀，并保持艙室完全通風(fēng)。

4.2 爆炸

爆炸都需要3個(gè)因素：氧化劑、燃料和激發(fā)源。O2是常見的氧化劑；燃料包括各種可燃性物質(zhì)，如油脂、鐵屑和紡織物等；激發(fā)源包括機(jī)械或放電火星、燃燒、撞擊、加熱、摩擦和化學(xué)反應(yīng)等。氧氣系統(tǒng)容易發(fā)生爆炸，因此，相關(guān)的政策、法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和體系文件非常多，預(yù)防氧氣系統(tǒng)爆炸的核心就是避免氧氣與可燃性物質(zhì)的接觸。液氧系統(tǒng)的防范措施與氧氣系統(tǒng)類似，這里不詳細(xì)描述。

美國(guó)海軍為了避免O2在運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生爆炸，沒(méi)有建立高壓氧氣環(huán)網(wǎng)，而是通過(guò)液氧車進(jìn)行輸送，大大降低了氧氣爆炸的概率。

4.3 氣化超壓

液氮液氧的密度分別是N2、O2的650倍和800倍，也就是說(shuō)，密閉容器內(nèi)超壓液氮液氧完全氣化后，容器內(nèi)部壓力將提高650倍和800倍，容易造成容器損害。常見的防護(hù)措施是在液氮液氧系統(tǒng)中，設(shè)置安全閥、爆破片和緊急排放管道；同時(shí)在操作過(guò)程中，避免在兩個(gè)關(guān)閉閥門間殘留低溫液體。

4.4 材料適應(yīng)性

低溫會(huì)造成金屬材料或非金屬材料的性能變化，如變脆、延展性差等，因此，低溫系統(tǒng)對(duì)材料選擇有嚴(yán)格要求，通常采用奧氏體不銹鋼、鋁、銅等金屬，碳鋼等低合金嚴(yán)禁使用。為防止液氮液氧泄漏對(duì)船體造成損害，艙室地板必須覆蓋不銹鋼板。非金屬材料也禁止使用，管道密封多采用螺紋密封和金屬墊片密封。

金屬在常溫和低溫下的形變可以達(dá)到0.4%，容易引起管道拉裂等現(xiàn)象。因此，在管道和容器設(shè)計(jì)中，多增加彎管、軟管和膨脹節(jié)。不同金屬具有不同的收縮率，兩種金屬焊接點(diǎn)在溫變過(guò)程中會(huì)受到拉扯，因此，要求焊料具有很強(qiáng)的應(yīng)力。

學(xué)業(yè)基礎(chǔ)不扎實(shí)是職高學(xué)生的一個(gè)通病，一來(lái)他們?cè)鹊膶W(xué)習(xí)基礎(chǔ)不理想，二來(lái)自我約束能力不足，同時(shí)又缺乏學(xué)習(xí)興趣和積極性。

4.5 抗沖擊能力

液氮液氧具有流動(dòng)性，必須加強(qiáng)液氮液氧儲(chǔ)罐的抗沖擊能力，這方面國(guó)內(nèi)已經(jīng)做了大量工作[7]。國(guó)內(nèi)對(duì)某型潛艇上液氧罐的抗沖擊進(jìn)行了技術(shù)設(shè)計(jì)，在分析確定了液氧罐沖擊環(huán)境的基礎(chǔ)上，研究確定了抗沖裝置的布置形式和參數(shù)指標(biāo)，并對(duì)抗沖裝置關(guān)鍵元件——隔振器進(jìn)行大量振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)，了解了隔振器的沖擊性能，以及與振動(dòng)性能、靜態(tài)性能之間的關(guān)系，為抗沖擊設(shè)計(jì)與計(jì)算提供了試驗(yàn)依據(jù)，為隔振器性能指標(biāo)的合理確定打下了基礎(chǔ)。

5 應(yīng)用現(xiàn)狀

5.1 航空母艦

美國(guó)航空母艦上氮氧系統(tǒng)由低溫精餾裝置、液氮液氧儲(chǔ)罐、低溫液體泵、氣化器、氮氧充注站、工藝管道與控制閥組等組成（見圖3），在艦首和艦尾的左右外舷各分布一套，二者的高壓氮?dú)夤艿老嗷ヂ?lián)通，在全艦組成環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)。

圖3 美國(guó)海軍不同時(shí)期使用的低溫液體儲(chǔ)存、壓縮與氣化裝置Fig.3 Storage,compassion and vaporization apparatus of low temperature liquid of US Navy

低溫精餾裝置、液氮液氧儲(chǔ)罐、低溫液體泵、氣化器、氮氧充注站均布置在機(jī)庫(kù)甲板上的相鄰艙室內(nèi)，與機(jī)庫(kù)僅有一墻之隔。系統(tǒng)與外舷很近，便于為航空系統(tǒng)提供N2和O2，同時(shí)也便于排放工藝廢氣和廢液。低溫精餾裝置產(chǎn)品是液氮和液氧，產(chǎn)量是40～80Nm3·h-1（折合為氣體），純度均為99.5%，液氮和液氧平時(shí)儲(chǔ)存在1～6m3的低溫液體儲(chǔ)罐中。液氮和液氧的純度和組成分別滿足BB-N-411（N2技術(shù)指標(biāo)）和MIL-O-27210（液態(tài)或氣態(tài)航空呼吸用氧）的要求。液氮轉(zhuǎn)化為高壓N2后，通過(guò)管網(wǎng)輸送到全艦；液氧既可以在原地壓縮充瓶，也可以通過(guò)液氧車輸送到其它需要O2的部門。

航空母艦上間歇生產(chǎn)液氮液氧，艦艏和艦艉低溫精餾裝置交替工作。當(dāng)液氮和液氧儲(chǔ)罐儲(chǔ)量低于1/4時(shí)，就開機(jī)生產(chǎn)，一般連續(xù)工作3D能夠充滿儲(chǔ)罐。美國(guó)海軍十分注重對(duì)氮氧系統(tǒng)人員的技術(shù)培訓(xùn)，在弗吉尼亞州專門建立深冷學(xué)校，只有在該校取得了相關(guān)資質(zhì)證書的艦員才允許在航空母艦上操作和處理氮氧設(shè)備。

5.2 潛艇補(bǔ)給艦

潛艇補(bǔ)給艦是美國(guó)海軍為潛艇補(bǔ)給專門建造的軍艦，為潛艇提供燃油、食品、淡水和液氧等物資。艦上液氧系統(tǒng)包括低溫精餾裝置、液氧儲(chǔ)罐、低溫液體泵、氣化器、氮氧充注站、工藝管道與控制閥組等，生產(chǎn)與管理方式與航空母艦基本相同。

5.3 海軍醫(yī)療船

美國(guó)海軍醫(yī)療船包括Mercy（仁慈號(hào)）和Comfort（舒適號(hào)），O2來(lái)自船上的2臺(tái)低壓液氧生產(chǎn)裝置，液氧產(chǎn)量為20gal·h-1，儲(chǔ)存在2個(gè)500gal的液氧儲(chǔ)罐中。醫(yī)療用氧采用集中供氧方式，液氧經(jīng)過(guò)氣化后（壓力低于1.6MPa），直接經(jīng)過(guò)管道輸送到全船168個(gè)接口，包括急救室、ICU和主要病房。船上也另外配置了增壓泵、氣化器和充灌匯流排，能夠生產(chǎn)瓶裝高壓氧氣。

5.4 AIP潛艇

AIP潛艇是指配置了不依賴空氣的動(dòng)力裝置的潛艇，動(dòng)力系統(tǒng)包括能量?jī)?chǔ)存供給裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、廢氣處理裝置、輔助裝置和控制裝置等。目前，AIP系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換裝置主要包括斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、閉循環(huán)柴油機(jī)、閉循環(huán)汽輪機(jī)和燃料電池等。氧是主要的能量?jī)?chǔ)存物質(zhì)，包括氧氣和液氧。目前，AIP潛艇主要攜帶液氧，它具有儲(chǔ)存壓力低（安全性高）、設(shè)備重量和體積小等優(yōu)勢(shì)。液氧儲(chǔ)存與供給裝置包括液氧儲(chǔ)罐、氣化器、增壓泵、工藝管道和控制系統(tǒng)等。

6 結(jié)語(yǔ)

液氮液氧設(shè)備以其儲(chǔ)存方便、儲(chǔ)存重量和空間小等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于海軍水面艦船和潛艇，國(guó)內(nèi)在這方面比較少。出于水下供氧和不依賴空氣的動(dòng)力供給的需要，國(guó)內(nèi)某些潛艇上安裝了液氧罐。在液氧罐的設(shè)計(jì)加工、調(diào)試、使用和安全管理等方面，積累了大量的技術(shù)規(guī)范和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。這些經(jīng)驗(yàn)積累有助于液氮液氧設(shè)備在水面艦船上的快速推廣和應(yīng)用，能夠更好的滿足艦船對(duì)氮氧的需求。

［1］鄭衛(wèi)東，于開錄，李海平，等.水面艦船氮氧制備技術(shù)與裝備［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2013，35（7）：134-141.

［2］李化治.制氧技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

［3］美國(guó)海軍艦船技術(shù)手冊(cè)［J］.第550章:工業(yè)氣體發(fā)生、輸送和儲(chǔ)存.

［4］A.Kunkle.Improvements made to oxygen/nitrogen producers［J］. Wavelengths Excerpt,October,1997.

［5］譚小生，李煊，任欣.加強(qiáng)儲(chǔ)液直供式機(jī)場(chǎng)航空供氧保障系統(tǒng)建設(shè)［J］.低溫與特氣，2010，28（3）：10-12.

［6］殷合香，王炳忠，李映穎.低溫液體儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)及其蒸發(fā)率的計(jì)算［J］.低溫與特氣，2002，20（3）：8-11.

［7］胡剛義.液氧罐抗沖裝置設(shè)計(jì)［C］.船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議，2005.

海南開展酵素生物降解地膜實(shí)驗(yàn)

海南省塑料行業(yè)協(xié)會(huì)相關(guān)人士日前表示，酵素生物降解塑料母?？赡軙?huì)為塑料行業(yè)帶來(lái)技術(shù)革命。

2013年以來(lái)，英國(guó)IQON公司攜帶其專利產(chǎn)品酵素生物降解塑料母粒與海南省塑料行業(yè)協(xié)會(huì)接觸，做了3次吹膜試驗(yàn)。其酵素生物降解塑料母?？芍苯优c傳統(tǒng)的化學(xué)塑料PE等共混使用，在自然環(huán)境中酵素首先發(fā)揮作用切斷分子鏈，這些酵素的繁殖群微生物將化學(xué)塑料分解為水和CO2，使化學(xué)塑料成為自然界中碳素循環(huán)的一個(gè)組成部分。

另?yè)?jù)了解，來(lái)自英國(guó)的酵素生物降解塑料母粒已在海南開展吹膜試驗(yàn)，目前正開展全生物酵素降解地膜、液態(tài)生物酵素實(shí)驗(yàn)。

從上世紀(jì)末開始，海南企業(yè)開始進(jìn)入生物塑料領(lǐng)域?！昂Ｄ蠈?duì)生物塑料制品的需求主要集中在農(nóng)業(yè)、藥品食品、旅游餐飲等領(lǐng)域及人們?nèi)粘Ｉ?，每年約需2.5萬(wàn)t?！痹撊耸空f(shuō)。

Utilization of liquid nitrogen and liquid oxygen in navy ships

DU Ping1，YU Kai-lu2，LV Dong-fang2，YUE Qiang2
（1.The Office of Navy Representative in Baoding District,Baoding 071000，China；2.The 718th Research Institute of CSIC, Handan 056027，China）

Nitrogen and oxygen is necessary for navy surface ship and submarine.The storage and utilization of nitrogen and oxygen in liquid status,is characterized by the light and small storage equipment,easy to use,high safety.In this paper,the supply mode,utilization and management of liquid nitrogen and oxygen on navy surface ship and submarine are discussed.

liquid nitrogen；liquid oxygen；navy ships；safety；management

TQ116.1

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20151241

2015-09-15

杜平（1974-），男，漢族，畢業(yè)于海軍工程大學(xué)本科，作戰(zhàn)指揮與火力控制專業(yè)，研究方向：船舶機(jī)電。