蒸汽推進裝置主蒸汽閘閥故障原因及措施建議

洪匯勇 耿慶波 舒炳林

【摘 要】 為避免因蒸汽推進裝置主蒸汽閘閥發(fā)生故障，以某大型液化天然氣（LNG）船為例，從產品是否是經專業(yè)機構認證的合格產品、船員是否操作不當、產品是否存在設計缺陷等方面分析事故直接原因和間接原因，提出改進措施：加強船員培訓和公司管理；改進設備，在閥桿上裝設限位器和指示燈。建議：加裝防止人員誤操作主蒸汽閥的保護裝置；增加對關鍵設備操作人員的崗前培訓和定期培訓次數；增加對主蒸汽閘閥等關鍵設備的維護保養(yǎng)要求。

【關鍵詞】 LNG船舶；蒸汽閥；閥桿斷裂；應力

0 引 言

某大型液化天然氣（LNG）船舶在某日航經Lombok海峽時，透平主機突然停止工作，船舶失去動力。經檢查發(fā)現，主蒸汽閘閥閥桿斷裂，閘閥處于關閉位置。對大型LNG船舶來說，一旦因失去動力而發(fā)生碰撞、擱淺等事故，就會導致貨物泄漏甚至爆炸，由此造成的人員傷亡及經濟損失都難以估量。因此，該船舶運輸公司除了對事故船舶主蒸汽閘閥進行詳細檢查外，對公司其他LNG船主蒸汽閘閥也進行了全面檢查。結果發(fā)現，其他LNG船主蒸汽閘閥閥桿的相同位置均出現不同程度受損，存在斷裂隱患。

目前，全球LNG船超過470艘，其中有近一半的LNG船的動力系統是采用蒸汽推進裝置的。根據以往LNG船事故統計分析發(fā)現，多起事件皆是由于蒸汽推進裝置主蒸汽閘閥故障誘發(fā)的。主蒸汽閘閥故障已經成為裝有蒸汽推進裝置的LNG船安全的一大威脅。

1 原因分析

蒸汽閥是蒸汽輪機的一個關鍵設備，通過開關閥門控制鍋爐蒸汽走向，從而為透平主機、透平副機、鍋爐給水泵運轉提供動力，其重要性不言而喻。事故船上蒸汽閘閥總共有12個：左右鍋爐各1個總閥，2臺透平副機各2個閥，2臺鍋爐給水泵各1個閥，透平主機2個主蒸汽閥，左右鍋爐過熱蒸汽去往透平主機的管路上各有1個隔離閥。由于主蒸汽閥經常開關（船舶靠港完車時關閉，開航備車時開啟），所以更容易受損。此次出故障的就是透平主機主蒸汽閘閥（5 V），其一旦發(fā)生故障關閉，將導致透平主機因沒有蒸汽推動而停車。該蒸汽閘閥故障一般由以下3種原因引起。

1.1 產品是否是經專業(yè)機構認證的合格產品

經調查，該公司所有LNG船的蒸汽閘閥均采用法國SNRI公司制造的閥門。SNRI公司生產的閥門主要應用于低溫及LNG、能源、工程建設、氣體、化工及食品行業(yè)，產品素以高質量著稱，在LNG船用蒸汽閥門領域具有相當高的地位和市場占有率。此次發(fā)生故障的主蒸汽閘閥是經ABS檢驗認證過的合格產品，符合現有規(guī)范和有關要求。

1.2 船員是否操作不當

LNG船上的蒸汽閥屬于閘閥的一種，閘閥的啟閉件是閘板，閘板的運動方向與流體方向垂直，閘閥只能作全開和全關動作，不能調節(jié)和用于節(jié)流。在開啟閥門，閘板提升高度與閥門通徑1∶1時，流體的通道完全暢通，但在運行時此位置是無法檢視的。在實際使用時，閥門全開狀態(tài)以閥桿升至頂點（即開不動的位置）作為其全開位置標志?？紤]溫度變化出現鎖死及閥蓋對閥桿的應力作用，船上通常做法是每次將蒸汽閥開到頂點位置后，再回關1/2～1圈，作為全開閥門的位置。據調查，該公司所有LNG船均存在部分船員在開啟蒸汽閘閥到頂點位置而沒有作回關動作的問題，存在應力集中現象，長時間這樣操作可能會引起故障。

1.3 產品是否存在設計缺陷

事故發(fā)生后，SNRI公司對損壞的閥桿進行了形態(tài)分析、顯微照相檢查、硬度測試，得出結論為此次故障是由于應力腐蝕造成的，即因閥桿與閥蓋上的后閥座長期接觸，形成的應力長期作用在接觸面上，導致閥桿損壞并最終斷裂。蒸汽閥應力作用見圖1。對于蒸汽輪機動力船來說，蒸汽閥需要在520 ℃、60 MPa壓力下工作。一旦船員將閥門開到開不動位置，閥蓋后閥座會對閥桿產生巨大的應力作用，在高溫高壓高應力的持續(xù)作用下，尤其是在高應力的作用下，就很容易造成閥桿受損而引發(fā)故障。在開啟閥門時，操作者無法觀察到閥門何時到達全開位置，因此會將閥門開啟到頂點位置。這種不當操作情況是一種普遍現象，其他公司其他船舶同樣也會出現。此種閥門雖符合現有規(guī)范要求，但存在設計缺陷。

1.4 結 論

綜上所述，該LNG船采用的蒸汽閥是經過專業(yè)機構認證的合格產品，符合現有規(guī)范要求，導致事故的直接原因是部分船員操作不當，間接原因是產品本身存在設計缺陷。

2 改進措施

根據此次事故的直接原因，除了加強船員培訓和公司管理外，需要對設備進行改進。培訓不足、船員素質不高及產生疲勞等因素都會引起船員操作不當，因此對于主蒸汽閥這種船上關鍵性設備，重點是要對設備本身進行改進、對相關操作程序進行完善，讓設備隨時處于安全使用狀況。

SNRI公司在對閥桿斷裂原因進行深入分析后，對閥桿進行了改進，填補起始裂紋下的圓弧型溝槽，讓應力通過閥桿向下傳遞，從而減少溝槽水平面的應力集中。蒸汽閥閥桿改進見圖2。

這一改進雖然可以減少閥桿的應力集中、降低閥桿的斷裂風險，但并不能完全消除閥蓋后閥座對閥桿的應力作用。因此，在進行充分研究論證后，提出了在閥桿上裝設限位器和指示燈的改進措施：在閥桿頂部的適當位置裝設1個螺帽，當閥門完全打開而閥桿尚未接觸閥蓋后座前，因為螺帽的限制而使閥桿無法繼續(xù)上升，從而可以避免閥蓋后閥座對閥桿的應力作用；同時裝設一個開關指示燈，當閥門到達完全開啟狀態(tài)時綠燈亮，當閥門到達完全關閉狀態(tài)時紅燈亮，如此可使操作者直觀地知道閥門當前所處的位置，避免誤操作。整個工程花費不到200美元，非常經濟實用。從2014年改造至今，該公司6艘LNG船的蒸汽推進裝置主蒸汽閥運行良好，再沒有發(fā)生故障。

3 相關建議

主蒸汽閥本身的缺陷和人員的操作不當，已經嚴重威脅到蒸汽動力LNG船舶的安全。因此，建議在《國際散裝運輸液化氣體船舶構造和設備規(guī)則》（《IGC規(guī)則》）中增加蒸汽推進裝置主蒸汽閘閥開關限位裝置的規(guī)定。建議具體要求以下3個方面：（1）加裝防止人員誤操作主蒸汽閥的保護裝置，如限位器和指示燈或等效裝置；（2）增加主蒸汽閘閥等關鍵設備的培訓要求，要求對船上關鍵設備操作人員進行崗前培訓和定期培訓，從而減少人員操作不當的情況發(fā)生；（3）提高對主蒸汽閘閥等關鍵設備的維護保養(yǎng)要求，定期對關鍵設備進行保養(yǎng)。

《IGC規(guī)則》作為散裝運輸液化氣體船舶構造和設備的主要規(guī)范，對散裝運輸液化氣體船舶的殘存能力、船舶布置、貨物系統、環(huán)境控制、電氣設備、消防、人員防護等方面進行了詳細的設置和規(guī)范，但對液化氣體船舶的蒸汽推進裝置沒有明確的要求。筆者建議，我國海事部門可以組織國內LNG船造船廠、船舶運輸公司等LNG運輸產業(yè)鏈相關單位對LNG船舶蒸汽推進裝置這一領域進行深入研究，編寫相關提案，推動國際海事組織（IMO）對《IGC規(guī)則》進行修改和完善，以便提升LNG船的安全水平。