飽和潛水系統(tǒng)試驗(yàn)氣體估算方法

朱傳美， 樊 斌， 陳 超

(中船黃埔文沖船舶有限公司， 廣東 廣州510715)

0 引 言

為確保潛水員生命安全，在飽和潛水系統(tǒng)安裝后須分別進(jìn)行氣體泄漏試驗(yàn)和功能試驗(yàn)以檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性，在此過程中需用到大量氦氣、氮?dú)?、氧氣等氣體。其中，氦氣是一種昂貴的不可再生氣體，我國可開發(fā)的氦氣氣源很少，只能供應(yīng)少量的科研項(xiàng)目使用，其他氦氣都需從國外進(jìn)口，價(jià)格較高，且試驗(yàn)用氣體因氦氣混合了其他氣體，分離氦氣需要專業(yè)廠家和專業(yè)設(shè)備操作，分離成本非常高，船廠潛水系統(tǒng)試驗(yàn)用氣在試驗(yàn)結(jié)束后氦氣往往基本不再回收利用。對(duì)于船廠來說，試驗(yàn)用氦氣的購買是必須考慮的建造成本之一。

1 試驗(yàn)要求及試驗(yàn)項(xiàng)目

根據(jù)船級(jí)社規(guī)范[1-3]和廠家的試驗(yàn)程序[4-7]，在潛水系統(tǒng)調(diào)試期間，主要有下列幾項(xiàng)試驗(yàn)需用到大量氦氣：氣體泄漏試驗(yàn)和環(huán)境控制系統(tǒng)、自動(dòng)飽和系統(tǒng)、氣體回收系統(tǒng)的功能性試驗(yàn)等。

以某船24人雙潛水鐘300 m飽和潛水系統(tǒng)為例,具體分析潛水系統(tǒng)試驗(yàn)用氣的估算。

常壓下的氣體體積計(jì)算公式為

Q=Qe·P

(1)

式中：Q為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的氣體體積， m3；Qe為存放氣體設(shè)備的容積， m3；P為氣體存放設(shè)備的工作壓力，bar (1 bar=0.1 MPa)。

2 氣體泄漏試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)要求

根據(jù)DNV-OS-E-402 J303[1]要求：最大允許工作壓力下進(jìn)行氣體儲(chǔ)存、居住生活壓力艙、過渡艙、潛水鐘和生命支持等裝置的氣體泄漏試驗(yàn)，試驗(yàn)在溫度不變的前提下， 在24 h內(nèi)壓降不超過1%即為合格(氣體溫度變化與壓力變化有對(duì)應(yīng)關(guān)系，此處不作贅述)。試驗(yàn)氣體要求含10%的氦氣，氣體泄漏試驗(yàn)最少需要保持壓力6 h。

結(jié)合DNV規(guī)范要求和氣體成本，船廠選擇使用10%氦氣+90%氮?dú)饨M成的混合氣體作為泄漏試驗(yàn)氣體。

在氣體泄漏試驗(yàn)中，主要有下列項(xiàng)目需要檢驗(yàn)：

(1) 潛水鐘、居住生活壓力艙和過渡艙泄漏試驗(yàn)。

(2) 潛水系統(tǒng)儲(chǔ)氣瓶泄漏試驗(yàn)。

(3) 氣體管路泄漏試驗(yàn)。

根據(jù)廠家設(shè)備資料[8-9]和飽和潛水系統(tǒng)氣體原理圖[10]，需要充氣進(jìn)行泄漏試驗(yàn)的潛水設(shè)備容積如表1和表2所示。

表1 飽和潛水設(shè)備容積

表2 氣體儲(chǔ)存裝置

2.2 試驗(yàn)所用氣體估算

(1) 潛水鐘、居住生活壓力艙和過渡艙泄漏試驗(yàn)氣體估算

根據(jù)設(shè)備廠家提供的飽和潛水系統(tǒng)氣體泄漏試驗(yàn)程序[4]，選擇試驗(yàn)程序中單次試驗(yàn)所需氣體最多的試驗(yàn)設(shè)備(過渡艙+逃生通道+救生艇對(duì)接筒體+救生艇)來計(jì)算試驗(yàn)氣體用量，如圖1所示。

圖1 飽和潛水系統(tǒng)氣體泄漏試驗(yàn)

根據(jù)表1和圖1，單次泄漏試驗(yàn)設(shè)備總?cè)莘e計(jì)算公式為

Qt=2Qe1+2Qe2+2Qe3+2Qe4

(2)

式中：Qt為單次泄漏試驗(yàn)設(shè)備總?cè)莘e， m3；Qe1為過渡艙容積， m3；Qe2為逃生通道容積， m3；Qe3為救生艇容積， m3；Qe4為救生艇對(duì)接筒體容積， m3。

根據(jù)表1的設(shè)備容積，計(jì)算總?cè)莘eQt=2×38.0 m3+2×5.7 m3+2×16.0 m3+2×0.8 m3=121.0 m3。

根據(jù)DNV船級(jí)社規(guī)定的氣體泄漏試驗(yàn)的氣體混合比例及式(1)可知，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下所需氦氣及氮?dú)獾挠?jì)算式為

Qh= 10%Qt·P·(1+K)

(3)

Qn= 90%Qt·P·(1+K)

(4)

式中：Qh為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下氦氣容積， N·m3；Qn為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下氮?dú)馊莘e, N·m3；K為試驗(yàn)氣體余量及耗損因數(shù)，可以根據(jù)公司自身狀況考慮因數(shù)大小。

根據(jù)表1的工作壓力和式(2)，考慮10%的氣體余量和15%的氣體耗損，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下：所需氦氣用量Qh=10% ×121.0 m3×32 bar×1.25=484 N·m3;所需氮?dú)庥昧縌n= 90%×121.0 m3×32 bar×1.25=4 356 N·m3。

(2) 潛水系統(tǒng)儲(chǔ)氣瓶泄漏試驗(yàn)氣體估算

由于氣體泄漏試驗(yàn)用到的氣體成分和混合比例相同，為節(jié)約成本，可將上述試驗(yàn)氣體回收至儲(chǔ)氣瓶儲(chǔ)存起來用于儲(chǔ)氣瓶的氣體泄漏試驗(yàn)。氣體泄漏試驗(yàn)回收氣體所需儲(chǔ)氣瓶個(gè)數(shù)計(jì)算式為

N1=(Qh+Qn)·(1-K)/Q

(5)

式中：N1為儲(chǔ)氣瓶個(gè)數(shù)。

根據(jù)表2的儲(chǔ)氣瓶容積和工作壓力，單個(gè)儲(chǔ)氣瓶可儲(chǔ)存最大標(biāo)準(zhǔn)氣體Q=2.9 m3×200 bar =580 N·m3。

根據(jù)式(5)可計(jì)算出所需儲(chǔ)氣瓶數(shù)量N1= (484 N·m3+4 356 N·m3)×(1-0.25)/580 N·m3≈7瓶。

由于儲(chǔ)氣瓶的工作壓力為200 bar，在沒有專用的高壓大功率充氣工裝時(shí)，一般利用潛水系統(tǒng)配置的2臺(tái)專用高壓氣體壓縮機(jī)(工作壓力為200 bar)和氣體增壓泵(最大工作壓力為300 bar)進(jìn)行氣瓶充氣。根據(jù)實(shí)踐，使用高壓氣體壓縮機(jī)和氣體增壓泵充滿1個(gè)儲(chǔ)氣瓶(壓力達(dá)200 bar)約需4～6 h，如果檢驗(yàn)工具足夠(需不間斷檢測(cè)氣體是否泄漏最少6 h)，最多可使用3個(gè)儲(chǔ)氣瓶同時(shí)進(jìn)行氣體泄漏試驗(yàn)，因此，用于潛水鐘、居住生活壓力艙和過渡艙氣體泄漏試驗(yàn)的混合氣體足夠完成儲(chǔ)氣瓶的氣體泄漏試驗(yàn)，不需再多考慮氣體估算。

(3) 氣體管路泄漏試驗(yàn)

由于氣體管路泄漏試驗(yàn)氣體與上述泄漏試驗(yàn)氣體相同，且氣體管路泄漏試驗(yàn)所需氣體量較小，因此在進(jìn)行氣體估算時(shí)可不考慮氣體管路泄漏試驗(yàn)用氣量。

3 系統(tǒng)功能試驗(yàn)

根據(jù)船級(jí)社規(guī)范和廠家試驗(yàn)程序要求，在單個(gè)設(shè)備安裝調(diào)試后，需模擬實(shí)際最大工作水深時(shí)所用的氦氧混合氣體進(jìn)行環(huán)境控制系統(tǒng)功能試驗(yàn)、自動(dòng)飽和系統(tǒng)功能試驗(yàn)和回收系統(tǒng)功能試驗(yàn)，所用試驗(yàn)氣體為98%氦氣+2%氧氣的氦氧混合氣體[5-7]。

潛水系統(tǒng)功能試驗(yàn)所需氦氧混合氣體容積計(jì)算式為

Qf= (Q5+Q6+Q7)·F

(6)

式中：Qf為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下功能試驗(yàn)所需氦氧混合氣體容積, N·m3；Q5為環(huán)境控制系統(tǒng)功能試驗(yàn)所需氦氧混合氣體容積, N·m3；Q6為自動(dòng)飽和系統(tǒng)功能試驗(yàn)所需氦氧混合氣體容積, N·m3；Q7為氣體回收系統(tǒng)功能試驗(yàn)所需氦氧混合氣體容積, N·m3；F為同步因數(shù)，為加快試驗(yàn)周期，可以選擇功能試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行或部分同時(shí)進(jìn)行或單獨(dú)進(jìn)行，根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，同步因數(shù)取值為0.8。

3.1 環(huán)境控制系統(tǒng)功能試驗(yàn)氣體估算

環(huán)境控制系統(tǒng)功能試驗(yàn)為模擬300 m水深的潛水員的工作環(huán)境，試驗(yàn)最壞情況下環(huán)境控制設(shè)備對(duì)潛水員居住生活壓力艙內(nèi)的溫度、濕度、二氧化碳去除等環(huán)境控制功能。單次試驗(yàn)涉及1個(gè)居住生活壓力艙、2個(gè)環(huán)境控制單元及加熱器、制冷器和系統(tǒng)管路。

根據(jù)表1的居住生活壓力艙設(shè)備容積和工作壓力，參照式(1)，可計(jì)算出在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下單個(gè)居住生活壓力艙所需氦氧混合氣量Qo= 38.0 m3×32 bar=1 216 N·m3；單個(gè)儲(chǔ)氣瓶所能容納標(biāo)準(zhǔn)氣量Q=2.9 m3×200 bar=580 N·m3；單個(gè)居住生活壓力艙試驗(yàn)氣體所需儲(chǔ)氣瓶數(shù)量N2=1 216 N·m3/580 N·m3≈3瓶。

根據(jù)飽和潛水氣體系統(tǒng)原理圖，試驗(yàn)時(shí)儲(chǔ)氣瓶中的混合氣體殘留壓力為60 bar，單個(gè)儲(chǔ)氣瓶殘留氣體容量Qc= 2.9 m3×60 bar=174 N·m3。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，考慮5%的管路氣體余量和15%的氣體耗損，環(huán)境控制系統(tǒng)功能試驗(yàn)所需氦氧混合氣體容積Q5=(1 216 N·m3+3×174 N·m3)×(1+5%+15%)≈2 086 N·m3。

3.2 自動(dòng)飽和系統(tǒng)功能試驗(yàn)氣體估算

自動(dòng)飽和系統(tǒng)功能試驗(yàn)為模擬飽和系統(tǒng)如居住生活壓力艙、過渡艙、逃生通道、救生艇及其他飽和系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備在300 m工作水深下的各項(xiàng)功能測(cè)試。該項(xiàng)功能試驗(yàn)氣體計(jì)算過程和用氣量與環(huán)境控制系統(tǒng)功能試驗(yàn)相同，即自動(dòng)飽和系統(tǒng)功能試驗(yàn)所需氣體用量Q6為2 086 N·m3。

3.3 氣體回收系統(tǒng)功能試驗(yàn)

氣體回收系統(tǒng)功能試驗(yàn)為模擬300 m工作水深下氣體回收系統(tǒng)各設(shè)備功能運(yùn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)程序要求，試驗(yàn)前需對(duì)氣體回收裝置充氣。根據(jù)表2的氣體回收裝置儲(chǔ)氣瓶容積和工作壓力，參照式(1)，可知其充氣量QI= 0.5 m3×250 bar=125 N·m3。

考慮到15%的氣體耗損，氣體回收系統(tǒng)功能試驗(yàn)所需氣體Q7= 125 N·m3×1.15≈144 N·m3。

3.4 潛水系統(tǒng)功能試驗(yàn)用氣總量

根據(jù)式(6)和上述各功能試驗(yàn)所需氣體計(jì)算結(jié)果，潛水系統(tǒng)功能試驗(yàn)所需氦氧混合氣體總?cè)莘eQf=(Q5+Q6+Q7)·F=(2 086 N·m3+2 086 N·m3+144 N·m3)×0.8≈3 453 N·m3，其中氦氣容積Qh=0.98×3 453 N·m3≈3 384 N·m3。

另外，在進(jìn)行飽和潛水系統(tǒng)海上試驗(yàn)時(shí)，同樣需用98%氦氣+2%氧氣的氦氧混合氣體模擬額定水深下的潛水鐘下放試驗(yàn)和潛水鐘內(nèi)通信系統(tǒng)試驗(yàn)[1]，但用氣量不會(huì)超過上述最大單一系統(tǒng)功能試驗(yàn)氣體用量，因此，海上試驗(yàn)時(shí)可再次利用上述功能試驗(yàn)氣體，不需額外再增購海上試驗(yàn)氣體。

4 其他試驗(yàn)氣體

飽和潛水氣體試驗(yàn)除了第2節(jié)和第3節(jié)提及的不同比例及成分的混合氣體外，試驗(yàn)中還需用到其他氣體。

4.1 純凈氮?dú)?/h3>

用途：(1)氣體管路清潔試驗(yàn)后的干燥試驗(yàn)；(2)居住生活壓力艙消防滅火試驗(yàn)；(3)潛水鐘氣體回收試驗(yàn)。

根據(jù)廠家試驗(yàn)程序要求，約需氮?dú)饪偭繛?5 000 N·m3。

4.2 純凈氧氣

用途：(1)氣體回收系統(tǒng)功能試驗(yàn)；(2)飽和系統(tǒng)功能試驗(yàn)；(3)潛水鐘充氣板、救生艇充氣板功能試驗(yàn)。

根據(jù)廠家試驗(yàn)程序要求，約需氧氣總量為30 N·m3。

4.3 校驗(yàn)氣體

(1) 純凈氦氣(非回收氦氣)。

(2) 氦氣、氧氣、二氧化碳混合氣體(含氧量10%～30%，含二氧化碳100～5 000 mg/L)。

(3) 參考?xì)怏w：純凈氮?dú)狻?/p>

(4) 一氧化碳校準(zhǔn)氣體：含20.9%氧氣，含5 mg/L 的一氧化碳的氮?dú)狻?/p>

根據(jù)廠家試驗(yàn)程序要求，上述校準(zhǔn)氣體每種需準(zhǔn)備至少各1個(gè)10 L和50 L、最大工作壓力為200 bar 的儲(chǔ)氣瓶。

5 結(jié) 論

根據(jù)試驗(yàn)要求和計(jì)算結(jié)果，潛水系統(tǒng)氣體泄漏試驗(yàn)所需氦氣約484 N·m3，所需氮?dú)饧s4 356 N·m3，功能試驗(yàn)所需氦氣約3 384 N·m3，其他用氮?dú)饧s5 000 N·m3。整個(gè)飽和潛水系統(tǒng)試驗(yàn)需要購買氦氣量約3 868 N·m3，氮?dú)饧捌渌麣怏w約 10 000 N·m3。估算結(jié)果表明,潛水系統(tǒng)試驗(yàn)階段所需氦氣等試驗(yàn)氣體用量巨大、成本較高。針對(duì)飽和潛水支持船，通過實(shí)船驗(yàn)證，介紹飽和潛水系統(tǒng)氣體試驗(yàn)項(xiàng)目并給出試驗(yàn)氣體計(jì)算方法，可作為潛水支持船的成本評(píng)估或試驗(yàn)氣體準(zhǔn)備的參考。