LNG 運(yùn)輸船/ LNG 燃料動(dòng)力船應(yīng)急切斷（ESD）閥的應(yīng)用

林 蓁 鄭志敏 楊夢(mèng)婕

（1. 中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011； 2. 滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司 上海 200129）

0 引 言

LNG 運(yùn)輸船是一種儲(chǔ)存、運(yùn)輸及處理液態(tài)天然氣的船舶，其主甲板，穹頂甲板及部分通道區(qū)域都屬于危險(xiǎn)區(qū)域。LNG 燃料動(dòng)力船雖有不同，但危險(xiǎn)區(qū)域同樣很多。為保證安全性，兩型船的燃?xì)庀到y(tǒng)部分的閥門遙控系統(tǒng)通常采用液壓型式或氣動(dòng)型式。

應(yīng)急切斷（Emergency Shutdown，ESD）系統(tǒng)由ESD 閥、加壓油泵、油管路、操作控制裝置和失壓報(bào)警裝置組成，其中ESD 閥是閥門遙控系統(tǒng)中執(zhí)行模塊中較特殊的一種。它主要應(yīng)用于IGC Code（LNG 運(yùn)輸船）或者IGF Code（使用氣體或其他低閃點(diǎn)燃料為動(dòng)力，如LNG 燃料動(dòng)力船）。 ESD 閥是指一種在正常狀態(tài)下可以遠(yuǎn)程控制閥門打開(kāi)或關(guān)閉，而當(dāng)ESD 系統(tǒng)被觸發(fā)后，又能自動(dòng)快速關(guān)閉的閥件。

ESD 系統(tǒng)觸發(fā)后，閥門能快速響應(yīng)自動(dòng)關(guān)閉。閥門關(guān)閉是通過(guò)獨(dú)立閥控系統(tǒng)外的途徑進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，這也是ESD 閥與其他常規(guī)遙控閥的最大區(qū)別。此外，IGC 和IGF 對(duì)ESD 閥還有其他一些要求，兩者大致相同，某些參數(shù)及適用范圍上存在一定差異。對(duì)這些功能要求，需要一些特殊設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1 ESD 閥應(yīng)急關(guān)閉時(shí)間要求

ESD 閥的關(guān)閉時(shí)間需要區(qū)分正常關(guān)閉和應(yīng)急關(guān)閉這2 種工況。正常關(guān)閉工況時(shí)，ESD 閥的關(guān)閉時(shí)間與常規(guī)遙控閥相比沒(méi)有差異；而應(yīng)急關(guān)閉工況時(shí)，IGC 和IGF 要求相同，即“液體管系中的ESD閥應(yīng)在啟動(dòng)30 s 內(nèi)平穩(wěn)關(guān)閉……”。即通常概念中，一旦觸發(fā)ESD 系統(tǒng)后，要求ESD 閥件關(guān)閉時(shí)間不能＞30 s。而常被忽視的是，對(duì)于加注站的ESD 閥，IGC 及IGF 都有額外要求，見(jiàn)表1。

表1 LNG 船/雙燃料船 ESD 閥應(yīng)急關(guān)閉時(shí)間要求

當(dāng)岸上或者加注船對(duì)船舶進(jìn)行LNG 加注作業(yè)時(shí)，如果大艙液位已經(jīng)達(dá)到某一高位報(bào)警，觸發(fā)ESD 系統(tǒng)，開(kāi)始關(guān)閉ESD 閥。由于閥門關(guān)閉需要一定時(shí)間，此時(shí)加注作業(yè)會(huì)繼續(xù)進(jìn)行。因此需對(duì)加注站的ESD 閥門關(guān)閉時(shí)間進(jìn)一步要求，避免在繼續(xù)加注的30 s 內(nèi)，大艙超過(guò)其極限液位。

以某大型雙燃料集裝箱船為例：大艙裝載率ESD系統(tǒng)觸發(fā)報(bào)警值為95%艙容，容積為6 393.1 m。大艙允許最大裝載率為95.3% 艙容，容積為6 412.7 m，與95%艙容的差值為19.6 m。系統(tǒng)設(shè)計(jì)最大加注速率為1 600 m/h。

根據(jù)IGF Code 16.7.3.7 可以計(jì)算得到：

式中：為ESD 閥收到關(guān)閉信號(hào)時(shí)，大艙此刻液位至極限液位之間的容積，m；為船岸或者船與船之間約定的最大加注速率，m/h。

從計(jì)算結(jié)果可以看出：其所要求時(shí)間＞30 s，不需要對(duì)閥件關(guān)閉進(jìn)行調(diào)整；如果計(jì)算＜30 s 時(shí)，則閥件關(guān)閉時(shí)間應(yīng)調(diào)整至計(jì)算結(jié)果值。

對(duì)于雙燃料船來(lái)說(shuō)，IGF 同一章節(jié)還要求閥件最終所需關(guān)閉時(shí)間應(yīng)根據(jù)公式（1）結(jié)果與5 s 進(jìn)行比較，然后取較小者，即加注站ESD 閥的最短關(guān)閉時(shí)間≤5 s。

在較大流量情況下，閥門快速關(guān)閉極易導(dǎo)致水錘現(xiàn)象，使管路局部應(yīng)力過(guò)大而造成閥件或者管路功能損壞。挪威船級(jí)社雙燃料船規(guī)范第6 部分/第2 章/5.3.3.2 節(jié)中，“除非考慮到壓力波動(dòng)（pressure purge）需要更長(zhǎng)的關(guān)閉時(shí)間，閥件從報(bào)警觸發(fā)到完全關(guān)閉的時(shí)間不能超過(guò)5 s”。IGF 中也有相同要求，但描述較為晦澀難懂。因此，如提供的計(jì)算結(jié)果表明， 過(guò)快的閥件關(guān)閉速度導(dǎo)致管路應(yīng)力過(guò)大，則可適當(dāng)延長(zhǎng)閥件關(guān)閉時(shí)間，但無(wú)論如何閥件關(guān)閉時(shí)間都不能＞30 s。

當(dāng)調(diào)整閥門關(guān)閉時(shí)間超過(guò)30 s 卻仍然無(wú)法滿足應(yīng)力計(jì)算要求時(shí)，應(yīng)與加注方協(xié)調(diào)，降低加注速率，使閥件關(guān)閉時(shí)因沖擊造成的應(yīng)力被限制在可承受范圍內(nèi)。

對(duì)于LNG 船來(lái)說(shuō)，其加注站的ESD 閥關(guān)閉時(shí)間，IGC Code 18.10.2.1.4 中同樣有如式（1）所示的計(jì)算要求，但沒(méi)有＜5 s 的要求；并且因?yàn)長(zhǎng)NG 船液貨艙艙容通常較大，觸發(fā)ESD 后的所剩艙容也相對(duì)較大，其所要求的時(shí)間冗余較多，不易出現(xiàn)問(wèn)題。

2 ESD 閥自動(dòng)關(guān)閉實(shí)現(xiàn)型式

ESD閥的應(yīng)急（故障）自動(dòng)關(guān)閉功能有兩種實(shí)現(xiàn)型式：一種通過(guò)驅(qū)動(dòng)頭之外力矩推動(dòng)，例如液壓油驅(qū)動(dòng)或者壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，即雙作用式驅(qū)動(dòng)頭；另外一種，其力矩來(lái)自驅(qū)動(dòng)頭自帶的驅(qū)動(dòng)單元，比如彈簧作用，即單作用式驅(qū)動(dòng)頭。

2.1 雙作用式驅(qū)動(dòng)頭

雙作用式驅(qū)動(dòng)頭是指閥門遙控系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)，驅(qū)動(dòng)頭保持最終狀態(tài)不變，即最終狀態(tài)為打開(kāi)時(shí)，其仍保持打開(kāi)狀態(tài)。因此雙作用式驅(qū)動(dòng)頭實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閉功能，需通過(guò)來(lái)自于主動(dòng)力源之外的能源來(lái)實(shí)現(xiàn)。

以液壓型式為例，1個(gè)常規(guī)的液壓閥門遙控系統(tǒng)通常包括以下幾個(gè)部分：

（1）控制指示模塊（控制面板和控制臺(tái)）；（2）液壓動(dòng)力模塊（2臺(tái)互為備用的液壓泵，以及蓄能器等）；

（3）電磁閥箱（濾器和電磁換向閥等）；

（4）執(zhí)行模塊（液壓驅(qū)動(dòng)頭、閥體和閥門啟閉指示）；

（5）應(yīng)急操作單元（便攜式手搖泵以及驅(qū)動(dòng)頭上的應(yīng)急接頭）。

液壓閥門遙控系統(tǒng)故障通常有“液壓泵故障”/“電磁閥故障”和“系統(tǒng)失電”等。所有的意外情況都應(yīng)有相應(yīng)措施，使ESD閥仍然可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閉。

2.1.1 液壓泵故障

液壓泵出現(xiàn)故障，閥件自動(dòng)關(guān)閉動(dòng)力源顯然不能來(lái)自液壓泵站，而應(yīng)當(dāng)來(lái)自其他動(dòng)力，一般通過(guò)設(shè)置蓄能器來(lái)驅(qū)動(dòng)ESD閥執(zhí)行關(guān)閉動(dòng)作。蓄能器是一種高壓容器，內(nèi)部含有氣囊（通常充注高壓氮?dú)猓?。泵站正常工作時(shí)，液壓油會(huì)被注入到蓄能器氣中，氣囊被壓縮到設(shè)計(jì)的壓力值；當(dāng)泵站發(fā)生故障，管路壓力降低，蓄能器中氣囊膨脹輸出壓力，驅(qū)動(dòng)液壓油對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)壓。該蓄能器不同于液壓泵站上蓄能器。泵站蓄能器是用于補(bǔ)充整個(gè)閥門遙控系統(tǒng)壓力，而它僅用于ESD閥。ESD閥蓄能器的容積可以通過(guò)計(jì)算得到，參見(jiàn)下頁(yè)表2。

表2 ESD 閥專用蓄能器容積計(jì)算

以某LNG 船1 個(gè)ESD 閥的蓄能器為例進(jìn)行計(jì)算。氮?dú)鈿饽以谧畲髩毫r(shí)和最小壓力時(shí)體積之間的形變?yōu)樾钅芷魉苋菁{的液壓油體積，這個(gè)體積也應(yīng)是驅(qū)動(dòng)器油缸的容積。計(jì)算出觸發(fā)ESD后，氣囊完全釋放后的容積，即可得到蓄能器的凈容積。

需要注意的是，雙作用ESD 閥的蓄能器應(yīng)布置在靠近ESD 閥的電磁閥箱，這樣一方面可減少液壓管路長(zhǎng)度、降低意外破損風(fēng)險(xiǎn)，另一方面也能提高閥件響應(yīng)速度。

2.1.2 電磁閥故障

電磁閥的功能是用來(lái)切換液壓油管路流向，驅(qū)使驅(qū)動(dòng)頭關(guān)閉或打開(kāi)閥件。當(dāng)電磁閥發(fā)生故障，此時(shí)如果系統(tǒng)觸發(fā)ESD，閥門就無(wú)法執(zhí)行正確動(dòng)作。因此ESD 閥應(yīng)設(shè)置有專用電磁閥，通過(guò)專用電磁閥來(lái)執(zhí)行動(dòng)作ESD 命令。

由于ESD 觸發(fā)動(dòng)作時(shí)，其關(guān)閉速度要求快于正常關(guān)閉速度，這需要管路中更大的液壓油流量進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。因此專用電磁閥需配置有流量調(diào)節(jié)閥，在調(diào)試階段預(yù)先設(shè)定好較大流量，以加快閥件關(guān)閉速度。

2.1.3 系統(tǒng)失電

當(dāng)閥門遙控系統(tǒng)失電時(shí)，會(huì)影響到液壓泵站馬達(dá)工作，此時(shí)電磁閥切換油路，并將遙控閥信號(hào)反饋給IAS 系統(tǒng)等。為保證閥門遙控系統(tǒng)的正常，閥控系統(tǒng)通常接有主電源和應(yīng)急電源。 主電源失電時(shí)，自動(dòng)切換至應(yīng)急電源上；當(dāng)應(yīng)急電源仍然無(wú)法供電時(shí)，液壓泵站馬達(dá)停止工作，液壓管路油壓無(wú)法保持，電磁閥無(wú)法動(dòng)作。此時(shí)，ESD 閥自動(dòng)關(guān)閉，仍需要通過(guò)蓄能器和電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。蓄能器無(wú)需電源，仍可為管路提供足夠的壓力。電磁閥應(yīng)是特殊型式電磁閥，其動(dòng)力不能來(lái)自電源，而是通過(guò)電磁閥自帶的彈簧驅(qū)動(dòng)閉合導(dǎo)向，使液壓油路切向并將液壓油輸送至驅(qū)動(dòng)頭以實(shí)現(xiàn)閥門關(guān)閉。因此2.1.2節(jié)中所述的備用電磁閥應(yīng)為特殊型式電磁閥。

2.1.4 液壓管路破損

由于遙控閥及相應(yīng)液壓管路分散布置全船區(qū)域，如果液壓管路發(fā)生破損，液壓泵站及泵站上的蓄能器均無(wú)法提供動(dòng)力給ESD 閥。因此如前所述，ESD 閥通常配有專用蓄能器，驅(qū)動(dòng)頭上應(yīng)有獨(dú)立ESD 接頭，來(lái)構(gòu)成專用的ESD 液壓管路。

2.2 單作用驅(qū)動(dòng)頭

單作用驅(qū)動(dòng)頭是指驅(qū)動(dòng)頭內(nèi)部布置有彈簧執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生報(bào)警觸發(fā)ESD 后，驅(qū)動(dòng)頭上彈簧直接執(zhí)行命令，驅(qū)動(dòng)閥門關(guān)閉。單作用驅(qū)動(dòng)頭實(shí)現(xiàn)ESD 功能，相較雙作用驅(qū)動(dòng)頭更為簡(jiǎn)便，不需要布置蓄能器及專用電磁閥等。單一ESD 閥件故障也不會(huì)影響到其他ESD 閥的工作，雙作用式蓄能器故障則可能影響到關(guān)聯(lián)ESD 閥工作。但單作用驅(qū)動(dòng)頭成本較高，如果系統(tǒng)中ESD 閥數(shù)量較多，專用蓄能器容積及專用電磁閥數(shù)量所需的成本與采用單/雙作用式驅(qū)動(dòng)頭之間的差價(jià)，達(dá)到平衡，則建議采用單作用式驅(qū)動(dòng)頭。

3 LNG 運(yùn)輸船/ LNG 燃料動(dòng)力船ESD 閥適用范圍

對(duì)于ESD 閥的設(shè)置原則，IGC 和IGF 并未設(shè)單獨(dú)的章節(jié)進(jìn)行明確描述，通常以下處所或功能的閥件應(yīng)適用于ESD 閥。

3.1 加注站遙控閥件

IGC 5.5.1.2、18.10.2.2中明確要求船岸連接、船船連接時(shí)，集管區(qū)域的每根總管需設(shè)置有1 個(gè)ESD 閥件。

IGF 中沒(méi)有明確寫(xiě)明加注站閥件需為ESD 閥。如第一部分所述，在8.5.3/8.5.8中要求加注站閥件需滿足一系列關(guān)閉時(shí)間的要求，因此雙燃料船加注站集管區(qū)域的遙控閥也應(yīng)為ESD 閥。

3.2 與大艙相連接遙控閥

IGC 5.5.1.2 中提到ESD 系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，切斷的設(shè)備包括裝卸貨時(shí)的集管閥、駁運(yùn)貨物的泵或壓縮機(jī)等、液貨艙閥（如液貨艙釋放閥的最大允許設(shè)定值MARVS 超過(guò)0.07 MPa 時(shí)）。因此對(duì)最常見(jiàn)的薄膜型液貨艙LNG 船，其MARVS 通常不會(huì)超過(guò)0.07 MPa，大艙注入閥或排出閥、揮發(fā)氣管閥均可以不設(shè)置為ESD 閥。

IGF 9.4.1 中明確要求，當(dāng)安全系統(tǒng)（即ESD系統(tǒng)）被觸發(fā)時(shí)，燃料艙上，用氣設(shè)備操作和燃料加注操作所涉及的閥門，應(yīng)能夠自動(dòng)操作。因此不論采用何種型式的大艙，雙燃料船的燃料艙進(jìn)出口的揮發(fā)氣管閥、大艙注入閥和排出閥等都應(yīng)設(shè)置為ESD 閥。

3.3 燃?xì)庵鏖y

燃?xì)庵鏖y指的是輸送天然氣至用氣設(shè)備（如發(fā)電機(jī)、鍋爐等）管路上帶手動(dòng)操作功能的遙控閥，用于連通或阻斷供氣。其位置應(yīng)布置在燃?xì)庠O(shè)備處所之外。

IGC Code 16.4.3、16.4.6 中要求：

（1）當(dāng)雙壁管采用充惰氣正壓型式，發(fā)現(xiàn)惰氣失壓時(shí)，燃?xì)庵鏖y應(yīng)自動(dòng)關(guān)閉；

（2）當(dāng)雙壁管采用通風(fēng)型式，發(fā)現(xiàn)空氣流量無(wú)法滿足要求要求時(shí)，燃?xì)庵鏖y應(yīng)自動(dòng)關(guān)閉；

（3）當(dāng)雙壁管發(fā)現(xiàn)可燃?xì)怏w泄漏或者其他故障時(shí)，燃?xì)庵鏖y應(yīng)自動(dòng)關(guān)閉。

基于以上要求，不論是船廠的常規(guī)設(shè)計(jì)，還是法國(guó)GTT 公司提供的相關(guān)文檔，通常都將燃?xì)庵鏖y設(shè)置為ESD 閥。然而，ESD 并不是唯一實(shí)現(xiàn)閥件自動(dòng)關(guān)閉的路徑。當(dāng)燃?xì)庀到y(tǒng)探測(cè)到相關(guān)報(bào)警后，報(bào)警信號(hào)傳輸?shù)阶詣?dòng)化系統(tǒng)，處理后并發(fā)出指令給閥門遙控系統(tǒng)，對(duì)燃?xì)庵鏖y進(jìn)行關(guān)閉，也可以達(dá)到自動(dòng)關(guān)閉的目的。自動(dòng)關(guān)閉閥，并不等于自動(dòng)關(guān)閉ESD 閥。ESD 閥的自動(dòng)關(guān)閉是即使在閥門遙控系統(tǒng)失效的情況下，仍可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閉，但I(xiàn)GC 的以上要求中并沒(méi)有提到這一點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)兩者進(jìn)行比較，得出自動(dòng)化系統(tǒng)的響應(yīng)流程和時(shí)間都相對(duì)較長(zhǎng)，因此國(guó)際氣體運(yùn)輸與碼頭經(jīng)營(yíng)者協(xié)會(huì)（The Society of International Gas Tanker and Terminal Operators，SIGTTO）組織推薦將燃?xì)庵鏖y設(shè)置為ESD 閥。但僅從滿足規(guī)范本身而言，燃?xì)庵鏖y不設(shè)置為ESD 閥仍能滿足IGC Code 和船級(jí)社的要求。

但在IGF Code 中，9.4.2 中明確要求，當(dāng)安全系統(tǒng)（即ESD 系統(tǒng)）被觸發(fā)時(shí)，燃?xì)庵鏖y應(yīng)自動(dòng)切斷以停止燃?xì)夤?，即燃?xì)庵鏖y應(yīng)是ESD 閥。

IGC 和IGF 關(guān)于ESD 閥適用場(chǎng)景，參見(jiàn)圖1。

圖1 ESD 閥適用場(chǎng)所

4 其 他

ESD 閥 都 有 手 動(dòng) 功 能 要 求，IGC 和IGF 的要求也仍存在一定區(qū)別。IGC 僅要求就地關(guān)閉（be capable of local manual closure），但I(xiàn)GF則要求能夠進(jìn)行就地操作（a combined manually and automatically operated valve），而不僅是關(guān)閉。

如前文所述，ESD 閥配有專用電磁閥用于ESD 觸發(fā)時(shí)使用。如對(duì)加注站的ESD 閥，觸發(fā)時(shí)，通常加注站所有的ESD 閥應(yīng)同時(shí)關(guān)閉，此時(shí)可以多個(gè)ESD 閥共用1 個(gè)專用電磁閥。但是對(duì)于燃?xì)庵鏖y（如燃?xì)庵鏖y為ESD閥時(shí)）而言，觸發(fā)ESD 時(shí)，不論是IGC 還是IGF 均要求，切斷1 個(gè)處所燃?xì)庠O(shè)備不能影響其他燃?xì)庠O(shè)備正常運(yùn)行或?qū)е虏豢山邮艿膭?dòng)力損失。顯然，多個(gè)燃?xì)庵鏖y不能共用1 個(gè)專用電磁閥。

5 結(jié) 語(yǔ)

不論是IGC 還是IGF，對(duì)ESD 閥都有一系列要求，并且存在一些差異，如對(duì)加注站ESD 閥關(guān)閉時(shí)間要求、ESD 閥適用范圍以及對(duì)ESD 閥手動(dòng)操作要求的區(qū)別等，這些差異在設(shè)計(jì)過(guò)程中往往極易被忽視，需要特別注意，避免混淆而造成差錯(cuò)。