油輪加溫系統(tǒng)防止氣錘現(xiàn)象損壞措施探討

李德鑫 陳麗寧 陳昌明 廣州航海學(xué)院

1.前言

設(shè)計(jì)用來(lái)裝運(yùn)原油和燃料油的油輪一般貨油艙都配有加溫系統(tǒng)。油輪裝運(yùn)的貨油溫度一般都低于70℃，加溫介質(zhì)通常為水蒸氣。油輪加溫系統(tǒng)由位于機(jī)艙的鍋爐系統(tǒng)、蒸汽總管和位于甲板的蒸汽總管、各貨艙分管、貨艙內(nèi)加溫盤管、回水分管、回水總管和相應(yīng)的閥件、壓力表和用于放殘水的管線等部件組成。鍋爐蒸發(fā)的水蒸氣通過(guò)加溫總管、各貨艙分管和控制閥件輸送到需要加溫的貨油艙內(nèi)的加溫盤管內(nèi)。通過(guò)貨油艙的各組加溫盤管使盤管內(nèi)的水蒸氣和盤管外的貨油進(jìn)行熱量交換，水蒸氣冷卻液化并釋放出大量熱量，加溫盤管周圍的貨油吸收熱量而溫度升高。再通過(guò)對(duì)流傳熱把熱量傳給油艙內(nèi)的其他貨油，使整個(gè)油艙內(nèi)的貨油溫度升高或保持。液化的冷凝水通過(guò)回水管流回鍋爐熱水井循環(huán)使用。油輪加溫系統(tǒng)在使用過(guò)程中如果布置不合理或操作不當(dāng)，經(jīng)常會(huì)造成設(shè)備的損壞。

氣錘現(xiàn)象是對(duì)油輪加溫系統(tǒng)造成損壞的主要原因之一。氣錘現(xiàn)象一般是指輸送流體的管路內(nèi)閥門突然關(guān)閉或相關(guān)動(dòng)力泵突然停止時(shí)，管道系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)中的流體原有的運(yùn)動(dòng)慣量會(huì)使其繼續(xù)流動(dòng)形成壓力沖擊波，從而對(duì)封閉管道系統(tǒng)的所有物體造成明顯作用力。這種沖擊波時(shí)間雖然極短，但壓力尖峰值可能很大，可達(dá)到正常工作壓力的幾倍甚至幾十倍，對(duì)管內(nèi)的設(shè)備造成巨大的破壞。油輪加溫系統(tǒng)進(jìn)氣管內(nèi)流通的是蒸汽，所以氣錘現(xiàn)象對(duì)油輪加溫系統(tǒng)蒸汽管道的破壞尤為嚴(yán)重。油輪加溫系統(tǒng)的氣錘現(xiàn)象破壞力最強(qiáng)的階段是開(kāi)始加溫階段。本文對(duì)油輪加溫系統(tǒng)防止氣錘現(xiàn)象損壞進(jìn)行了研究。首先從克拉伯龍方程入手，研究了管道內(nèi)理想氣體壓強(qiáng)、溫度、體積與質(zhì)量的關(guān)系。進(jìn)而以巴拿馬籍油輪“P”輪加溫系統(tǒng)閥門和管路損壞原因分析為例，揭示氣錘現(xiàn)象對(duì)油輪加溫系統(tǒng)造成破壞的原因，并給出了此類事故的預(yù)防措施。

2.油輪加溫系統(tǒng)氣錘現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理

將油輪管道系統(tǒng)中的氣體視為理想氣體，用克朗伯龍方程描述其壓強(qiáng)、體積、物質(zhì)的量、溫度的關(guān)系為：

其中，P是壓強(qiáng)（單位：Pa），V是體積（單位：m），n是物質(zhì)的量（單位：mol），T是溫度（單位：K），R是一常數(shù)。從式（1）可知，管內(nèi)V不變時(shí)，P隨n、T的增加而變大。加溫前，管道內(nèi)溫度和氣壓與管道外相同，即常溫、一個(gè)大氣壓。當(dāng)開(kāi)啟加溫時(shí)，蒸汽的流動(dòng)速度明顯加快。100℃以上的蒸汽流入封閉的常溫下的蒸汽管內(nèi)時(shí)，如果蒸汽管的閥門關(guān)閉不流通，管內(nèi)溫度驟然升高到100℃以上，新流入的蒸汽使管道內(nèi)氣體的量也驟然增大，管道內(nèi)壓力也相應(yīng)驟然升幾十、甚至幾百倍，形成沖擊波，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致設(shè)備損壞。這就是油輪開(kāi)始加溫階段經(jīng)常能聽(tīng)到蹦蹦響的原因。

當(dāng)蒸汽管道內(nèi)通入蒸汽前存在液態(tài)水時(shí)，蒸汽的流入使蒸汽管內(nèi)溫度快速升高到100度以上，管內(nèi)的部分液態(tài)水轉(zhuǎn)化為蒸汽，同時(shí)體積急劇增加。管內(nèi)壓力再迅速升高，增大了壓力。在氣流的沖擊下，液態(tài)水以較高的速度沖擊管道系統(tǒng)，由于液體水的密度遠(yuǎn)大于蒸汽的密度，高速運(yùn)動(dòng)的液態(tài)水具有的動(dòng)能也更大，遇到阻力例如關(guān)閉的閥門時(shí)沖擊力也更大，加大了管道內(nèi)瞬時(shí)壓力尖峰值，有時(shí)可以達(dá)到正常壓力的幾百上千倍。

3.案例分析-“P”輪加溫系統(tǒng)閥門和管路損壞原因分析

3.1 “P”輪加溫系統(tǒng)閥門和管路損壞經(jīng)過(guò)

以4.6萬(wàn)噸級(jí)巴拿馬籍油輪“P”輪左污油艙加溫進(jìn)氣總閥損壞和總閥前的進(jìn)氣總管破裂原因分析為實(shí)例?！癙”輪閥件損壞經(jīng)過(guò)如下：本船在加溫總閥邊上有旁通的小管用于暖管，閥損壞前多數(shù)貨油艙一直用這根旁通管在暖管保溫，但損壞的右污油艙的加溫進(jìn)氣閥是關(guān)閉狀態(tài)。后來(lái)準(zhǔn)備開(kāi)始加溫，大副指揮大管輪開(kāi)啟加溫總閥，開(kāi)啟靠前的部分貨艙的加溫管路后，用對(duì)講機(jī)叫大管輪慢慢打開(kāi)通往甲板的加溫總閥，大副開(kāi)啟右油污艙進(jìn)氣前的放殘閥放水，聽(tīng)到蹦蹦聲，不久發(fā)現(xiàn)左污油艙閥門的閥桿兩側(cè)鑄鐵的固定支架斷裂。立即叫大管輪停止加溫。第二天發(fā)現(xiàn)與這個(gè)閥相連的加溫管有內(nèi)陷的裂紋破洞。圖1為“P”輪損壞的加溫進(jìn)氣總閥門，圖2為檢修現(xiàn)場(chǎng)，圖3為加溫管有內(nèi)陷的裂紋破洞。下文從油輪加溫系統(tǒng)管路、閥件等設(shè)備的設(shè)計(jì)布置和日常加溫操作程序兩方面探討防止氣錘現(xiàn)象造成油輪加溫系統(tǒng)損壞的措施。

圖1 損壞的加溫進(jìn)氣總閥門

圖2 檢修現(xiàn)場(chǎng)

圖3 加溫管有內(nèi)陷的裂紋破洞

3.2 損壞原因分析

“P”輪右污油艙加溫進(jìn)氣管處于關(guān)閉狀態(tài)，沒(méi)有蒸汽流通，但與蒸汽管相聯(lián)通。由于氣溫較低，在10℃以下，右污油艙加溫進(jìn)氣閥離加溫管較遠(yuǎn)，該閥附近的加溫管材質(zhì)溫度低且處于最低位置，蒸汽在這段管內(nèi)冷凝成液態(tài)水。污油艙加溫管最靠近機(jī)艙，加溫蒸汽總閥開(kāi)啟后，蒸汽總管壓力突然增大，蒸汽首先流入沒(méi)有暖管、還處于冰冷狀態(tài)的污油艙的加溫進(jìn)氣管內(nèi)，管內(nèi)溫度驟然升高幾十倍。同時(shí)管內(nèi)氣體的量也大幅增加，由式（1）可知，管內(nèi)壓力波峰值是溫度驟升量和氣體增加量的乘積，瞬時(shí)壓力峰值較大。管內(nèi)殘存有液態(tài)水，特別是斷裂的右污油艙的加溫閥離加溫總管較遠(yuǎn)，并經(jīng)過(guò)兩次縮了管徑。加溫總管直徑24cm，連接到加溫總管的分管直徑是14cm，中途再由直徑14 cm變?yōu)橹睆?2 cm。管徑變小時(shí)，管內(nèi)流體的流速變大，蒸汽的流動(dòng)速度更快，管內(nèi)溫度變化率更大?？焖倭鲃?dòng)的蒸汽推動(dòng)還沒(méi)汽化的液態(tài)水高速運(yùn)動(dòng)沖擊左污加溫進(jìn)氣閘閥的底部，形成氣錘現(xiàn)象，強(qiáng)大的瞬時(shí)沖擊壓力尖峰值使與閥管相連承受這個(gè)沖擊力的支架斷裂。一年內(nèi)相同位置的閥的同一部位斷了三個(gè)閥門，這三個(gè)閥門均為同一批產(chǎn)品。當(dāng)然，閥件質(zhì)量和操作程序也可能是閥件斷裂的原因之一。

加溫管內(nèi)陷裂紋原因是加溫停止后，由于外界氣溫較低，管內(nèi)蒸汽迅速冷卻凝固，由于沒(méi)有打開(kāi)加溫進(jìn)氣管進(jìn)空氣平衡管內(nèi)外壓力，管內(nèi)形成真空，由于加溫管狀況不佳，導(dǎo)致在管路的薄弱部位形成內(nèi)陷裂紋。所以設(shè)備損壞的直接原因是氣錘現(xiàn)象，根本原因是管路布置不合理和加溫操作程序存在問(wèn)題。

4.減少氣錘現(xiàn)象對(duì)油輪加溫設(shè)備的損壞的建議

可以從兩方面減少氣錘現(xiàn)象對(duì)“P”輪加溫設(shè)備的損壞：改進(jìn)加溫系統(tǒng)的布置缺陷、完善加溫操作程序。

4.1 改進(jìn)加溫系統(tǒng)的布置缺陷

“P”輪加溫系統(tǒng)的布置缺陷及改進(jìn)措施包括：

1）加溫總管沒(méi)有壓力表。一般油輪甲板面的加溫總管前后都有壓力表，依據(jù)壓力表指示的壓力調(diào)節(jié)加溫各階段的加溫壓力?！癙”輪加溫總管沒(méi)有壓力表，大管輪只能依據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)壓力，不能準(zhǔn)確調(diào)節(jié)到需要的壓力。閥件損壞時(shí)操作蒸汽總閥的大管輪剛上船第一航次，操作加溫閥的經(jīng)驗(yàn)不足。建議該船在甲板面加溫總管增加壓力表，大管輪可以觀察壓力調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥的開(kāi)度。

2）左污油艙加溫管進(jìn)氣閥離加溫總管較遠(yuǎn)。且進(jìn)氣閥前面一段管路位于最低位置，容易積水。由于前面的管路直接連接到加溫總管，當(dāng)右污油艙不加溫、關(guān)閉加溫進(jìn)氣閥時(shí)，這段管路內(nèi)的蒸汽不流通，慢慢冷卻凝結(jié)成液態(tài)水，在極寒天氣下可能還結(jié)冰，導(dǎo)致管路堵塞。所以，建議所有加溫管各艙的進(jìn)氣分閥盡量布置在靠近加溫總管的位置處。確保再船舶營(yíng)運(yùn)區(qū)域的最低氣溫下，蒸汽總管使用時(shí)，各艙分管進(jìn)氣閥附近分管內(nèi)溫度不會(huì)降到冷度以下。如果各艙進(jìn)氣閥離總管較遠(yuǎn)，可能導(dǎo)致在極寒天氣下，關(guān)閉了進(jìn)氣閥的貨艙直通總管的加溫分管內(nèi)的水蒸氣凝結(jié)甚至凝固結(jié)冰。

4.2 完善加溫操作程序

加溫程序與外界溫度、船上淡水存量、加溫設(shè)備狀況等不同而有所不同。也與操作人員的工作習(xí)慣有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，可以遵從如下程序：暖管、正常加溫、停止加溫。

1）暖管。由于飽和蒸汽的溫度與壓力相關(guān)，蒸汽壓力越大，溫度也高，流通速度也越快，造成的沖擊波也越大。所以在開(kāi)始加溫前要先暖管，以較低的蒸汽壓力，即較低的蒸汽溫度和流通速度，盡量降低管內(nèi)溫度變化率，也就降低了氣錘現(xiàn)象導(dǎo)致的沖擊波的尖峰值，減少破壞力。暖管程序：加溫總管開(kāi)一點(diǎn)點(diǎn)，（壓強(qiáng)低于2KG/cm），回水總管最后的放殘閥打開(kāi)。從前往后逐個(gè)艙暖管。先打開(kāi)該艙進(jìn)氣總閥和各根加溫盤管的進(jìn)氣閥和回水閥，然后打開(kāi)每根加溫盤管回水放殘閥，檢查回水是否有油花，如果有油花，說(shuō)明這根盤管有漏，不能使用。要先封起來(lái)，待修好后才能使用。否則，混在回水管內(nèi)的油回到機(jī)艙熱水井將很危險(xiǎn)。如果殘水正常，沒(méi)有油花，每根盤管放殘到有熱水出來(lái)時(shí)就可以關(guān)閉放殘閥。然后再暖其他艙的加溫管，當(dāng)所有艙都暖管結(jié)束后就可以轉(zhuǎn)入正常加溫階段了。

2）正常加溫。逐步提高蒸汽壓力，提高過(guò)程觀察各艙情況，特別注意聽(tīng)聽(tīng)是否有氣錘現(xiàn)象造成的蹦蹦聲。如果有聲音，放慢壓力提高速度。各艙加溫進(jìn)氣閥的開(kāi)度由前往后逐步關(guān)小，即離機(jī)艙最遠(yuǎn)，最前面1艙加溫進(jìn)氣閥全開(kāi)，往后依此關(guān)小，最后的污油殘開(kāi)度最小，目的時(shí)通過(guò)控制開(kāi)度來(lái)控制各艙進(jìn)氣量盡量相等，當(dāng)然，還要結(jié)合各艙實(shí)際的貨油溫度和需要達(dá)到的貨油溫度值。加溫總閥全開(kāi)后轉(zhuǎn)入正常加溫階段。依據(jù)需要調(diào)節(jié)鍋爐負(fù)荷控制進(jìn)氣總量。最節(jié)約燃油的加溫方式是在航程中停加溫，但保持最低溫度不小于凝固點(diǎn)以上10℃，以卸貨溫度減開(kāi)始加溫時(shí)的油溫處于每天溫升，算出需要的加溫時(shí)間，靠泊前提前這段計(jì)算出來(lái)的時(shí)間開(kāi)始加溫，以最短的時(shí)間鍋爐滿負(fù)荷加溫，保證在靠泊時(shí)達(dá)到需要的卸貨溫度。正常加溫時(shí)，主管加溫的大副和木匠要不斷觀察記錄各艙溫度，依據(jù)各艙溫度的增長(zhǎng)率調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，達(dá)到目標(biāo)溫度的貨艙可以先停加溫或開(kāi)一點(diǎn)點(diǎn)保溫。正常加溫過(guò)程中，機(jī)艙要注意鍋爐補(bǔ)水情況，在沒(méi)有放殘的情況下，如果鍋爐用水消耗異常，應(yīng)及時(shí)查明原因。避免油艙加溫管有漏，淡水漏進(jìn)油艙。當(dāng)加溫管狀況不太好時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)各艙回水總閥開(kāi)度，全開(kāi)該艙進(jìn)氣閥來(lái)調(diào)節(jié)蒸汽的流通量。與調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)蒸汽流量相比，調(diào)節(jié)回水閥可以保證貨艙內(nèi)的加溫盤管的壓力高于管外貨油壓力，確保萬(wàn)一艙內(nèi)加溫管有小漏點(diǎn)時(shí)貨油不能進(jìn)入加溫管。只有管內(nèi)蒸汽流入貨艙。

3）停加溫。當(dāng)油艙溫度達(dá)到卸貨溫度以上或油艙內(nèi)貨油卸完時(shí)，需要停止該艙加溫。停止加溫程序時(shí)關(guān)閉該艙進(jìn)氣閥和回水總閥。然后打開(kāi)所用加溫盤管的放殘水閥。放殘水的目的除了把管內(nèi)的殘水放干凈，以防止氣溫低于零度時(shí)管內(nèi)結(jié)冰導(dǎo)致加溫管破裂。還可以從放殘閥通入空氣，確保管內(nèi)外壓力平衡，以防止管內(nèi)蒸汽冷凝后形成負(fù)壓甚至真空，導(dǎo)致加溫管內(nèi)陷破裂。貨油全部卸完后，關(guān)甲板蒸汽總閥，和回水總閥。打開(kāi)蒸汽總管和回水總管放殘閥放干凈殘水并通過(guò)放殘閥確保管內(nèi)外壓力平衡。如果氣溫低于零度，要把各艙進(jìn)氣閥和回水閥與總管之間的放殘閥也要打開(kāi)。甚至要從放殘閥通入壓縮空氣，把各艙加溫盤管內(nèi)的倉(cāng)水也清除干凈，徹底把加溫管內(nèi)所有殘水放干凈。以避免管內(nèi)結(jié)冰導(dǎo)致加溫管破裂。

5.總結(jié)

氣錘現(xiàn)象的瞬時(shí)壓力尖峰沖擊波對(duì)油輪加溫系統(tǒng)的破壞力極大。為最大限度減少氣錘現(xiàn)象對(duì)油輪加溫系統(tǒng)造成破壞，建議采取如下幾點(diǎn)措施：

（1）加溫系統(tǒng)甲板蒸汽總管要有壓力表。

（2）各艙進(jìn)氣總閥盡量靠近加溫總管。

（3）開(kāi)始加溫前所有需要使用的加溫管都要先暖管，避免冷管驟然升溫導(dǎo)致的強(qiáng)大的沖擊力。暖管的蒸汽壓強(qiáng)盡量低，不超過(guò)2KG/cm為宜，但又能把加溫盤管內(nèi)的殘水頂回機(jī)艙。

（4）暖管前先把所有蒸汽管內(nèi)殘存的液態(tài)水放干凈。

（5）暖管時(shí)貨艙內(nèi)加溫盤管的回水要每根都檢查到，確保每根回水都有熱水時(shí)才關(guān)回水放殘閥。

（6）中途停過(guò)加溫或某艙停加溫后管路已經(jīng)冷卻，要再開(kāi)啟加溫時(shí)，也要重新進(jìn)行暖管程序。

（7）暖管以后開(kāi)始加溫時(shí)也要慢慢提高加溫壓力。開(kāi)始鍋爐最低負(fù)荷工作，慢慢打開(kāi)甲板進(jìn)氣總閥，進(jìn)氣總閥全開(kāi)后再依據(jù)甲板氣錘造成的砰砰響聲的有無(wú)或大小慢慢提高鍋爐壓力到正常工作壓力。

（8）停加溫時(shí)關(guān)閉進(jìn)氣閥的速度不宜太快。

（9）停加溫后要及時(shí)打開(kāi)放殘水閥放殘水并平衡管內(nèi)外壓力。

（10）氣溫零下時(shí)，還要注意管內(nèi)不流通的液態(tài)水可能結(jié)冰，如果遇上極寒天氣（低于-10℃），放殘閥也可能結(jié)冰堵住管路，導(dǎo)致放不了殘水，管內(nèi)結(jié)冰膨脹導(dǎo)致加溫管破裂。這種情況下要謹(jǐn)慎中途停加溫。停加溫后要及時(shí)放干凈所有殘水，必要時(shí)用壓縮空氣吹管以吹干管內(nèi)殘水。