考虑货舱绝热层压力的薄膜型LNG船相关操作要领

何庆华，尹建川，章文俊

(大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 116026)

考虑货舱绝热层压力的薄膜型LNG船相关操作要领

何庆华，尹建川，章文俊

(大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 116026)

针对No 96和Mark III两种薄膜型LNG船的屏壁非常薄，承受压力的范围有限的问题，为保证货舱安全，比较分析这两种船型的货物围护系统、货舱和主次绝热层正常压力范围，以及引起压力过高和过低的原因，介绍货舱压力升高、降低可能触发的报警，总结薄膜型LNG船货物操作过程中应注意的问题。

LNG船；薄膜；屏壁；绝热层；货舱压力

液化天然气(liquefied natural gas，LNG)船是运输-161.5℃低温液化天然气的专用船舶，是国际公认的技术含量高、建造难度大、附加值高的船舶，被誉为“造船皇冠上的明珠”[1]。目前，最主流的LNG船包括MOSS型和薄膜型。近年来，薄膜型LNG船所占比例逐年增加，截止2014年底，全球拥有MOSS型LNG船112艘，薄膜型289艘，其他类型20艘。

由于所承运的货物为极低温的液态天然气，其沸点为-161.5℃，极易蒸发。蒸发气(boil-off gas，BOG)使货舱及绝热层压力不稳定。No 96和Mark III两种薄膜型LNG船货舱屏壁非常薄，对压力要求非常高，压力过高或过低都可能损坏货舱屏壁。为保证货舱安全，分析各操作过程货舱压力及绝热层压力要求及可能引起压力变化的原因，总结出操作注意事项。

1 薄膜型LNG船货物围护系统

1.1 薄膜型LNG船

根据《国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则》(IGC Code)规定，薄膜液货舱系非自身支持的液货舱，由邻接的船体结构通过绝热层支持的一层薄膜组成，通常设计蒸气压力应不超过25 kPa[2]。

薄膜型货物围护是由法国的GTT专利公司研发，按其采用的屏壁、绝热材料和施工方式的不同可分为No 96型、Mark III型和CS1型3种。CS1型还处于不成熟阶段，订单也少。下面仅讨论No 96和Mark III型。

1.2 No 96型LNG船

No 96型船的货物围护系统主要包括主、次屏壁和主、次绝热层。

1.2.1 屏壁

No 96型LNG船的液货舱主屏壁和次屏壁都是一层只有0.7 mm厚的殷钢，成分包括36%左右的镍钢合金和64%的铁，具有极低的热膨胀系数，屏壁从而可以做成平板状，无需膨胀接头或形成波纹形。

1.2.2 主次绝热层

主绝热层和次绝热层均由填有珍珠岩绝热材料的结实桦木压板箱组成。主绝热层厚300 mm，次绝热层厚度为230 mm，共计530 mm[3]，这样可以保证日蒸发率为0.15%左右。No 96型LNG船货物围护系统结构见图1。

图1 No 96型LNG船货物围护系统结构

1.3 Mark III型LNG船

Mark III型LNG船的货物围护系统与No 96型类似，包括主、次屏壁和内壁空间、绝热层等。

1.3.1 屏壁

Mark III型船的液货舱主屏壁是1.2 mm厚的波纹状不锈钢，波纹结构可以吸收由于温度降低产生的收缩和船体弯曲运动引起的变形。次屏壁是三层板，厚度约0.6 mm，由两层玻璃纤维布和一层铝箔组成。

1.3.2 绝热层

内壁空间(inter barrier space，IBS)相当于No 96型船的主绝热层，厚度为100 mm。绝热层(insulation space，IS)，相当于No 96型船的次绝热层，厚度为170 mm，都是加强型纤维聚氨酯泡沫材料。Mark III型LNG船货物围护系统结构见图2。

图2 Mark III型LNG船货物围护系统结构示意

2 货舱压力变化情况

薄膜型LNG船的屏壁是货物围护系统最重要的结构，无论是No 96还是Mark III型，屏壁都非常薄，货舱的压力过高或过低都可能损坏屏壁，因此，控制好货舱压力非常关键

目前LNG船的推进动力主要包括单燃料(重油)和双燃料(重油+BOG)两种方式。

对单纯使用重油作为燃料的LNG船，必须配备再液化装置，将BOG再液化后送回货舱，以控制货舱压力的升高；对采用双燃料的LNG船，BOG通过低负载压缩机送至机舱使用，以控制货舱压力的升高[4]。

2.1 压力升高

导致货舱压力升高有很多原因，除了与油船和散装化学品船等其他类型的液货船类似的原因，比如装货期间装货速率过快等，更主要的原因是LNG液货极易挥发[5]。

2.1.1 航行途中

在航行过程中，受天气、海况等影响，液货挥发速率可能不同。当外界温度高、船舶摇摆剧烈时，蒸发速率大，反之蒸发速率小。

满载航行时，由于各舱载货量在98.5%左右，与周围环境热交换面积大，货物蒸发速率大；相反，压载航行时，留存货物少，与周围环境热交换面积小，货物蒸发率就小，见图3。

图3 满载与压载状态货舱热交换

对于利用BOG作为燃料的LNG船来说，航行过程中，自然蒸发气大概可以满足60%左右机舱需要，另外还需强制蒸发部分液货作为燃料。所以在正常情况下，可以用低负载压缩机控制货舱压力；对于低速柴油机船，BOG只能通过再液化的方式送回货舱以控制货舱压力。

2.1.2 装货中

LNG船装货过程中，如果货舱内的BOG不排出，随着货舱空间减小和货物蒸发，货舱压力将急剧上升，即使在港期间机舱使用部分BOG，也很难控制货舱压力的上升。所以多余的BOG将通过回气管线(vapour return line)送回岸罐，以保证货舱压力稳定。装货前应将两台高负载压缩机备妥，必要时使用1台或2台高负载压缩机将BOG送至岸罐。

2.1.3 卸货中

LNG船在卸货过程中，虽然货物在蒸发，但货舱空间增大较快，总体货舱压力在减小，必须补充货物蒸发气。通常由岸方通过回气管线对货舱补气，以保证货舱压力稳定。

如果岸方无法提供回气，船方可以利用强制蒸发器将部分液货强制蒸发送回各货舱，自行解决回气问题，从而不影响卸货作业。

2.2 压力降低

导致货舱压力下降的原因主要包括卸货速率过快。

当舱压降低至3 kPa时，发出低压报警；当舱压降低至2 kPa时，发出低-低压报警，货舱保护系统自动开启(货泵停止，压缩机停止，喷淋阀关闭)；当舱压进一步降低至-1 kPa时，货舱安全阀(safety valve)打开，吸入空气，避免舱压进一步降低。

2.3 货舱压力范围

航行过程中，通过低负载压缩机控制，BOG抽至机舱使用，使货舱压力保持4～19 kPa范围。压载航行时，保持舱压7～19 kPa；满载航行时，保持舱压4～9 kPa，因为满载时货物蒸发量大于压载时的蒸发量，舱压更容易升高。

当舱压升高至20 kPa时，发出高压报警；

当舱压升高至22 kPa时，发出高-高压报警，喷淋泵、喷头自动关闭；

当舱压升高至23 kPa时，排气阀自动打开，BOG通过No.1透气桅进入大气(当舱压降低至21 kPa时，排气阀自动关闭)；

当舱压进一步升高至25 kPa时，货舱安全阀打开，BOG通过本舱透气桅进入大气。

薄膜型LNG船货舱压力管理要点见图4。

图4 货舱压力管理要点

3 绝热层压力变化情况

绝热层内充满氮气，通过压力控制系统可以自动控制绝热层内的压力。

3.1 绝热层充氮

3.1.1 充氮目的

LNG船建造后，其绝热层内是潮湿空气，投入营运前应用干燥氮气将潮湿空气置换，使绝热层含氧量低于2%，其目的为[6]：

1)如果LNG货物泄漏，可以避免形成可燃气体与空气的混合物。

2)一旦LNG货物从货舱屏壁泄露进入绝热层，容易被探测。

3)干燥的氮气可以起到防止腐蚀的作用。

3.1.2 操作程序

1)No 96型。对No 96型LNG船而言，由于绝热层较厚，空间大，船舶配备2台真空泵。往绝热层充入氮气前应用真空泵将其抽成真空，压力约为200 kPa(绝对压力)，表压为-800 kPa。

一般需进行3次气体交换才能使绝热层的含氧量低于2%。

操作过程中，始终保持货舱压力大于主绝热层，主绝热层压力大于次绝热层[7]。

2)Mark III型。 对Mark III型LNG船而言，由于绝热层空间较薄，船舶一般不配备真空泵，往绝热层充入氮气前应用便携式真空泵(根据船舶制造合同，厂方提供或船东自己解决)，操作程序同No 96型。

操作过程中，始终保持货舱压力大于IBS压力，IS压力大于IBS。

3.2 绝热层压力控制

3.2.1 No 96型LNG船

No 96型LNG船的主绝热层正常压力为0.4～0.6 kPa，次绝热层正常压力略小于主绝热层压力，为0.2～0.4 kPa，保证货舱、主绝热层和次绝热层压力递减，有利于保护主屏壁和次屏壁。

当主绝热层压力升高至1 kPa时，主绝热层安全阀自动打开，氮气通过本舱的透气桅进入大气；当次绝热层压力升高至1 kPa时，次绝热层安全阀自动打开，氮气直接进入甲板。

当绝热层压力回落至0.95 kPa时，安全阀再次自动关闭。

3.2.2 Mark III型LNG船

Mark III型LNG船内屏壁空间(IBS)正常压力为0.5～1.0 kPa，绝热层空间(IS)的压力比IBS高0.2～0.7 kPa。

IBS安全阀设定值为3 kPa，当IBS压力升至3 kPa时，安全阀自动打开(压力回落至1.8 kPa时自动关闭)，氮气通过本舱的透气桅进入大气；IS安全阀设定值为3.5 kPa，当IS压力升至3.5 kPa时，其安全阀自动打开(压力回落至2.1 kPa时自动关闭)，氮气直接进入甲板。

4 操作注意事项

薄膜型LNG船对货舱及绝热层压力控制非常严格，如果不慎造成货舱压力过高或过低，都可能损坏货舱薄膜，造成巨大损失。因此，在货物操作过程中，必须严密监控货舱及绝热层压力[8]。

1)货舱预冷前应适当提高绝热层压力，以补偿因货舱降温导致绝热层降温进而压力下降；

2)装货前，应先将高负载压缩机备妥，当舱压升高时，及时启动高负载压缩机，将蒸发气送至岸方，以保持舱压稳定；

3)卸货过程中，如果岸方无法提供回气或回气量不足而导致货舱压力持续降低时，应启动强制蒸发器，将船上的液货强制蒸发，通过高负载压缩机送至各货舱，保持货舱压力稳定[9]；

4)航行中，密切监测货舱压力，尤其是天气恶劣时，货舱压力可能因为剧烈摇晃而升高，应及时调整船速，增加燃气使用量，保持舱压稳定；

5)各货舱安全阀应严格按照使用说明书进行测试、保养。

5 结束语

由于No 96和Mark III两种薄膜型LNG船货物围护系统的结构和压力要求大体相同，船员在操作过程中容易忽视二者的差异，可能造成货物维护系统损坏。本文总结出No 96和Mark III两种薄膜型LNG船货物围护系统的结构、各个货物操作过程中应保持的压力范围和注意事项，期望为船员和相关公司管理人员提供理论依据，确保货舱安全。

[1] 宋吉卫.大型LNG船舶型设计研究[J].中国造船，2012，53(4)：165-170.

[2] 腾 蓓，陆 晔，祁恩荣.LNG 船液舱围护系统结构极限承载力研究[J].舰船科学技术，2012，34(2):36-39.

[3] 中国海事服务中心.液化气船货物操作[M].大连：大连海事大学出版社，2012.

[4] 李远朋.LNG船的分类及相关技术问题[J].内蒙古石油化工，2013(19)：114-116.

[5] SIGTTO.Liquefied gas handling principles on ships and in terminals[M].3rd ed.London:Witherbys,2000.

[6] SIGTTO.Gas concentrations in the insulation spaces of membrane LNG carrier[M].London:Witherbys,2007.

[7] Witherbys.LNG Shipping knowledge[M].Livingston,2008.

[8] 张建斌，林志豪，魏伟坚,等.液化天然气(LNG)船舶安全监督管理[M].大连：大连出版社，2010.

[9] WITHERBYS.LNG Operational practice[M].London:Witherbys,2006.

Related Operation Essentials of Membrane Types LNG Carriers on Considering the Pressure of Cargo Tank and Insulation Space

HE Qing-hua, YIN Jian-chuan, Zhang Wen-jun

(Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

Considering the pressure of cargo tanks of membrane type LNG carrier including No 96 and Mark III can bear is limited due to their very thin barriers, in order to protect cargo tanks, cargo containment systems of the two types of LNG carriers are interpreted, as well as the routine working pressure range of cargo tanks and insulation spaces of these two membrane types LNG carrier. The reasons of over pressure and under pressure are also presented. The alarms may be activated due to high or low pressure of cargo tanks are specified, and the precautions to be paid during cargo operations for LNG carrier are summarized.

LNG carrier; membrane; barrier; insulation; cargo tank pressure

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.002

2015-07-27

交通运输部应用基础研究项目 (2014329225010)

何庆华(1971-)，男，硕士，副教授

U674.13+3.3

A

1671-7953(2015)06-0006-04

修回日期：2015-09-07

研究方向:航海学

E-mail:capt_he@163.com