油船压力真空/断开装置适用范围探讨

昝彬彬

(中国船级社 江苏分社，南京 210011)



油船压力真空/断开装置适用范围探讨

昝彬彬

(中国船级社 江苏分社，南京 210011)

针对目前业内对于压力/真空断开装置(PV breaker)是否适用于未装设惰性气体系统的船舶存在理解上的差异的问题，从公约条款、各船级社规范，油船装卸货操作要求以及货舱压力故障事故树分析等方面对油船PV breaker的适用范围进行探讨，提出油船PV breaker新的适用范围。

PV breaker；装卸货操作；事故树故障分析

油船由于其本身载运货品的特殊性，在装卸货或外部温度发生变化时，其货舱内均会产生额外的货物蒸汽，从而导致货舱内部压力发生变化，如果不适时进行调整，则最终可能导致货舱结构变形，影响船舶航行安全。因此，为了确保货舱内的压力变化范围始终处于允许的设计值之内，SOLAS公约要求油船必须设置透气系统，以在货舱压力发生变化时，通过自身的透气系统自动调节舱内压力，保证货舱结构安全。PV breaker作为保证货油舱压力平衡的最后一道“屏障”，其重要性不言而喻，然而随着SOLAS公约的几次修订，其适用范围已经发生了很大变更，可不论是船厂、船舶设计院还是船级社似乎都没有完全满足修订后的PV breaker设置要求。矛盾的焦点在于未设置惰性气体系统的(IGS)的船舶是否也应当设置PV breaker。

针对这一问题，从SOLAS公约的历次修订内容、各船级社规范，装卸货操作要求以及基于事故树方法的货舱压力故障分析等方面对油船PV breaker的适用范围进行探讨。

1　公约要求

SOLAS公约对油船透气系统设置压力真空断开装置的要求最早见于SOLAS 81修正案II-2章D部分(油船的消防措施)第62条惰性气体系统，具体要求为：“应在惰性气体供气总管上装有1个或多个压力真空的防护装置，以防止货油舱遭受到[1]：

1)在以规定的最大速率装货油而所有其他出气口被关闭时，产生一个正压超过货油舱的试验压力。

2)或在以货油泵的最大额定排量卸货油而惰性气体鼓风机失灵时，产生负压超过7 kPa。

3)上述压力真空断开装置的安装位置和数量应符合货油舱透气系统的相关规定。

此阶段的SOLAS明确将PV breaker划为惰气系统的一部分，但由于上述规定并未明确说明PV breaker具体的安装位置和数量，因此SOLAS 83修正案[2]明确：“PV breaker如果不设在货油舱透气系统上，或者不设在各个液货舱上，就应设在惰性气体总管上。

在随后的SOLAS公约修订中，并未过多地涉及PV breaker的相关要求。直到SOLAS 2000[3]修正案对原II-2章中的内容进行了大范围的重新修订，将PV breaker的相关要求重新编入了II-2章C部分第11条结构完整性中，同时删除了II-2章B部分第4条第5.5惰性气体章节中涉及PV breaker的相应内容。

综上所述，与SOLAS 83修正案相比，SOLAS 2000修正案对压力真空断开装置的技术要求并没有大的变化，但这部分内容的所属章节却发生了质的变化，由原来的“惰性气体系统”变更到“结构完整性”章节中，从公约的适用范围来看“结构完整性”章节中的要求应当适用于所有油船而不再仅仅是设有IGS的油船。简而言之，SOLAS 2000修正案对货舱透气系统提出了更高的要求，扩大了压力真空断开装置的适用范围，凡是适用SOLAS 2000修正案的船舶，无论是否设有IGS，均应装设PV breaker。这仅是从公约条款自身的适用范围进行考虑；此外，从PV breaker的保护作用看，对于没有IGS的船舶，如果在装货的过程中其他出气口被关闭，同样也存在货舱超压的风险，因此如果未装设PV breaker，则无法满足上述条款a)的要求，这也从另一点证明即使船舶未设置IGS也应当配备PV breaker[4]。

2　船级社要求

目前各个船级社的规范对压力真空断开装置的适用范围也有着不同的规定(见表1)，其中ABS、DNV-GL、LR均将PV breaker的配备要求明确放在了规范中的惰性气体系统章节，而KR、NK则与SOLAS的布局一致，将PV breaker的相关要求放在了结构完整性一章中[5]。

表1　各船级社对PV breaker的设置要求

正如前面提到的一样，SOLAS 2000修正案已经将PV breaker的适用范围进行了调整,即并不仅仅适用于设有IGS的油船;但ABS、DNV-GL、LR的规范并未及时做出调整，相应的要求仍划归惰性气体系统章节，这显然与公约要求不尽一致。KR、NK的规范虽然根据SOLAS公约做出了调整，但实际情况是，不论是新造船还是营运船，PV breaker仍然仅设置在了设有IGS的油船。这反映出各船级社在PV breaker适用范围的理解上存在差异[6]。

3　实际用途

从SOLAS 2000修正案来看，公约要求油船的透气系统应当由3部分组成即：主透气系统，辅助透气系统以及压力真空断开装置，其中主透气系统的设计和操作应当满足：

1)在任何情况下，由于液货舱内温度变化所产生的少量蒸汽、空气或惰性气体混合物能流经压力/真空阀。

2)在液货装载和压载或卸载过程中，大量蒸汽、空气或惰性气体混合物能够通过。

对于辅助透气系统，其主要作用是在主透气系统发生故障时，确保货舱内部压力仍能保持平衡，保证货舱内部的结构安全。对此，SOLAS公约还明确指出，货舱压力监控(CTPM)可以作为辅助透气系统的替代。目前油船的主辅透气系统大都采用压力真空阀(PV阀)，并通过设定不同的压力真空范围予以区分，一般主透气系统的设定范围在-2.0～+12.5 kPa，辅透气系统则设定在-3.5～+14.0 kPa。PV breaker虽然本身也设定有压力真空范围，一般为-7.0～+21.0 kPa，但其内部构造(见图1)则与主辅透气系统采用的PV阀(见图2)有着根本的区别[7]。

图1　压力真空断开装置

图2　高速压力真空阀

从PV阀的工作原理和内部结构可以看出，即使货油舱内部的压力/真空值超过其设定范围，压力真空阀本身仍能正常工作；然而当货舱内的压力/真空值超过PV breaker的设定范围时，以货舱超压为例，PV breaker内的液体介质将会溢出，从而使得PV breaker所保护的货油舱直接与外部空气连通，避免因内部压力失衡而导致货油舱结构发生损坏；然而PV breaker的保护动作是不可逆的，一旦保护动作被激发，PV breaker自身将随之失效，必须通过重新加注液体介质，恢复其原有功能，这也是PV breaker显著区别于压力真空阀的一个重要特征。因此，虽然压力真空阀与PV breaker虽同属于货油舱的保护措施，但二者的实际功能是不一样的，前者属于典型的透气设备，而后者则更偏向于一种应急设备。

值得指出的是， IACS曾经发布UI SC 140，指出PV breaker可以视为货油舱辅助透气装置的一种，但由于石油行业组织(OCIMF)曾明确表示该装置只能视为一种应急设备，不能作为传统意义上的透气装置。鉴于OCIMF在世界油运市场上的优势地位，绝大多数油船均未直接将PV breaker作为货油舱的辅助透气装置使用[8]。

除了公约规范的要求之外，对于一些经常航行于寒冷区域的船舶而言，不管是否设有IGS，PV breaker对保证货舱内压力平衡都是极其重要的。如果实船未装设PV breaker，而在航行途中由于天气寒冷，压力真空阀被冻住，此时即使货舱压力监控显示货舱压力超标，也很难有及时的补救措施，进而对船舶的结构安全形成威胁。相反，如果船上装有PV breaker，由于PV breaker中液体一般为乙二醇和水的混合物，混合比例为50%，其冰点为-35℃(见表2)，能满足几乎所有航行于寒冷区域船舶的防冻要求，这种情况下，即使货舱压力真空阀被冻住无法透气，在货舱压力超标时，仍可以通过PV breaker将货舱和外界直接连通平衡舱内压力，从而保证货舱结构安全。由此可见，对于没有IGS的船舶，如果其长期航行于寒冷地区，PV breaker作为货舱压力平衡的最后一道“防线”是十分必要的。

表2　乙二醇混合比例表

4　实例分析

某载重量小于20 000 t的油船，透气系统配备见表3，在试航回程途中，按照船东要求所有货油舱进行了“泡舱”试验，即往货油舱中注满海水并保持24 h，随后排干海水对货舱内部涂层进行检查。

表3　某油船透气系统配备情况

然而在排出海水的过程中，由于该轮没有IGS和PV breaker，且在CTPM发出报警时船员未能及时停止排放，致使货舱内出现过低的负压，从而导致货舱内部结构出现变形,见图3。

图3　货舱内部平台板变形

根据此案例，以事故树分析方法为基础，对其可能导致船舶货舱失压的因素进行分析见表4，其中最小割集Er共有4个即(见图4)：P1=(X1,X2,X3)，P2=(X4,X5)，P3=(X6,X7)，P4=(X1,X2,X3)。

表4　货舱失压基本事件1

图4　货舱失压事故树分析1

根据结构事件重要度的计算公式[9]：

(1)

式中：mr——基本事件个数；

k——最小割集的数量。

因此由式(1)可计算出各基本事件的结构重要度为

即：I(4)=I(5)=I(6)=I(7)>I(1)=I(2)=I(3)。

如果增设PV breaker，按照事故树原理进行分析，可能导致货舱失压的基本事件共有8项(见表5)，最小径集共有5项(见图5)即：P1=(X1,X2,X3)，P2=(X4,X5)，P3=(X6,X7)，P4=(X1,X2,X3)，P5=(X6,X7,X8)，根据结构重要度的计算公式可得

即：I(6)=I(7)>I(1)=I(2)=I(3)>I(4)=I(5)>I(8)。

由上述计算可以看出，在增设PV breaker之后，虽然船员自身能力和责任心这类主观因素的结构重要度有所上升，但由于硬件原因导致货舱压力失衡的基本事件的结构重要度却有了明显降低，这也凸显了PV breaker作为透气系统应急设备的重要作用。如果油船增设了PV breaker，船公司可以通过制定更完善的维护保养计划，加强对船员专业技能的培训，来显著降低货舱压力失衡的概率。

表5　货舱失压基本事件2

图5　事故树分析2

图6　无IGS油船货舱失压基本事件结构重要度对比

5　无PV breaker油船改装设想

对于采用表6作为透气系统布置的油船，要想重新满足公约要求则较为简单，只需要在连接各个货油舱的透气总管上增设PV breaker，调整压力设定范围，使其满足公约要求即可。

表6　油船透气系统布置1

对于采用表7作为透气系统的布置的油船，由于其本身并未采用透气总管，而是采用了单舱透气的形式，因此无法直接在透气总管上增设PV breaker，以满足公约要求。对于这种情况，公约也给出了明确的处理方法，即在各个液货舱的透气系统中安装PV breaker，但在咨询过多家高速PV阀生产厂家之后，均被告知目前他们的产品均不具备此功能。

表7　油船透气系统布置2

为此，根据PV breaker的工作原理，借鉴带旁通端高速PV阀的设计理念(见图7)，提出货油舱高速PV阀的改造设想(见图8)：将PV breaker的功能集成到高速PV阀中。但考虑到集成在高速PV阀上的PV breaker体积有限，因此其内部不再适合采用水作为介质，而应当根据实际情况选择比重更大的液体。

图7　带旁通端的高速PV阀

图8　高速PV阀改装设想

总之，不管是直接在透气总管上增设PV breaker还是改造现有的高速PV阀，其最终目的都是确保货油舱压力始终处于三套保护措施之下即：主透气设施，辅助透气设施以及应急切断措施PV breaker，这也是SOLAS的实际要求。

6　结论

1)从公约条款看：根据SOLAS公约中各个章节的适用范围，随着PV breaker的相关要求调整至“结构完整性”章节后，其适用范围也随之进行了扩大。从公约本身看，在SOLAS 2000修正案生效后，适用于SOLAS公约的所有油船，无论其是否设有IGS，都应当配备PV breaker；

2)从各船级社要求看： KR，NK及时根据SOLAS修正案做出了调整，将PV breaker纳入到了“结构完整性”章节，但ABS，DNV和LR仍沿用的SOLAS 81修正案的要求，将PV breaker视为惰性气体系统的一部分。尽管有上述差别，但PV breaker仍然只装设在了设有IGS系统的油船中，这显然是有悖于SOLAS公约要求的；

3)从实际作用看：通过运用事故树原理对货舱压力失衡进行分析，对于没有IGS的油船， 在增设PV breaker作为油船透气系统的一种应急设备之后，可以显著降低由于硬件原因导致货舱压力失衡的概率，对提高船舶结构安全性大有裨益。

因此，无论是从公约条款还是PV breaker对提高船舶结构安全性所起到的作用看，适用SOLAS 2000修正案的油船，都应当设置PV breaker才能满足公约的要求，也能更好地提高船舶安全性。

[1] 《国际海上人命安全公约》(SOLAS)1981修正案[S].北京：人民交通出版社，1981.

[2] 《国际海上人命安全公约》(SOLAS)1983修正案[S].北京：人民交通出版社，1984.

[3] 《国际海上人命安全公约》(SOLAS)2000修正案[S].北京：人民交通出版社，2001.

[4] American Bureau of Shipping (ABS), Rules for Building and Classing [S], 2015.

[5] DET NORSKE VERITAS, Rules for Classification of Ships [S], 2014.

[6] Lloyd’s Register, Lloyd’s Register Rules and Regulations [S], 2015.

[7] Korean Register, Rules for the Classification of Steel Ships [S], 2015.

[8] Nippon Kaiji Kyokai, Rules for the Classification of Steel Ships [S], 2015.

[9] 张景林，崔国璋.安全系统工程[M].北京，煤炭工业出版社，2002.

Discussion of Application for Pressure/Vacuum Breaker on Oil Tanker

ZAN Bin-bin

(Jiangsu Branch of China Classification Society, Nanjing 210011 China)

Due to the different understanding of whether the pressure/vacuum (PV) breaker should be installed on a tanker without inert gas system, the new application range of the PV breaker is proposed based on analysis of convention requirements, class rules, cargo handling regulations and fault tree analysis of cargo tank pressure.

PV breaker; cargo handling; fault tree analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.001

2015-10-27

2015-11-08

昝彬彬(1985-)，男，硕士，工程师

U662.1

A

1671-7953(2016)01-0001-06

研究方向:营运船舶的现场检验与管理

E-mail:zanbinbin@ccs.org.cn