油船货油舱透气系统布置

何成能，赵 波

（上海外高桥造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

油船作为满足海上货物运输需求的三大主力船型之一，主要用来运输石油产品。确保该类型船舶在航行和装卸货物过程中的安全至关重要，其中对货油舱透气系统进行研究是确保油船安全运营的措施之一。 油船在装卸货物和正常航行过程中，受大气温度、海水温度和货油加热温度变化的影响，其气密货油舱内油气的体积会发生变化，气压会随之升高和降低，并可能导致油气排出或气体进入；在装卸货物和驱散货油舱内的油气过程中，由于不允许油气排到大气中，需进行舱内气体与岸上装置的交换。这些气体都需通过船上专门的透气系统进行传送，以确保舱内的气压不会过度变化，以免船体结构因变形过大而破损。因此，油船货油舱透气系统的主要作用是防止货油舱内的油气含量超过设计值，以确保船舶安全运营。本文主要对装有惰性气体的油船的货油舱透气系统的布置进行分析和研究。

1 货油舱透气系统的主要作用

1.1 舱内气体的交换

为保证后续作业安全，通常在空舱情况下更换舱内气体，主要包括惰化、驱气和除气等3种作业。新 建的油船和经过洗舱并驱气的油船都需在装油之前进行货油舱惰化，用惰气替换掉舱内的空气，使舱内的氧含量降至8%以下，从而得到一个惰性的环境，以具备装油条件。除气实际上是对货油舱做进一步惰化，用惰气清除舱内的碳氢气体，使其含量降至可燃极限以下（浓度＜2%），以保证后续工作过程中即使有空气进入也不会助燃。驱气的目的是将新鲜的空气充入舱内，以去除有毒气体、可燃气体和惰性气体，使舱内气体的氧含量达到21%，进而使人能进舱作业。这3种常规作业的气体交换情况见表1。

表1 油船常规作业的气体交换矩阵

国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）推荐的气体交换方式[1]有稀释和置换2种。

1) 稀释主要是通过将替换的气体与整个舱内的气体充分混合并排出，在持续流通的情况下逐渐降低舱内气体的浓度，使其达到规定值。这种方法通常需充入大流量的替换气体对舱内的气体进行稀释，流通路径越充分，稀释效果和速度越显著。图1为稀释法图例。

图1 稀释法图例

2) 置换是注入轻质气体并缓慢压入，有层次地将舱内较沉的气体从底部出口推出。这种方式对流量的要求不大，但流速不能过快。图2为置换法图例。

图2 置换法图例

舱内气体需进行充分而有效的替换，IMO推荐的3种典型布置见表2。

表2 IMO推荐的3种典型布置

1.2 保证舱室运营安全

舱内气体的压力对舱室运营安全有重要影响，在装卸和运输货油过程中，利用透气系统始终保证舱内气体的压力在设计规定的安全范围内，通过向货油舱输送惰性气体保持舱内具有一定的安全压力。在油船满载航行和装卸油过程中，都需保持舱内压力的稳定。透气系统总管也设有压力真空保护装置，可容纳来自油舱的油气。涉及以下4种工况：

1) 货油装载。装油时，货油舱顶部气压升高，通过惰气系统将油气输送给岸上设备。

2) 货油卸载。卸油时，货油舱顶部气压下降，通过惰气系统补充惰气。

3) 原油洗舱。为节省时间，原油洗舱通常与卸货同时进行；为保证洗舱作业的安全，需向舱室内注入惰气。

4) 装油航行。为保证航行安全，一方面应通过惰气支管补惰气和高速透气阀排气的方式确保在温度变化的情况下舱内的压力处于安全范围内；另一方面在恶劣海况下船舶大幅度摇晃时保证货油不至于从顶部出口向外拍击而产生喷溅，将高速透气阀布置在靠船中比较高的位置。

2 油舱透气系统布置分析

2.1 货油舱透气的型式

2.1.1 公用总管透气

公用总管透气就是从每个货油舱的顶部引出一路透气支管，汇集到主甲板上的一根总管上，透气总管一般与油船的惰气系统合用，最后经透气桅排出。透气桅高度至少需 6m，以保证油气放出之后能在距离甲板比较高的安全位置被自然风充分稀释吹散。

通常在透气桅前设置一只呼吸阀，用以调节温度引起的舱内压力变化。在装有惰气系统的油船上，空气是不允许进入货油舱的，以避免破坏其惰性；当舱内的真空度达到一定数值时，通过补充惰气来增大气压。呼吸阀旁通一只手动阀，一般常闭，用来在装卸货油或压载水时满足舱内气体的进出需求。然而对于大型油船，其吃水比较深，透气桅通常距离装油码头比较近，用透气桅排放不安全，且在港口排放油气会造成环境污染。因此，对于装惰气回收系统的油船，在装油时都是通过惰气系统的油气回收管路将油气排出舱顶并送到岸上专门的回收装置，而在卸油时则是向舱内补充惰气。

2.1.2 独立式透气

独立式透气即单独为货油舱透气设置的装置，一般采用高速透气阀，使舱内气体排出的速度高于火焰传播速度（＞30m/s），比自由流通式透气布置得更低。该装置的排出口应设置在距离甲板至少 2m的高度处[2]；根据挪威船级社（Det Norske Veritas，DNV）规范，吸气口需设置在距离甲板至少1.5m的高度处[3]。

高速透气阀除了用来调节温度以及装卸货油和压载水时引起的舱内压力的变化以外，还用来对货油舱进行除气，保证舱内空气压力在规定范围内，即压力≤0.021MPa，≥0.007MPa[4]。与总管集中透气相比，独立透气的特点是货油舱之间彼此不连通，可避免装载不同油品时的油气混合问题。

2.1.3 经由货油管MANIFOLD的驱气盖

在主甲板货油集管区设置驱气盖，目的是构建一套从货油舱顶部注入惰气或新鲜空气，经货油管路到主甲板驱气盖，从而排出原有油气混合气体的系统。驱气盖要求装有防火网，并距离操作平台2m以上，远离火源10m以上[2]。这种通过货油系统设置驱气盖的方式比较灵活，在不影响底进顶出模式的前提下，实现以顶进底出的方式进行气体置换。

2.2 布置分析

舱内气体的交换对布置有实际要求，即保证气体得以高效、充分地交换，重点是合理设定进气口和排气口的位置并保证足够的距离。按照SOLAS公约要求，驱气和/或除气的布置应能使由于空气中可燃气体的散布和液货舱内可燃混合气体的存在而造成的危险降到最低，使碳氢化合物蒸气在液货舱内部形成的空穴积聚降至最低；对于单个液舱，排气管位置应尽可能地远离惰性气体和空气进口[2]。图3为进出口对角线布置。从图3中可看出，IMO推荐的第II种和第III种布置方式是进出口为对角线排布，可实现以上要求。

图3 进出口对角线布置

在安全方面，除了防止晃荡而要求高速透气阀布置在靠近船中的部位以外，其他工况对布置的位置无严格限制。下面根据实船不同配置，结合上述分析，针对舱室气体交换的方式，讨论几种可能的合理布局。

1) 路线A。根据某些船东的经验，欧洲港口出于环境保护考虑，不允许卸油的船在卸油期间有油气排出或溢出；满载的油舱因液面较高，越靠近油面，油气浓度越高[5]。油气溢出通常不是船东刻意为之的，而是由于港口昼夜温差较大使舱内压力发生变化所引起的。因此，在进港卸油之前，港口方面要求提前对货油舱顶部的油气浓度进行稀释。这种要求可通过惰气支管进气、高速透气阀出气的方式实现，即通过顶进顶出的布置I方案。这就需要保证惰气注入口与高速透气阀保持一定的距离（例如一前一后布置），使换气得以充分进行。这种换气同样可用于货油舱换气，但因底部距离较远，效果不好。

2) 路线B。通过驱气风机引入空气或惰气，从惰气总管与货油总管的连接管进入货油管系，并通过油舱尾部的吸入口注入，排气可通过布置在油舱前部的惰气分支管进入惰气总管，经由透气桅排出（见图4），属于“布置II”型，舱内气体交换充分。

图 4 路线 B

3) 路线C。对于额外在货油系统配置驱气盖的油船，除了走路线B的路径以外，还可采用顶进底出的“布置III”（见图5）。应注意，这种布局不涉及货油与惰气的连通管。惰气支管和货油吸入口均可作为排气口和进气口，而高速透气阀（需带有驱气盖）仅能作为排气口。考虑到气体流通路径的覆盖效果，路线B和路线C中的高速透气阀作为辅助排气口。

4) 路线D。可将路线B中的高速透气阀与惰气支管的位置对调。

需注意的是，有些船东为方便阀门集中操作，会将货油和惰气连通管放在船中的集管区域，这种情况下若采用布置II，只能通过高速透气阀排气，惰气支管应关闭。图6为路线E冲突布置，走路线B是行不通的。在此情况下高速透气阀宜布置在舱的前部。当然，若货油系统设置有驱气盖，路线C由于不受连通管的影响，也可实现舱室的换气。

图 5 路线 C

图6 路线E冲突布置

3 结 语

油船根据不同的配置，可选择的透气布置见表3。

表3 布置方案矩阵

综上所述，实船的布置取决于透气系统的配置和换气路线的选择（即操作方式），有以下方案可供实船决策：

1) 路线C由于不受连通管的影响，给方案2和方案4带来双向换气的灵活性；

2) 连通管布置在船中时的换气方案相比布置在艉部时要少，且要求高速透气阀必须在舱室前部。

3) 路线C的甲板排口位置与路线D是相反的，若同时采用，必须将高速透气阀和惰气支管同时放在舱的前部（见图 7）。这种方案能否采用需经与船东讨论其是否满足在进港卸油之前进行顶部油气驱气要求后确定。

图7 路线C+路线D

4) 高速透气阀应布置在舱室高点，一般靠近船中，以防止船舶航行过程中因晃荡而引发喷溅风险。