安全返港要求下阀门遥控系统设计方案研究

杨震峰

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

阀门遥控系统主要适用于船舶上人员难以接近的处所内管路系统阀门的控制，如布置在管弄内的压载系统、舱底水系统和燃油驳运系统等。对于阀控系统本身而言，规范没有特别的要求，但是应用于压载、舱底水、燃油等系统时，则需要满足额外的设计要求，如单作用或双作用要求，失电保持或复位要求，驱动装置安装形式等。

在客船上应用时，规范对于客船上的特殊要求，需要通过阀控系统来辅助实现，尤其是对于需要满足安全返港要求的客船。

1 阀门遥控系统基本型式和系统组成

通常，阀门遥控的型式按照阀门驱动介质分为气动、电动和液动三大类。气动采用压缩空气作为介质来驱动阀门开闭，电动采用电动马达来驱动阀门开闭，液动则通过液压动力来驱动阀门开闭，液动阀门还可细分为集中液压式和分布电液式，集中式是通过集中的液压泵站向每个阀门输出液压油来提供液压动力，分布式则是通过安装在每个阀门上的电动液压马达提供液压动力来开闭阀门。

很明显，电动型式阀控系统通过直接的电力输入来驱动阀门，分布电液式阀控系统则通过电力输入转化为液压动力来驱动阀门，集中电液型式是通过直接的液压油输入来驱动阀门。目前，国内外客船及邮轮多使用集中液压式和分布电液式阀门遥控系统。

分布电液式阀门遥控系统（参见图1）主要由遥控阀、阀控箱（包括电源、遥控阀控制模块以及阀位信号模块）以及连接管线组成，而集中液压式阀门遥控系统（参见图2）除遥控阀、阀控箱和连接管线之外，还设置有液压泵站。

图2 集中电液式阀控系统典型图

2 安全返港的规范要求

当客船船长超过120 m 和/或主竖区数量超过3 个，则需要满足SOLAS（国际海上人命安全公约）内安全返港相关规范要求。

安全返港的基本规则就是通过双套、冗余、分隔和保护等措施，使规范所规定的重要系统能够在火灾或浸水事故后依然可用，确保船舶能够依靠自身动力安全返回港口，且具备足够的能力应对下一次可能的事故。

虽然阀控系统本身不是规范所要求的安全返港重要系统，但是压载、舱底水、消防、供水和燃油驳运等采用遥控阀的系统均属于重要系统，事故后可用性的要求往往需要通过阀控系统来辅助实现。因此，安全返港规范中的一些概念定义和要求对阀门遥控的型式和系统设计提出了限制。

在主要的安全返港规范定义要求中，对阀门遥控系统影响最大就是“事故界限”、“非火源处所”以及“手动行为”。

2.1 “事故界限”的定义

根据SOLAS 公约第II-2 章G 部分第21 条第3节［2］的要求：

（1）对于有固定灭火系统的保护处所，发生在A 级限界面以内的火灾事故，属于事故界限以内，否则为超出界限；

（2）对于没有固定灭火系统保护的处所，发生火灾后，界限可延伸至该处所外最近的A 级分隔，但不超过一个主竖区。火灾在此之内为事故界限内，否则为超出界限。

其中“A 级限界面”是指舱壁和甲板，并且在这个定义中并不关注A 级分隔的等级。

事故界限的定义约定了事故的蔓延范围和边界条件。固定灭火系统可以将事故有效限制在A级分隔内，如没有固定灭火系统保护，火灾事故则需考虑蔓延至事故源处所外的A 级分隔内。事故界限的典型图如图3 所示。

2.2 “非火源处所”的定义

根据MSC（海上安全委员会）对SOLAS 涉及安全返港要求的通用解释（MSC.1/Circ.1369 Appendix 1）第8 条第II-2/21.3.2 条中的解释8：“失火危险可忽略不计的处所①不必视作火源处所”。这类处所的举例包括但可不限于：

a） 只具有有限的检查和 /或维护通道的处所，例如：

（1）空舱；

（2）在所有限界处关闭且只包含管道和 /或电缆的围壁通道；和

（3）隔离空舱。

b） 液舱；

……

i） 1、2 或 4 类处所内的 “ A”级环围，其只包含隔离阀，构成固定式灭火系统的一部分以保护起居处所、服务处所和控制站；和部分以保护起居处所、服务处所和控制站；和

j） 只用于该用途的轴隧，即不允许储存。”

这个定义所列举的处所中，只允许固定灭火系统的隔离阀（第i 项）可以布置在非火源处所内，其他所有阀门均限制在外。

而另行定义一个非火源处所，则需要对该处所进行失火风险的评估。

根据MSC.1/Circ.1369 Appendix 1，Interpretation 8 的备注：

“对于“失火危险可忽略不计的处所”即所谓的“非火源处所”，除了上表所举之外，如需重新定义一个“非火源处所”，则需要通过额外的评估。评估应需要考虑不同因素，包括但不限于以下几点：

a） 可燃材料、易燃液体和/或易燃气体的存在；

b） 电器配电板和相关动力的存在；

c） 具有相同用途的处所内失火统计；和

d） 适合所考虑处所的其他计及因素。”

对于分布电液式阀门驱动头是否属于“电器配电板和相关动力的存在”，各个船级社的理解和把控尺度不尽相同，甚至同一船级社内不同审图人员的理解也有较大的偏差。

CCS 船级社对于分布电液式阀控系统的态度相对保守，考虑到其需要直接接入220 V 电源，需要提供详细的分析材料和证明文件，证明这些电液式驱动装置不具备失火风险。但对于集中液压式阀门驱动装置则是完全认可，同时并不认为其具备失火风险。目前来看，CCS 所审的安全返港客船均采用了集中液压式阀控系统。

LR 船级社对于阀控型式持相对开放的态度，基本认同分布电液型式。但是，通过近期其他船厂新项目上的反馈，LR 也在趋向收紧对于分布电液式阀控系统的尺寸，对于布置在非火源处所的遥控阀提出了更为苛刻的失火风险评估要求。

DNV·GL 船级社，接受用于舱底和压载系统的分布电液式阀控系统，并且需要提交遥控阀的失火风险评估。在新项目的认定上，需要通过前期讨论来进一步明确。

RINA 船级社在国内的客船业绩较少，通过其以往在国外豪华邮轮的审核上，接受分布电液式阀控系统。在最新的国内某客滚船项目上，RINA 也开始趋于经过讨论来明确是否接受。

纵观各船级社的态度和趋势，分布电液式遥控阀因其直接接入220 V 电源，适用空间日益狭窄；相对而言，集中液压式的阀控系统或因其失火风险评估相对简单而更容易被接受。

2.3 “手动行为”的定义和要求

根据MSC.1/Circ.1369 第5.2.3 章节：

“5.2.3 船员手动提供船舶系统能力也是可能的，但应详细评估，并考虑到：

（1）手动行为应只在与商定的若干火灾和浸水事故有关的情况下才能被主管机关接受，并应在应按7 编制的文件中清楚地描述；

（2）符合返回港口衡准应基于假定在发生事故后，船舶返回港口或任何重要系统保持运行所要求的任何手动行为：

（1）经预先计划和预先设定，船上有说明和必要的材料；

（2）在设计为确保要求的手动行为能在行动开始起1 h 内完成的系统上进行；

和

（3）经证明在要采取手动行为的区域具有应急照明和通信设施；和

（4）一般来说，手动行为的可行性应经适用的试验或演习证明。”

上述要求中允许通过“手动行为”在事故后恢复安全返港重要系统的可用性，这一设计衡准通常会在特定情况下被采用，这一点会在下文的具体设计方案中详述。

需要指出的是，在国外豪华邮轮的设计中，“手动行为”这一设计衡准的采用越来越少，部分邮轮船东已经明确提出尽可能减少，甚至杜绝人员的“手动行为”，事故后重要系统的功能恢复均通过自动化系统完成，以减少船员的人工干预以及降低人工干预可能造成的误操作风险。

结合安全返港的基本要义和上述安全返港相关定义和要求，阀门遥控系统的设计方案应满足：

（1）安全返港重要系统（如压载、舱底系统等）遥控阀布置时，不能由于一个处所的事故导致整个重要系统的遥控阀均失效；

（2）阀门遥控系统的设备（如阀控箱、液压泵站等）布置时，不能由于一个处所的事故而导致整个阀控系统不可用；

（3）阀门遥控系统的配电也不能因为一个处所的事故而导致整个阀控系统失电失效；

（4）阀门遥控系统内各个设备之间的管线布置，不能由于一个处所内的事故而导致其他处所内的阀控系统失效；

（5）在浸水事故下，舱底水系统的遥控阀应能在舱壁甲板以上进行操作。

3 系统设计实际分析

我们参考实际船型的设计案例，对上述要求提供相应的解决方案：

● 安全返港重要系统（如压载、舱底系统等）遥控阀布置时，不能因某一处所事故而导致整个重要系统的遥控阀均失效

这个要求满足的矛盾点在于能否建立一个完全的水密分舱形式，既能满足液舱（压载舱、空舱、油水舱等）的破舱稳性要求，又能满足安全返港的事故界限要求。破舱稳性的要求基于多个破舱算法，同时水密分舱还需要考虑液舱以上设备舱/货舱的布置情况，因此需要在项目前期就进行细致的规划。参见图4“某豪华邮轮的分舱情况”。

在上述分舱情况下，阀控系统的布置如下页

基于上述布置情况，任一分舱内事故仅仅导致事故处所内的遥控阀失效，通过关闭前后隔离阀，整个系统的其他部分依然可用，满足安全返港的要图5 所示。求。这种解决方案需要总体专业的策划和计算，主要取决于船舶的分舱特性，比较适合大型客船和小型客船。

图5 豪华邮轮阀控系统典型图（无管弄）

对于中型客船和客滚船，通常会在双层底内设置管弄，这就造成压载、舱底水等系统的遥控阀会集中布置在管弄内无法形成完全的水密分舱型式。为满足本条要求，势必要将管弄定义为“非火源处所”，并且和管弄相邻的处所需要设置固定灭火系统保护，除非该处所也是“非火源处所”。管弄布置阀控系统典型图如图6 所示。

图6 管弄布置阀控系统典型图

基于管弄的布置方案，则需要根据不同的船级社要求，对遥控阀本身的失火风险进行评估，以免其本身的失火风险影响整个管弄的“非火源处所”认定。

风险评估应在项目初始阶段就和对应船级社就遥控阀型式达成一致的理解，根据前文所述，集中电液式遥控阀相比分布电液型式更为容易通过失火风险的评估。

● 阀门遥控系统的设备（如阀控箱、液压泵站等）布置时，不能因某一处所事故而导致整个阀控系统不可用

根据MSC.1/Circ.1369 第2.7 章节“2.7 关键系统是在重要系统总体评估中认定的重要系统，其有可能由于一个或多个火灾事故（每个不超过火灾事故临界）或由于一个或多个浸水情况（每个不超过单个水密舱室）不能适当运作。整个系统、一个部件或系统部件之间连接的故障，或导致所考虑的重要系统不能正常运作的任何其他故障，均会导致系统故障。”

本条要求主要是对系统组成设备和部件提出布置和冗余的要求。阀控系统的主要部件除了遥控阀之外，还包括阀控箱和液压泵站（集中电液型式）。无论是阀控箱还是液压泵站，都是具有失火风险的存在，因此不能布置在非火源处所内。对于分布电液式和集中电液式两种阀控系统，分别有两套不同的解决方案：

（1）分布电液式阀控系统解决方案

遥控阀连接方式往往采用环路方案，并设置双套或多套阀控箱（动力控制模块冗余）。主要的控制方式包括适用于数量较小遥控阀的“单组单环路双阀箱”控制方式（参见图7），适用于中等船型且数量较多遥控阀的“多组单环路双阀箱”控制方式（参见图8），以及适用于大量遥控阀的“多组多环路多阀箱”控制方式（参见下页图9）。

图7 单组单环路双阀箱控制方式

图9 多组多环路多阀箱控制方式

无论上述哪种控制方式，都将全船阀门进行分组，通过环形电缆将每组遥控阀串联，一端接入No.1 阀控箱，另一端接入No.2 阀控箱，每组遥控阀和前后两个阀控箱形成一个环路连接，每个阀控箱均可以通过寻址控制模块来控制遥控阀，任意一个遥控阀失去，均不影响其他遥控阀的运行；任意一个阀控箱失去，均不影响阀控系统的运行，从而满足了本条的要求。

对于“多组多环路多阀箱”的控制方式，则需要考虑引入“手动行为”的概念，考虑在某一阀箱因事故失效后，其对应的遥控阀通过手摇泵进行操作，来满足事故后可用的要求。同时，还需要考虑在进行操作的处所内设置必要的照明和通讯。

（2）集中液压式阀控系统解决方案

由于遥控阀上液压驱动单元的局限性，仅允许一对液压管接入，因此无法通过阀控箱的冗余设置来满足本条的要求，同时在此情况下，设置双套液压泵站也无济于事。

因此，这里引入“手动行为”的概念。考虑在事故后，通过人工手动操作来满足系统事故后的可用性，因此需要在遥控阀集中布置的区域，如机舱、管弄、设备舱等处所内设置一定数量的便携式手摇泵，用于事故后对遥控阀进行就地控制。同时，还需要在上述处所内设置必要的应急照明和通信装置。

● 阀门遥控系统的配电也不能因为一个处所的事故而导致整个阀控系统失电失效

本条主要是考虑配电系统在事故中失效后，阀控系统依然能确保其可用，因此需要为系统配置双路供电，分别从两个处于不同防火分隔内的配电板供电。

对于分布电液式阀控系统而言，如采用的是“单组单环路双阀箱”的控制方式，则不必要求每个控制箱双路供电，仅要求两个控制箱分别接自不同电源（见下页图10）； 如采用“多组单环路双阀箱”的控制方式，除中间冗余阀箱需要双路供电外，其他阀箱均可单路供电（见下页图11）；对于“多组多环路多阀箱”的控制方式，则必须为每个阀控箱接入双路电源（见下页图12），以满足本条的要求。

图10 分布电液式阀控系统（单组单环路双阀箱的控制方式）

图11 分布电液式阀控系统（多组单环路双阀箱的控制方式）

对于集中液压式阀控系统，则需要为液压泵站和电磁阀箱均设置双路电源（如下页图13），以满足此要求。

图13 集中液压式阀控系统

● 阀门遥控系统内各个设备之间的管线布置，不能由于一个处所内的事故而导致其他处所内的阀控系统失效

本条主要考虑的是从配电板到阀控箱，从阀控箱到遥控阀之间的管线所经过的处所，发生事故时，不使阀控系统失效。因此，对于分布电液式阀控系统而言，这些系统设备之间的连接均为电缆，这里考虑采用满足 IEC-60331 and IEC-60092 的耐火电缆，已满足本条的要求。

同样对于集中电液式阀控系统而言，如果液压管路经过的处所发生事故，需通过“手动行为”来满足事故后系统的可用性。

● 在浸水事故下，舱底水系统的遥控阀应能在舱壁甲板以上进行操作

本条要求限制了液压泵站和阀控箱的安装高度。浸水事故的限界面主要考虑在舱壁甲板以下，为确保浸水事故不影响阀控系统，建议将液压泵站和阀控箱的布置位置高于舱壁甲板。通信装置；对于系统内部连接管线，应采用满足规范要求的耐火电缆。

这里尤其需要注意各船级社对于遥控阀失火风险的定义和评估，因为这将影响“非火源处所”的认定，故应在项目初始阶段就和船级社达成一致。

4 结 语

在安全返港规范要求下，对于阀门遥控系统而言，从布置上，建议将液压泵站和阀控箱布置在舱壁甲板以上的处所，同时针对分布电液式阀控系统，作为冗余配置的阀控箱应布置在不同的防火分隔内，并且需要双路电源供电；对于集中液压式阀控系统，则将“手动行为”作为其事故后可用性的保证，因此需要在遥控阀相对集中的处所设置便携式手摇泵，以及必要的应急照明和