液货船液货舱透气系统的设计

冯 坚，张 林

(1.扬州海翔船舶科技有限公司，江苏 扬州 225009；2.陆军装备部驻沈阳军事代表局驻哈尔滨地区第二军事代表室，黑龙江 哈尔滨 150000)

0 引言

船舶航行中，大气温度、舷外水温度和液货加热温度的变化会引起气密液货舱内液货体积膨胀或收缩，使得舱内气压升高或下降。另外，在装卸液货或压载水过程中，舱内气压也会随着舱内液货体积的变化而变化。如果液货舱内的压力或真空超过设计限度，就会导致船体结构的损伤或变形。然而，大多数货品在装运和装卸过程中又不能无任何限制地与外界相通。例如：一些装载有毒液体物质的化学品船，舱内液货挥发出来的气体，不仅可能对海洋产生污染，还会危害人体的健康；一些装载原油的油船，货油舱排出的混合物中还含有可燃碳氢气体，若不能在空气中有效地扩散，将会下沉到液货舱甲板面上，形成可爆炸性气团，严重威胁到船舶的安全。液货舱透气系统是液货舱气体空间与大气相通的专用管系，其作用是通过系统的进排气调节，能使少量的舱内蒸汽从液舱内排出，或少量的气体进入液舱，防止液货舱由于温度的变化出现超过设计值的压力或真空。另外，在装卸货、驱气和除气过程中，能使大量的气体进出液舱，在保护液货舱结构的同时，又避免油气在甲板上聚集引起安全隐患。

透气系统的设计跟船舶所运载货品、装卸率等因素密切相关。规范对运载闪点(闭杯试验)不超过60 ℃和超过60 ℃的货品有着不同的要求，因此设计透气系统时应在遵照规范的相关要求的基础上，充分考虑液货船的型式、所载货品、航行区域及装卸码头的要求。本文首先分析液货船各种透气系统的型式；其次根据规范要求确定透气管出口位置和透气管管径，选择合理的阻火装置；最后提出设计透气系统应注意事项，对液货船的透气系统设计具有参考作用。

1 透气系统的型式

液货船的透气系统可采用多种型式，规范和公约对不同货品的液货船的透气系统的要求也不相同。液货船的透气系统一般有2种基本型式，即开式透气系统和控制式透气系统。

1.1 开式透气系统

开式透气系统是指在正常作业中，液货蒸气进出液货舱自由流动无任何限制的系统，只可用于液货的蒸发气不易燃烧、不易爆炸，吸入时对人体健康无明显危害的货品，主要适用于装运闪点在60 ℃(闭杯)以上成品油船和少数专用化学品船。开式透气系统的结构相对比较简单，主要由透气管和带阻火装置的透气管头组成。

开式透气系统布置有2种型式：独立透气管型式、集中透气管型式布置。其布置型式见图1。独立透气管型式是指每个液货舱顶部设有各自向上的透气管，各舱透气管互不相通。集中透气管型式是指每个液货舱顶部所设的透气管汇集于一根或几根向上的透气总管。开式透气系统无论采用独立透气管的布置型式还是集中式透气管的布置型式，在任何流通情况下均不得在独立透气系统管上或透气集管上装设关断阀或盲板法兰。

图1 开式透气系统布置型式

1.2 控制式透气系统

大多数液货船采用控制式透气系统。控制式透气系统是指每个液货舱均有压力或真空泄放阀以限制液货舱的压力和真空的系统。控制式透气系统也可以采用由每个液货舱的独立透气管组成的独立透气管型式布置，也可以采用将透气管组合于一个或几个集管内的集中透气管型式布置。控制型透气系统在任何情况下，在压力或真空泄放阀上面或下面不应该装截止阀，但在某些操作条件下，可采取对压力真空阀加旁通阀。

1.2.1 公用总管控制式透气系统

公用总管式透气系统是从每个舱最高处引出的透气支管都汇集到1根纵向贯通全船布置的透气总管，该总管末端部分通常沿桅杆或桅柱向上延伸，其透气口出口一般布置在液货舱甲板以上9～12 m处。下透气桅管下部设置1只压力和真空释放阀(呼吸阀)。当液货舱的气压超过规定值，呼吸阀中的真空释放阀自动打开，空气补进舱内降低真空度。在呼吸阀旁边通常设置1只旁通手动开闭阀，平时关闭，当装卸液货时打开此阀，让大量舱内气体排出或外部空气进舱。为防止外界火焰进入液货舱，一般在透气桅管顶部设置阻火装置，有时这种阻火装置设在透气管底部呼吸阀附近处。有些船舶同时装运几种货品，且不允许互相混杂，因而船上的液货舱应分成几组，每一组的液货舱共用1根公用透气管，船上就有几根互不相通的公用透气管。公用总管控制式透气系统布置示意见图2。

1.2.2 独立控制式透气系统

独立式系统是指每一液货舱设有独立的透气系统，有2种型式。一种型式是自由流通式排气，从液货舱顶部引出1根直到离甲板面一定高度的透气管，在管顶部设有1只呼吸阀和1只旁通阀或透气口盖。前者供温度变化引起压力或真空释放之用，旁通阀供装卸油时排气或进入空气之用(在装有惰性气体的船舶上不允许空气进舱，呼吸阀一般情况下是不工作的)。有时用可启闭或带有阻火装置的透气口盖代替旁通阀。有时仅设有呼吸阀，当装液货时用手动结构使呼吸阀的压力释放阀强制打开，让气体流通。这种方式仅适合于小型低装卸速率的船舶，因为呼吸阀的流通能力是比较低的。自由流通式独立透气系统见图3。

图2 公用总管控制式透气系统

图3 自由流通式独立透气系统

另一类型是高速排气型，在各液货舱的透气管顶部安装1只高速透气阀。当舱内压力达到设定值时，高速透气阀中的压力释放阀自动开启排气。由于高速透气阀具有可根据进口压力来调整气流开口大小使得喷出气流速度不小于30 m/s的功能，从而有效地阻止火焰通过。高速排气式独立透气系统见图4。

图4 高速排气式独立透气系统

2 透气管出口位置和高度的要求

规范对开式透气系统透气管出口位置没有限制要求，开式透气系统透气管满足规范对液舱空气管的相关要求即可。例如：其可能进水处距甲板上缘高度应不小于760 mm，透气管开口端不应位于因溢油或油气而发生危险的处所，开口端应设置耐腐蚀和便于更换的金属丝防火网，其净流通面积不得小于该空气管的横截面积等。

规范对控制式透气系统的透气管出口和位置则有着严格的要求，而且对油船和化学品船规定也不一样，其高度和位置应按如下规定布置：

(1)当透气系统采用自由排出方式时，透气管出口应布置在液货舱甲板以上不小于6 m处，且离开含有着火源的围壁处所的最近进气口和开口以及可能构成着火危险的甲板机械和设备的水平距离不小于10 m处。

(2)当透气系统采用高速排气方式(即液货舱排出的蒸气混合物的流速不小于30 m/s)时，油船透气管出口应布置在液货舱甲板以上不小于2 m处，且离开含有着火源的围壁处所的最近进气口和开口以及可能构成着火危险的甲板机械和设备的水平距离不小于10 m处。化学品船透气管出口应布置在液货舱甲板以上不小于3 m处。对于载运有毒货品的船舶该水平距离至少为15 m。

3 透气管口径的确定

开式透气系统透气管的尺寸和数量应满足规范对动力注入的液舱空气管的相关规定，每一个液货舱的空气管总横截面积应至少为其注入管有效截面积的1.25倍。对顶板长度和宽度大于7 m的液舱，应设2根或多根空气管。

控制式透气系统液货舱透气管口径可按以下2个基本要求计算得出：

(1)装载工况时，透气管内流速不得大于40 m/s。

(2)每个液货舱透气管的截面积，应为最大装油速率的1.25倍以上。装油速率可按装货时液货管的管内流速来确定。

(1)

式中：qVL为装油速率，m3/h；V∞为液货管内液体流速，按3.5～5 m/s选取；d∞为液货管的直径，mm。

液货舱透气管最小内径按式(2)计算：

(2)

式中：d为液货舱透气管最小内径，mm；V为透气管内流速，正常按30 m/s计算。

4 阻止火焰进入液货舱的装置的要求

为了阻止产生火焰或发生爆炸，应采取必要的措施，防止易燃混合物的形成。主要采取的方法是控制易燃物质和氧气的混合，或控制氧气或消除发火源。这些措施称为第一类措施。但是在采取这些措施时，由于设备的误操作或故障或失控，仍然会产生火源，这就需要采取第二类措施，及时防止火焰蔓延，特别要阻止火焰进入液货舱，为此，透气系统必须装设阻火装置。

阻火装置主要有2种型式：机械式和高速阀式。机械式阻火装置的工作原理是不允许反应从一个区域向下一个区域传递，通过装置的金属将反应区域内的热量吸收掉。机械式阻火装置内的阻火结构有钢丝网、钢丝团、穿孔板、金属泡孔球、平列金属板条、粒状排列金属填床和卷曲钢丝棒等。高速透气阀的原理是建立在这样的已知条件上的，即火焰速度处于每秒几米到每秒10 m范围内，通过人为地在阻火装置内，制造一个远高于火焰速度的出口气流速度，使火焰不能逆气流进入受保护的液货舱，从而保证反应区域处于安全距离内。高速透气阀是由一个机械阀组成的阻止火焰通过装置，该机械阀可根据入口处压力的大小，调节允许气流通过阀口大小，以保证其出口流速不小于30 m/s。

此外，对装设阻火装置还应满足以下要求：

(1)经过试验和主管机构认可后的阻火装置方可安装管路中及与外界大气相通的出口处。

(2)阻火钢丝网只能安装在蒸气无法经过其透入外界大气的压力真空释放阀进口处，以及液货舱的排气口处。阻火钢丝网必须予以保护，以防止机械损坏。

(3)安装在管路系统中的阻火装置，在要求进行试验时，必须能承受突发爆炸所引起的内压力，不会发生损坏或永久变形。

(4)阻火装置必须能够在结冰条件下使用。

5 压力/真空阀的调整

压力/真空阀主要用于控制式透气系统。根据不同的液货和不同的用途，压力/真空阀需要有合适的调整值。一般除考虑液货舱设计压力外，还应考虑以下几个因素：

(1)考虑限制危险的货物蒸气释放的必要性。有些液货由于其蒸气毒性相当严重，要相应提高其压力/真空阀的调整值，限制其向外释放。

(2)考虑液货舱内保持惰性环境的需要，压力/真空阀也需要有合适的调整值。这种用途的压力/真空阀须能使液舱内在任何时候都保持至少为0.007 MPa的正压力。

(3)考虑到控制易蒸发液货和贵重液货蒸发损失的必要性，也要适当提高压力/真空阀的调整值，以便减少液货的损失。

6 设计时其他注意事项

(1)2018年之前规范对控制式透气系统压力释放开口位置要求是不低于液货舱甲板之上2 m，且离开含有着火源的围壁处所的最近进气口和开口以及可能构成着火危险的甲板机械和设备的水平距离不小于5 m处。2018年钢质海船建造规范及入级规范均把对压力释放开口位置要求修改为跟透气管出口位置的要求一致。

(2)控制式透气系统除了一个主透气装置系统外，还需设有一个辅助透气装置系统作为主系统的备用系统。液货舱的辅助透气装置系统可用压力监控系统替代。

(3)压力/真空阀需要设有用于检查压力真空阀效用的核验柄。同时压力真空阀和阻火装置处还要设有检修平台，以便工作人员维修和检验。

(4)透气系统设计时应防止系统和附件在恶劣气候条件下透气出口处货物蒸发气的冻结、聚集物的产生、大气灰尘或结冰堵塞的可能。船前部的液货舱透气管应有足够的水平坡度以防积液堵塞。

(5)近年来，主管机关要求液货船装卸货时产生的蒸气送到岸上的蒸发气处理系统(VPU)进行回收、消除或分散，以免蒸发气体对海洋产生污染，因此采用控制式透气系统的船舶还应设有用于收集船舶液货舱逸出的蒸发气系统(VECS)。通常可把VESC系统跟液货船的透气系统设计在一起，作为透气系统的一个重要组成部分。

7 结语

船舶采用何种型式的透气系统是由所装载的货品决定的。对于装载闪点在60 ℃(闭杯)以上的、挥发性弱的液货，则可采用较简单的开式透气系统。对于装载闪点在60 ℃(闭杯)以下的、挥发性强的液货，则必须采用控制式透气系统。而在决定采用公用总管式或独立式时，则需要考虑所装的液货品种。如果装运多种液货，一般采用完全独立的系统，其次考虑所装化学品的毒性和反应性危险，因为这些特性也决定有无必要将系统分开。即使所装液货没有上述危险，在采用非独立透气系统时，还必须充分注意防止由于互相污染和不能保持纯度而造成的货损。只有综合考虑各个方面的因素，才能设计出既经济合理，又符合规范要求，同时又满足船东使用要求的合理系统。