油轮加温系统防止气锤现象损坏措施探讨

2022-08-04李德鑫陈丽宁陈昌明广州航海学院

珠江水运 2022年13期

李德鑫陈丽宁陈昌明广州航海学院

1.前言

设计用来装运原油和燃料油的油轮一般货油舱都配有加温系统。油轮装运的货油温度一般都低于70℃，加温介质通常为水蒸气。油轮加温系统由位于机舱的锅炉系统、蒸汽总管和位于甲板的蒸汽总管、各货舱分管、货舱内加温盘管、回水分管、回水总管和相应的阀件、压力表和用于放残水的管线等部件组成。锅炉蒸发的水蒸气通过加温总管、各货舱分管和控制阀件输送到需要加温的货油舱内的加温盘管内。通过货油舱的各组加温盘管使盘管内的水蒸气和盘管外的货油进行热量交换，水蒸气冷却液化并释放出大量热量，加温盘管周围的货油吸收热量而温度升高。再通过对流传热把热量传给油舱内的其他货油，使整个油舱内的货油温度升高或保持。液化的冷凝水通过回水管流回锅炉热水井循环使用。油轮加温系统在使用过程中如果布置不合理或操作不当，经常会造成设备的损坏。

气锤现象是对油轮加温系统造成损坏的主要原因之一。气锤现象一般是指输送流体的管路内阀门突然关闭或相关动力泵突然停止时，管道系统内运动中的流体原有的运动惯量会使其继续流动形成压力冲击波，从而对封闭管道系统的所有物体造成明显作用力。这种冲击波时间虽然极短，但压力尖峰值可能很大，可达到正常工作压力的几倍甚至几十倍，对管内的设备造成巨大的破坏。油轮加温系统进气管内流通的是蒸汽，所以气锤现象对油轮加温系统蒸汽管道的破坏尤为严重。油轮加温系统的气锤现象破坏力最强的阶段是开始加温阶段。本文对油轮加温系统防止气锤现象损坏进行了研究。首先从克拉伯龙方程入手，研究了管道内理想气体压强、温度、体积与质量的关系。进而以巴拿马籍油轮“P”轮加温系统阀门和管路损坏原因分析为例，揭示气锤现象对油轮加温系统造成破坏的原因，并给出了此类事故的预防措施。

2.油轮加温系统气锤现象产生的机理

将油轮管道系统中的气体视为理想气体，用克朗伯龙方程描述其压强、体积、物质的量、温度的关系为：

其中，P是压强（单位：Pa），V是体积（单位：m），n是物质的量（单位：mol），T是温度（单位：K），R是一常数。从式（1）可知，管内V不变时，P随n、T的增加而变大。加温前，管道内温度和气压与管道外相同，即常温、一个大气压。当开启加温时，蒸汽的流动速度明显加快。100℃以上的蒸汽流入封闭的常温下的蒸汽管内时，如果蒸汽管的阀门关闭不流通，管内温度骤然升高到100℃以上，新流入的蒸汽使管道内气体的量也骤然增大，管道内压力也相应骤然升几十、甚至几百倍，形成冲击波，严重时导致设备损坏。这就是油轮开始加温阶段经常能听到蹦蹦响的原因。

当蒸汽管道内通入蒸汽前存在液态水时，蒸汽的流入使蒸汽管内温度快速升高到100度以上，管内的部分液态水转化为蒸汽，同时体积急剧增加。管内压力再迅速升高，增大了压力。在气流的冲击下，液态水以较高的速度冲击管道系统，由于液体水的密度远大于蒸汽的密度，高速运动的液态水具有的动能也更大，遇到阻力例如关闭的阀门时冲击力也更大，加大了管道内瞬时压力尖峰值，有时可以达到正常压力的几百上千倍。

3.案例分析-“P”轮加温系统阀门和管路损坏原因分析

3.1 “P”轮加温系统阀门和管路损坏经过

以4.6万吨级巴拿马籍油轮“P”轮左污油舱加温进气总阀损坏和总阀前的进气总管破裂原因分析为实例。“P”轮阀件损坏经过如下：本船在加温总阀边上有旁通的小管用于暖管，阀损坏前多数货油舱一直用这根旁通管在暖管保温，但损坏的右污油舱的加温进气阀是关闭状态。后来准备开始加温，大副指挥大管轮开启加温总阀，开启靠前的部分货舱的加温管路后，用对讲机叫大管轮慢慢打开通往甲板的加温总阀，大副开启右油污舱进气前的放残阀放水，听到蹦蹦声，不久发现左污油舱阀门的阀杆两侧铸铁的固定支架断裂。立即叫大管轮停止加温。第二天发现与这个阀相连的加温管有内陷的裂纹破洞。图1为“P”轮损坏的加温进气总阀门，图2为检修现场，图3为加温管有内陷的裂纹破洞。下文从油轮加温系统管路、阀件等设备的设计布置和日常加温操作程序两方面探讨防止气锤现象造成油轮加温系统损坏的措施。

图1 损坏的加温进气总阀门

图2 检修现场

图3 加温管有内陷的裂纹破洞

3.2 损坏原因分析

“P”轮右污油舱加温进气管处于关闭状态，没有蒸汽流通，但与蒸汽管相联通。由于气温较低，在10℃以下，右污油舱加温进气阀离加温管较远，该阀附近的加温管材质温度低且处于最低位置，蒸汽在这段管内冷凝成液态水。污油舱加温管最靠近机舱，加温蒸汽总阀开启后，蒸汽总管压力突然增大，蒸汽首先流入没有暖管、还处于冰冷状态的污油舱的加温进气管内，管内温度骤然升高几十倍。同时管内气体的量也大幅增加，由式（1）可知，管内压力波峰值是温度骤升量和气体增加量的乘积，瞬时压力峰值较大。管内残存有液态水，特别是断裂的右污油舱的加温阀离加温总管较远，并经过两次缩了管径。加温总管直径24cm，连接到加温总管的分管直径是14cm，中途再由直径14 cm变为直径12 cm。管径变小时，管内流体的流速变大，蒸汽的流动速度更快，管内温度变化率更大。快速流动的蒸汽推动还没汽化的液态水高速运动冲击左污加温进气闸阀的底部，形成气锤现象，强大的瞬时冲击压力尖峰值使与阀管相连承受这个冲击力的支架断裂。一年内相同位置的阀的同一部位断了三个阀门，这三个阀门均为同一批产品。当然，阀件质量和操作程序也可能是阀件断裂的原因之一。

加温管内陷裂纹原因是加温停止后，由于外界气温较低，管内蒸汽迅速冷却凝固，由于没有打开加温进气管进空气平衡管内外压力，管内形成真空，由于加温管状况不佳，导致在管路的薄弱部位形成内陷裂纹。所以设备损坏的直接原因是气锤现象，根本原因是管路布置不合理和加温操作程序存在问题。

4.减少气锤现象对油轮加温设备的损坏的建议

可以从两方面减少气锤现象对“P”轮加温设备的损坏：改进加温系统的布置缺陷、完善加温操作程序。

4.1 改进加温系统的布置缺陷

“P”轮加温系统的布置缺陷及改进措施包括：

1）加温总管没有压力表。一般油轮甲板面的加温总管前后都有压力表，依据压力表指示的压力调节加温各阶段的加温压力。“P”轮加温总管没有压力表，大管轮只能依据个人经验调节压力，不能准确调节到需要的压力。阀件损坏时操作蒸汽总阀的大管轮刚上船第一航次，操作加温阀的经验不足。建议该船在甲板面加温总管增加压力表，大管轮可以观察压力调节进气阀的开度。

2）左污油舱加温管进气阀离加温总管较远。且进气阀前面一段管路位于最低位置，容易积水。由于前面的管路直接连接到加温总管，当右污油舱不加温、关闭加温进气阀时，这段管路内的蒸汽不流通，慢慢冷却凝结成液态水，在极寒天气下可能还结冰，导致管路堵塞。所以，建议所有加温管各舱的进气分阀尽量布置在靠近加温总管的位置处。确保再船舶营运区域的最低气温下，蒸汽总管使用时，各舱分管进气阀附近分管内温度不会降到冷度以下。如果各舱进气阀离总管较远，可能导致在极寒天气下，关闭了进气阀的货舱直通总管的加温分管内的水蒸气凝结甚至凝固结冰。

4.2 完善加温操作程序

加温程序与外界温度、船上淡水存量、加温设备状况等不同而有所不同。也与操作人员的工作习惯有关。一般来说，可以遵从如下程序：暖管、正常加温、停止加温。

1）暖管。由于饱和蒸汽的温度与压力相关，蒸汽压力越大，温度也高，流通速度也越快，造成的冲击波也越大。所以在开始加温前要先暖管，以较低的蒸汽压力，即较低的蒸汽温度和流通速度，尽量降低管内温度变化率，也就降低了气锤现象导致的冲击波的尖峰值，减少破坏力。暖管程序：加温总管开一点点，（压强低于2KG/cm），回水总管最后的放残阀打开。从前往后逐个舱暖管。先打开该舱进气总阀和各根加温盘管的进气阀和回水阀，然后打开每根加温盘管回水放残阀，检查回水是否有油花，如果有油花，说明这根盘管有漏，不能使用。要先封起来，待修好后才能使用。否则，混在回水管内的油回到机舱热水井将很危险。如果残水正常，没有油花，每根盘管放残到有热水出来时就可以关闭放残阀。然后再暖其他舱的加温管，当所有舱都暖管结束后就可以转入正常加温阶段了。

2）正常加温。逐步提高蒸汽压力，提高过程观察各舱情况，特别注意听听是否有气锤现象造成的蹦蹦声。如果有声音，放慢压力提高速度。各舱加温进气阀的开度由前往后逐步关小，即离机舱最远，最前面1舱加温进气阀全开，往后依此关小，最后的污油残开度最小，目的时通过控制开度来控制各舱进气量尽量相等，当然，还要结合各舱实际的货油温度和需要达到的货油温度值。加温总阀全开后转入正常加温阶段。依据需要调节锅炉负荷控制进气总量。最节约燃油的加温方式是在航程中停加温，但保持最低温度不小于凝固点以上10℃，以卸货温度减开始加温时的油温处于每天温升，算出需要的加温时间，靠泊前提前这段计算出来的时间开始加温，以最短的时间锅炉满负荷加温，保证在靠泊时达到需要的卸货温度。正常加温时，主管加温的大副和木匠要不断观察记录各舱温度，依据各舱温度的增长率调节进气量，达到目标温度的货舱可以先停加温或开一点点保温。正常加温过程中，机舱要注意锅炉补水情况，在没有放残的情况下，如果锅炉用水消耗异常，应及时查明原因。避免油舱加温管有漏，淡水漏进油舱。当加温管状况不太好时，可以通过调节各舱回水总阀开度，全开该舱进气阀来调节蒸汽的流通量。与调节进气阀调节蒸汽流量相比，调节回水阀可以保证货舱内的加温盘管的压力高于管外货油压力，确保万一舱内加温管有小漏点时货油不能进入加温管。只有管内蒸汽流入货舱。

3）停加温。当油舱温度达到卸货温度以上或油舱内货油卸完时，需要停止该舱加温。停止加温程序时关闭该舱进气阀和回水总阀。然后打开所用加温盘管的放残水阀。放残水的目的除了把管内的残水放干净，以防止气温低于零度时管内结冰导致加温管破裂。还可以从放残阀通入空气，确保管内外压力平衡，以防止管内蒸汽冷凝后形成负压甚至真空，导致加温管内陷破裂。货油全部卸完后，关甲板蒸汽总阀，和回水总阀。打开蒸汽总管和回水总管放残阀放干净残水并通过放残阀确保管内外压力平衡。如果气温低于零度，要把各舱进气阀和回水阀与总管之间的放残阀也要打开。甚至要从放残阀通入压缩空气，把各舱加温盘管内的仓水也清除干净，彻底把加温管内所有残水放干净。以避免管内结冰导致加温管破裂。