何成能，趙 波

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

油船作為滿足海上貨物運輸需求的三大主力船型之一，主要用來運輸石油產(chǎn)品。確保該類型船舶在航行和裝卸貨物過程中的安全至關(guān)重要，其中對貨油艙透氣系統(tǒng)進行研究是確保油船安全運營的措施之一。 油船在裝卸貨物和正常航行過程中，受大氣溫度、海水溫度和貨油加熱溫度變化的影響，其氣密貨油艙內(nèi)油氣的體積會發(fā)生變化，氣壓會隨之升高和降低，并可能導(dǎo)致油氣排出或氣體進入；在裝卸貨物和驅(qū)散貨油艙內(nèi)的油氣過程中，由于不允許油氣排到大氣中，需進行艙內(nèi)氣體與岸上裝置的交換。這些氣體都需通過船上專門的透氣系統(tǒng)進行傳送，以確保艙內(nèi)的氣壓不會過度變化，以免船體結(jié)構(gòu)因變形過大而破損。因此，油船貨油艙透氣系統(tǒng)的主要作用是防止貨油艙內(nèi)的油氣含量超過設(shè)計值，以確保船舶安全運營。本文主要對裝有惰性氣體的油船的貨油艙透氣系統(tǒng)的布置進行分析和研究。

1 貨油艙透氣系統(tǒng)的主要作用

1.1 艙內(nèi)氣體的交換

為保證后續(xù)作業(yè)安全，通常在空艙情況下更換艙內(nèi)氣體，主要包括惰化、驅(qū)氣和除氣等3種作業(yè)。新 建的油船和經(jīng)過洗艙并驅(qū)氣的油船都需在裝油之前進行貨油艙惰化，用惰氣替換掉艙內(nèi)的空氣，使艙內(nèi)的氧含量降至8%以下，從而得到一個惰性的環(huán)境，以具備裝油條件。除氣實際上是對貨油艙做進一步惰化，用惰氣清除艙內(nèi)的碳?xì)錃怏w，使其含量降至可燃極限以下（濃度＜2%），以保證后續(xù)工作過程中即使有空氣進入也不會助燃。驅(qū)氣的目的是將新鮮的空氣充入艙內(nèi)，以去除有毒氣體、可燃?xì)怏w和惰性氣體，使艙內(nèi)氣體的氧含量達到21%，進而使人能進艙作業(yè)。這3種常規(guī)作業(yè)的氣體交換情況見表1。

表1 油船常規(guī)作業(yè)的氣體交換矩陣

國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）推薦的氣體交換方式[1]有稀釋和置換2種。

1) 稀釋主要是通過將替換的氣體與整個艙內(nèi)的氣體充分混合并排出，在持續(xù)流通的情況下逐漸降低艙內(nèi)氣體的濃度，使其達到規(guī)定值。這種方法通常需充入大流量的替換氣體對艙內(nèi)的氣體進行稀釋，流通路徑越充分，稀釋效果和速度越顯著。圖1為稀釋法圖例。

圖1 稀釋法圖例

2) 置換是注入輕質(zhì)氣體并緩慢壓入，有層次地將艙內(nèi)較沉的氣體從底部出口推出。這種方式對流量的要求不大，但流速不能過快。圖2為置換法圖例。

圖2 置換法圖例

艙內(nèi)氣體需進行充分而有效的替換，IMO推薦的3種典型布置見表2。

表2 IMO推薦的3種典型布置

1.2 保證艙室運營安全

艙內(nèi)氣體的壓力對艙室運營安全有重要影響，在裝卸和運輸貨油過程中，利用透氣系統(tǒng)始終保證艙內(nèi)氣體的壓力在設(shè)計規(guī)定的安全范圍內(nèi)，通過向貨油艙輸送惰性氣體保持艙內(nèi)具有一定的安全壓力。在油船滿載航行和裝卸油過程中，都需保持艙內(nèi)壓力的穩(wěn)定。透氣系統(tǒng)總管也設(shè)有壓力真空保護裝置，可容納來自油艙的油氣。涉及以下4種工況：

1) 貨油裝載。裝油時，貨油艙頂部氣壓升高，通過惰氣系統(tǒng)將油氣輸送給岸上設(shè)備。

2) 貨油卸載。卸油時，貨油艙頂部氣壓下降，通過惰氣系統(tǒng)補充惰氣。

3) 原油洗艙。為節(jié)省時間，原油洗艙通常與卸貨同時進行；為保證洗艙作業(yè)的安全，需向艙室內(nèi)注入惰氣。

4) 裝油航行。為保證航行安全，一方面應(yīng)通過惰氣支管補惰氣和高速透氣閥排氣的方式確保在溫度變化的情況下艙內(nèi)的壓力處于安全范圍內(nèi)；另一方面在惡劣海況下船舶大幅度搖晃時保證貨油不至于從頂部出口向外拍擊而產(chǎn)生噴濺，將高速透氣閥布置在靠船中比較高的位置。

2 油艙透氣系統(tǒng)布置分析

2.1 貨油艙透氣的型式

2.1.1 公用總管透氣

公用總管透氣就是從每個貨油艙的頂部引出一路透氣支管，匯集到主甲板上的一根總管上，透氣總管一般與油船的惰氣系統(tǒng)合用，最后經(jīng)透氣桅排出。透氣桅高度至少需 6m，以保證油氣放出之后能在距離甲板比較高的安全位置被自然風(fēng)充分稀釋吹散。

通常在透氣桅前設(shè)置一只呼吸閥，用以調(diào)節(jié)溫度引起的艙內(nèi)壓力變化。在裝有惰氣系統(tǒng)的油船上，空氣是不允許進入貨油艙的，以避免破壞其惰性；當(dāng)艙內(nèi)的真空度達到一定數(shù)值時，通過補充惰氣來增大氣壓。呼吸閥旁通一只手動閥，一般常閉，用來在裝卸貨油或壓載水時滿足艙內(nèi)氣體的進出需求。然而對于大型油船，其吃水比較深，透氣桅通常距離裝油碼頭比較近，用透氣桅排放不安全，且在港口排放油氣會造成環(huán)境污染。因此，對于裝惰氣回收系統(tǒng)的油船，在裝油時都是通過惰氣系統(tǒng)的油氣回收管路將油氣排出艙頂并送到岸上專門的回收裝置，而在卸油時則是向艙內(nèi)補充惰氣。

2.1.2 獨立式透氣

獨立式透氣即單獨為貨油艙透氣設(shè)置的裝置，一般采用高速透氣閥，使艙內(nèi)氣體排出的速度高于火焰?zhèn)鞑ニ俣龋ǎ?0m/s），比自由流通式透氣布置得更低。該裝置的排出口應(yīng)設(shè)置在距離甲板至少 2m的高度處[2]；根據(jù)挪威船級社（Det Norske Veritas，DNV）規(guī)范，吸氣口需設(shè)置在距離甲板至少1.5m的高度處[3]。

高速透氣閥除了用來調(diào)節(jié)溫度以及裝卸貨油和壓載水時引起的艙內(nèi)壓力的變化以外，還用來對貨油艙進行除氣，保證艙內(nèi)空氣壓力在規(guī)定范圍內(nèi)，即壓力≤0.021MPa，≥0.007MPa[4]。與總管集中透氣相比，獨立透氣的特點是貨油艙之間彼此不連通，可避免裝載不同油品時的油氣混合問題。

2.1.3 經(jīng)由貨油管MANIFOLD的驅(qū)氣蓋

在主甲板貨油集管區(qū)設(shè)置驅(qū)氣蓋，目的是構(gòu)建一套從貨油艙頂部注入惰氣或新鮮空氣，經(jīng)貨油管路到主甲板驅(qū)氣蓋，從而排出原有油氣混合氣體的系統(tǒng)。驅(qū)氣蓋要求裝有防火網(wǎng)，并距離操作平臺2m以上，遠離火源10m以上[2]。這種通過貨油系統(tǒng)設(shè)置驅(qū)氣蓋的方式比較靈活，在不影響底進頂出模式的前提下，實現(xiàn)以頂進底出的方式進行氣體置換。

2.2 布置分析

艙內(nèi)氣體的交換對布置有實際要求，即保證氣體得以高效、充分地交換，重點是合理設(shè)定進氣口和排氣口的位置并保證足夠的距離。按照SOLAS公約要求，驅(qū)氣和/或除氣的布置應(yīng)能使由于空氣中可燃?xì)怏w的散布和液貨艙內(nèi)可燃混合氣體的存在而造成的危險降到最低，使碳?xì)浠衔镎魵庠谝贺浥搩?nèi)部形成的空穴積聚降至最低；對于單個液艙，排氣管位置應(yīng)盡可能地遠離惰性氣體和空氣進口[2]。圖3為進出口對角線布置。從圖3中可看出，IMO推薦的第II種和第III種布置方式是進出口為對角線排布，可實現(xiàn)以上要求。

圖3 進出口對角線布置

在安全方面，除了防止晃蕩而要求高速透氣閥布置在靠近船中的部位以外，其他工況對布置的位置無嚴(yán)格限制。下面根據(jù)實船不同配置，結(jié)合上述分析，針對艙室氣體交換的方式，討論幾種可能的合理布局。

1) 路線A。根據(jù)某些船東的經(jīng)驗，歐洲港口出于環(huán)境保護考慮，不允許卸油的船在卸油期間有油氣排出或溢出；滿載的油艙因液面較高，越靠近油面，油氣濃度越高[5]。油氣溢出通常不是船東刻意為之的，而是由于港口晝夜溫差較大使艙內(nèi)壓力發(fā)生變化所引起的。因此，在進港卸油之前，港口方面要求提前對貨油艙頂部的油氣濃度進行稀釋。這種要求可通過惰氣支管進氣、高速透氣閥出氣的方式實現(xiàn)，即通過頂進頂出的布置I方案。這就需要保證惰氣注入口與高速透氣閥保持一定的距離（例如一前一后布置），使換氣得以充分進行。這種換氣同樣可用于貨油艙換氣，但因底部距離較遠，效果不好。

2) 路線B。通過驅(qū)氣風(fēng)機引入空氣或惰氣，從惰氣總管與貨油總管的連接管進入貨油管系，并通過油艙尾部的吸入口注入，排氣可通過布置在油艙前部的惰氣分支管進入惰氣總管，經(jīng)由透氣桅排出（見圖4），屬于“布置II”型，艙內(nèi)氣體交換充分。

圖 4 路線 B

3) 路線C。對于額外在貨油系統(tǒng)配置驅(qū)氣蓋的油船，除了走路線B的路徑以外，還可采用頂進底出的“布置III”（見圖5）。應(yīng)注意，這種布局不涉及貨油與惰氣的連通管。惰氣支管和貨油吸入口均可作為排氣口和進氣口，而高速透氣閥（需帶有驅(qū)氣蓋）僅能作為排氣口?？紤]到氣體流通路徑的覆蓋效果，路線B和路線C中的高速透氣閥作為輔助排氣口。

4) 路線D?？蓪⒙肪€B中的高速透氣閥與惰氣支管的位置對調(diào)。

需注意的是，有些船東為方便閥門集中操作，會將貨油和惰氣連通管放在船中的集管區(qū)域，這種情況下若采用布置II，只能通過高速透氣閥排氣，惰氣支管應(yīng)關(guān)閉。圖6為路線E沖突布置，走路線B是行不通的。在此情況下高速透氣閥宜布置在艙的前部。當(dāng)然，若貨油系統(tǒng)設(shè)置有驅(qū)氣蓋，路線C由于不受連通管的影響，也可實現(xiàn)艙室的換氣。

圖 5 路線 C

圖6 路線E沖突布置

3 結(jié) 語

油船根據(jù)不同的配置，可選擇的透氣布置見表3。

表3 布置方案矩陣

綜上所述，實船的布置取決于透氣系統(tǒng)的配置和換氣路線的選擇（即操作方式），有以下方案可供實船決策：

1) 路線C由于不受連通管的影響，給方案2和方案4帶來雙向換氣的靈活性；

2) 連通管布置在船中時的換氣方案相比布置在艉部時要少，且要求高速透氣閥必須在艙室前部。

3) 路線C的甲板排口位置與路線D是相反的，若同時采用，必須將高速透氣閥和惰氣支管同時放在艙的前部（見圖 7）。這種方案能否采用需經(jīng)與船東討論其是否滿足在進港卸油之前進行頂部油氣驅(qū)氣要求后確定。

圖7 路線C+路線D

4) 高速透氣閥應(yīng)布置在艙室高點，一般靠近船中，以防止船舶航行過程中因晃蕩而引發(fā)噴濺風(fēng)險。