陳立劍，吳順平

（中國船級(jí)社武漢規(guī)范研究所，武漢 430022）

0 引言

在資源和環(huán)境危機(jī)日益嚴(yán)重的情況下，大力發(fā)展新型能源、清潔能源和替代能源，緩解成品油短缺與環(huán)境污染壓力，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為普遍共識(shí)。液化天然氣（LNG）作為一種公認(rèn)的清潔能源，其環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性突出，在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。航運(yùn)業(yè)作為重要能源消費(fèi)領(lǐng)域，使用 LNG替代傳統(tǒng)燃油作為船舶動(dòng)力燃料逐漸引起了各界的關(guān)注。LNG作為動(dòng)力燃料的船舶既符合國家能源產(chǎn)業(yè)政策和節(jié)能減排要求，又有利于航運(yùn)企業(yè)降低經(jīng)濟(jì)成本[1]，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的市場(chǎng)前景。

LNG燃料易燃、易擴(kuò)散、易產(chǎn)生靜電、易膨脹等特質(zhì)決定船舶 LNG加注系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱加注系統(tǒng)）要在低溫、低壓、密閉狀態(tài)運(yùn)行，要預(yù)防和控制加注時(shí)面臨的風(fēng)險(xiǎn)，從而達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的使用效果。

LNG及貨油在充裝和其他作業(yè)，始終面臨著防火、防爆等一系列安全問題，流速過快、人為過失等均可能引發(fā)靜電引燃風(fēng)險(xiǎn)。此外，還面臨著加注系統(tǒng)的充裝管路如何安全對(duì)接或拆裝的問題。這是因?yàn)?，管路的?duì)接或拆裝，有可能引發(fā)兩種不同的放電電弧，一是靜電放電所引起，二是雜散電流所引起。

1 靜電產(chǎn)生的基本原理

導(dǎo)致潛在靜電危險(xiǎn)要經(jīng)過三個(gè)基本進(jìn)程：電荷分離；電荷儲(chǔ)集；靜電放電。這三個(gè)進(jìn)程都是可燃?xì)怏w靜電起火所必需的。

電荷分離有兩種情形：（1）每當(dāng)兩種不同物質(zhì)互相接觸時(shí)，接觸界面就發(fā)生電荷分離。當(dāng)兩種物質(zhì)靜止地接觸互相不相對(duì)移動(dòng)，他們的電荷互相靠得極近。異性電荷之間的電壓差就非常微弱，也就不存在危險(xiǎn)。然而，有兩種物質(zhì)相對(duì)移動(dòng)時(shí)，他們的電荷相分離，而電壓差就增加。（2）如果有一個(gè)不帶電的導(dǎo)體出現(xiàn)在靜電場(chǎng)中，該電場(chǎng)能引起導(dǎo)體內(nèi)部的電荷轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生“感應(yīng)電荷”。

已經(jīng)分離的電荷總是趨向重新結(jié)合并互相中和。這過程稱為“電荷衰減”。如果帶著電荷的兩種分離的物質(zhì)中的一種、或者兩種都是極不良導(dǎo)體時(shí)，就妨礙了電荷的重新結(jié)合，而這種物質(zhì)就將電荷留住或儲(chǔ)集起來，即稱作電荷儲(chǔ)集。這與物質(zhì)本身的導(dǎo)電率有關(guān)，導(dǎo)電率越低，電荷衰減時(shí)間就越長(zhǎng)。如果物質(zhì)有比較高的導(dǎo)電率，電荷重新結(jié)合就非常迅速，并且能夠抵消電荷分離的進(jìn)程，結(jié)果這種物質(zhì)上靜電儲(chǔ)集是少量的或者根本不儲(chǔ)集。

當(dāng)靜電場(chǎng)過強(qiáng)時(shí)就會(huì)發(fā)生靜電放電[2]，如果在可燃性大氣中發(fā)生這種情況，則可能稱為火源。放電類型一般有3種：（1）電暈，系指單個(gè)銳導(dǎo)體向外擴(kuò)散放電，緩慢釋放一些現(xiàn)有的能量。一般而言，電暈本身是不能點(diǎn)燃可燃?xì)怏w的。（2）刷形放電，系指單個(gè)鈍導(dǎo)體向外擴(kuò)散放電，比電暈放電更快捷、更具能量。刷形放電有可能會(huì)點(diǎn)燃?xì)怏w和蒸汽。（3）火花，系指幾乎是瞬時(shí)發(fā)生在兩個(gè)導(dǎo)體之間的放電，在靜電場(chǎng)內(nèi)幾乎所有能量都被轉(zhuǎn)化為可用于點(diǎn)燃可燃大氣的熱量。

根據(jù)導(dǎo)電性能，物質(zhì)分為：導(dǎo)電材料和非導(dǎo)電材料：這些材料一旦獲得電荷就能保留一段很長(zhǎng)的時(shí)間。帶電的非導(dǎo)體，其作用應(yīng)予以重視，因?yàn)樗鼈兡軌蛟谂R近的接地導(dǎo)體處產(chǎn)生引火的刷形放電，也因?yàn)樗鼈兡軌驅(qū)㈦姾赊D(zhuǎn)移到臨近的絕緣導(dǎo)體或者使臨近的絕緣導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電荷，這樣就可能發(fā)生電火花。當(dāng)液體具有低于50×10-12S/m的導(dǎo)電率時(shí)，該液體就被認(rèn)為屬于非導(dǎo)體，它們通常被稱為靜電儲(chǔ)集體。

根據(jù)一些資料顯示，LNG是經(jīng)過加工處理的天然氣存在形式，具有較低的電導(dǎo)率，一般在1×10-12～100×10-12S/m 之間。因此可以認(rèn)為：LNG也是一種靜電儲(chǔ)集體，其防治靜電危險(xiǎn)的對(duì)策應(yīng)按照靜電儲(chǔ)集體來考慮。

為防止靜電放電危害，船舶加注系統(tǒng)上的氣罐及其處理裝置和管系，除直接或通過支承件焊接固定安裝在船體上之外，都應(yīng)專用的接地搭接片；采用法蘭接頭的各燃料管的管段之間亦應(yīng)加搭接片連接，并與船體結(jié)構(gòu)保持良好的電氣連接。

LNG船用低溫閥也必須考慮防靜電措施，尤其對(duì)非金屬高分子材料閥座，有集聚靜電的危險(xiǎn)，靜電能引起火花造成燃燒和爆炸。應(yīng)考慮在閥桿與閥體之間、閥桿與關(guān)閉件之間設(shè)置導(dǎo)通裝置，從而引出靜電，消除隱患。對(duì)金屬密封的低溫閥件，可不設(shè)置導(dǎo)通裝置。

2 雜散電流的成因

加注船和受注船之間有可能存在電位差，這已由許多人的測(cè)量所證實(shí)。如“勝利 2”輪靠泊在上海煉油廠碼頭時(shí)曾測(cè)得這種電位差為0.134 V，1982年測(cè)得“大慶 17”輪靠泊秦皇島碼頭時(shí)為0.25 V 和“大慶 14”輪靠泊大連寺兒溝碼頭亦為0.25 V。

造成電壓差的來源有：（1）外加直流電源系統(tǒng)或者腐蝕陽極所提供的加注船或受注船船體的陰極保護(hù)；（2）某些加注船上或受注船上較差的電氣設(shè)備接地所造成的；（3）加注船與受注船之間的電化學(xué)作用（金屬做成的船舶之間好象插入海水的兩個(gè)電極，海水中又存在著鹽類等電解質(zhì)）能產(chǎn)生一定的電勢(shì)差。

如果在加注船和受注船之間有低電阻的電氣通路，此電位差經(jīng)由此通路引起的電流即稱為雜散電流。加注系統(tǒng)的全金屬的裝卸輸送臂在加注船與受注船之間提供了電阻非常低的連接，在加注系統(tǒng)管匯處進(jìn)行輸送臂的連接或拆離操作中，隨著大量電流的突然地中斷，而存在不可忽視的電弧放電風(fēng)險(xiǎn)。

3 加注系統(tǒng)中絕緣法蘭的使用

為防止出現(xiàn)雜散電流的風(fēng)險(xiǎn)，加注系統(tǒng)的LNG管路應(yīng)采用電氣絕緣方式。

LNG加注系統(tǒng)在船舶上主要的使用形式主要有：（1）裝卸臂，包括低溫管路系統(tǒng)、獨(dú)立支撐系統(tǒng)、緊急脫離系統(tǒng)、位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電液控制系統(tǒng)等幾個(gè)系統(tǒng)。（2）LNG軟管，主要分三類：經(jīng)加強(qiáng)的金屬波紋管；真空絕熱軟管；復(fù)合低溫軟管。（3）吊桿或托架式裝卸設(shè)備，主要由吊桿裝置或托架裝置、軟管、液壓系統(tǒng)、控制和安全系統(tǒng)等組成，功能上相當(dāng)于軟管與吊臂的集成。

對(duì)于裝卸臂，LNG進(jìn)入裝卸臂管路內(nèi)，經(jīng)過六個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭、緊急脫離裝置、ESD閥件等直至裝卸臂終端連接處。一般可以在裝卸臂三維旋轉(zhuǎn)接頭的垂直管段上安裝絕緣法蘭[3]。

在國外，則基本上采用軟管方式給 LNG動(dòng)力船舶加注燃料，加注軟管采用的金屬軟管是特制的，能夠承受一定壓力、低溫、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊，通常兩端為法蘭，分別與加注船和受注船連接，一般除了可以在連接端使用絕緣法蘭之外，另一個(gè)解決辦法是在每一套軟管中只加入一段內(nèi)部無跨接的軟管（如圖1）。以使加注船與受注船舶之間電氣絕緣。

絕緣法蘭接頭的電阻值，水壓試驗(yàn)前不小于10 MΩ，水壓試驗(yàn)后（包括已輸送液體后）不小于1000 Ω[4]。因此，這種插入間的電阻就完全隔斷了通往裝卸臂或者軟管管路的雜散電流。

圖1 LNG加注管路上絕緣法蘭的使用

軟管和裝卸臂連接接頭的結(jié)構(gòu)形式大體上分為螺紋式、法蘭式和快速式三大類：（1）螺紋式：通徑為50 mm以下的金屬軟管的接頭，在承受較高工作壓力的情況下，多以螺紋式為主，當(dāng)擰緊螺紋以后，兩個(gè)接頭上的內(nèi)、外錐度面緊密配合，實(shí)現(xiàn)密封。（2）法蘭式：通徑為25 mm以上的金屬軟管的接頭，在承受一般工作壓力的情況下，以法蘭式為主，它以榫槽配合的形式或平面形式進(jìn)行密封。在需要快卸的特殊場(chǎng)合，可以將固緊螺栓通過的孔劃開，制成快卸式法蘭盤。（3）快速式：通徑為100 mm以下軟管的接頭或通徑100 mm以上裝卸臂的接頭，在要求快速裝卸的使用條件下，一般采用快速式，如：加注槍、螺旋接頭、液壓接頭等。第（1）種型式的接頭由于操作復(fù)雜、密封性不好和使用不便等原因，在低溫

LNG軟管和裝卸臂上很少使用。后兩種在國內(nèi)外都有應(yīng)用，但都需要根據(jù)接頭形式在適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b絕緣墊片[5]。

絕緣墊片通常采用耐低溫的聚四氟乙烯墊片或石墨纏繞墊片，法蘭預(yù)緊螺栓和螺母同樣需要絕緣墊片。聚四氟乙烯墊片可使用于溫度-200-260 ℃，壓力0-10 MPa狀況下各種腐蝕介質(zhì)中作襯墊密封和潤(rùn)滑密封，并且可作為電絕緣材料（如圖 2）。

圖2 典型法蘭絕緣墊片連接形式

但應(yīng)注意，從防靜電的角度來考慮，整段加注管路系統(tǒng)除了絕緣段以外，所有金屬部件，應(yīng)保持與加注船或受注船的船體接地。即絕緣段朝受注船的一側(cè)的所有金屬件保持與受注船體接地，朝加注船的一側(cè)的所有金屬件保持與加注船體接地。如圖3，船上LNG管路與裝卸臂管路連接采用法蘭形式，并對(duì)具有密封墊片的法蘭兩側(cè)進(jìn)行了電氣跨接。裝卸臂內(nèi)管路除旋轉(zhuǎn)接頭和緊急脫離裝置及ESD閥件也是采用了類似的方式，而其他全采用對(duì)接焊連接，以確保LNG加注系統(tǒng)防靜電的安全要求。

圖3 裝卸臂內(nèi)LNG管路上法蘭的防靜電跨接

4 不宜使用加注船－動(dòng)力船跨接電纜的分析

在國內(nèi)，在燃油加注時(shí)，加注船在對(duì)受注船加注時(shí)，還通常使用跨接電纜將兩者連接起來，此電纜在原位一直保持到貨油管系拆離之后。這往往會(huì)帶來一定程度的雜散電流的影響。

跨接電纜同樣在加注船和受注船之間引入了一段極低電阻的通路。如果不當(dāng)使用，還可能對(duì)安全帶來危險(xiǎn)，例如，1982年“大慶17輪”在靠秦皇島碼頭裝油時(shí)，就曾因船岸間跨接電纜頭與船體接觸處發(fā)生電火花而暫停裝油。因此在LNG加注系統(tǒng)中應(yīng)加強(qiáng)防范。

從使用目的上來講，這種跨接電纜的使用，其本來的意圖是使船/船間的電解/陰極保護(hù)系統(tǒng)短路并使船/船間的電位差降低到軟管中或輸送臂中電流可以被忽略的程度，此外也有靜電泄放的目的存在。但是，這實(shí)際上不是一種有效的技術(shù)措施。

對(duì)于泄放船舶靜電，泄放靜電所要求的國際公認(rèn)的接地電阻值上限1 MΩ。而實(shí)際上由于海水（或河水）的導(dǎo)電性，加上至少有軸系與螺旋槳，防船體腐蝕鋅板保證鋼質(zhì)的LNG動(dòng)力船和加注船可以取得地電位，此泄放靜電通路的電阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1 MΩ。同時(shí)，防雷、電氣保護(hù)、電磁屏蔽等的接地系統(tǒng)的接地電阻值，對(duì)于滿足靜電接地的要求已是足夠了，因此無論是加注船還是受注船，船舶上的靜電完全可以通過船體泄放至大地，無需通過（或者不主要通過）跨接電纜泄放靜電。

該跨接電纜對(duì)中斷雜散電流也無實(shí)際作用。若通過跨接這根電纜的辦法來解決雜散電流危害問題，就必須增大其截面積，使其成為雜散電流主要通路，達(dá)到使流過輸送管路的雜散電流減小至不會(huì)產(chǎn)生引燃或引爆可燃?xì)怏w火花的目的。但這也不可能做到，以20 m長(zhǎng)、內(nèi)徑為φ150 mm輸油軟管為例，該輸油管電阻值為0.0018 Ω（廠家資料），若取同樣長(zhǎng)度的跨接電纜的電阻為該軟管的十分之一，即0.00018 Ω，則其銅導(dǎo)體的截面積至少為1888.9 mm2，即銅導(dǎo)體直徑為近50 mm。另據(jù)資料，實(shí)測(cè)某油碼頭使用直徑250 mm的輸油鋼管，長(zhǎng)15 m，其電阻值為786×10-6Ω，其使用的直徑16 mm，長(zhǎng)15m的跨接電纜，其電阻值是0.016 Ω。這也說明實(shí)際上跨接電纜對(duì)中斷雜散電流毫無作用。

從防止雜散電流危害角度講，還人為增加的雜散電流通路。應(yīng)當(dāng)注意到，有些地區(qū)的規(guī)則仍然強(qiáng)制要求連接跨接電纜。在此建議，如果堅(jiān)持使用跨接電纜，則應(yīng)首先使跨接電纜的連接點(diǎn)遠(yuǎn)離管匯區(qū)域，并應(yīng)通過防爆開關(guān)連接到碼頭方，且防爆開關(guān)的類型適合在1類危險(xiǎn)區(qū)域使用，重要的是還應(yīng)確?？缃与娎|機(jī)械和電氣的完好性并且跨接電纜連接或斷開之前開關(guān)始終處于“關(guān)閉”位置。國內(nèi)目前的做法，幾乎從未見到過該跨接電纜是可靠連接的，相當(dāng)多的碼頭未設(shè)置防爆開關(guān)，更有將跨接點(diǎn)設(shè)置在輸油設(shè)施距離很近的位置，跨接點(diǎn)選擇在加注管路附近，會(huì)造成一定的安全隱患，反而人為的增加了風(fēng)險(xiǎn)。

除LNG充裝管路以外，雜散電流的通路還有：（1）導(dǎo)電類型的系泊纜繩；（2）LNG動(dòng)力船船體與加注船金屬物之間的接觸；（3）金屬的舷梯或跳板；（4）兩船直接接觸。這些意外的雜散電流通路，同樣應(yīng)予以杜絕。

5 總結(jié)及建議

根據(jù)前述分析，在LNG加注系統(tǒng)的防靜電和防雜散電流方面，建議采用的措施有：

1）確保加注系統(tǒng)的裝置、儲(chǔ)罐和管路與船體之間的可靠電氣連接；

2）加注船和受注船通過各自的船體作為泄放靜電的接地已經(jīng)足夠，兩者之間的跨接電纜不是必須的；如使用跨接電纜，電纜連接點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離管匯區(qū)域和危險(xiǎn)區(qū)域，且跨接電纜應(yīng)通過防爆開關(guān)連接到加注船的接地點(diǎn)。

3）加注船和受注船的加注管系中應(yīng)有一段非絕緣構(gòu)件，可以是絕緣法蘭或非導(dǎo)電軟管。但從防靜電的角度來考慮，該絕緣段向受注船的一側(cè)金屬件應(yīng)于受注船船體保持連續(xù)的導(dǎo)電性，向加注船的一側(cè)應(yīng)于加注船船體保持連續(xù)的導(dǎo)電性。

4）應(yīng)有措施防止加注船和受注船的其他雜散電流通路，如采用絕緣的護(hù)舷、非導(dǎo)電系泊纜繩以及非導(dǎo)電的人員登乘通道（兩船之間）。

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