林 蓁 鄭志敏 楊夢婕

（1. 中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011； 2. 滬東中華造船（集團）有限公司 上海 200129）

0 引 言

LNG 運輸船是一種儲存、運輸及處理液態(tài)天然氣的船舶，其主甲板，穹頂甲板及部分通道區(qū)域都屬于危險區(qū)域。LNG 燃料動力船雖有不同，但危險區(qū)域同樣很多。為保證安全性，兩型船的燃氣系統(tǒng)部分的閥門遙控系統(tǒng)通常采用液壓型式或氣動型式。

應急切斷（Emergency Shutdown，ESD）系統(tǒng)由ESD 閥、加壓油泵、油管路、操作控制裝置和失壓報警裝置組成，其中ESD 閥是閥門遙控系統(tǒng)中執(zhí)行模塊中較特殊的一種。它主要應用于IGC Code（LNG 運輸船）或者IGF Code（使用氣體或其他低閃點燃料為動力，如LNG 燃料動力船）。 ESD 閥是指一種在正常狀態(tài)下可以遠程控制閥門打開或關(guān)閉，而當ESD 系統(tǒng)被觸發(fā)后，又能自動快速關(guān)閉的閥件。

ESD 系統(tǒng)觸發(fā)后，閥門能快速響應自動關(guān)閉。閥門關(guān)閉是通過獨立閥控系統(tǒng)外的途徑進行實現(xiàn)，這也是ESD 閥與其他常規(guī)遙控閥的最大區(qū)別。此外，IGC 和IGF 對ESD 閥還有其他一些要求，兩者大致相同，某些參數(shù)及適用范圍上存在一定差異。對這些功能要求，需要一些特殊設(shè)計來實現(xiàn)。

1 ESD 閥應急關(guān)閉時間要求

ESD 閥的關(guān)閉時間需要區(qū)分正常關(guān)閉和應急關(guān)閉這2 種工況。正常關(guān)閉工況時，ESD 閥的關(guān)閉時間與常規(guī)遙控閥相比沒有差異；而應急關(guān)閉工況時，IGC 和IGF 要求相同，即“液體管系中的ESD閥應在啟動30 s 內(nèi)平穩(wěn)關(guān)閉……”。即通常概念中，一旦觸發(fā)ESD 系統(tǒng)后，要求ESD 閥件關(guān)閉時間不能＞30 s。而常被忽視的是，對于加注站的ESD 閥，IGC 及IGF 都有額外要求，見表1。

表1 LNG 船/雙燃料船 ESD 閥應急關(guān)閉時間要求

當岸上或者加注船對船舶進行LNG 加注作業(yè)時，如果大艙液位已經(jīng)達到某一高位報警，觸發(fā)ESD 系統(tǒng)，開始關(guān)閉ESD 閥。由于閥門關(guān)閉需要一定時間，此時加注作業(yè)會繼續(xù)進行。因此需對加注站的ESD 閥門關(guān)閉時間進一步要求，避免在繼續(xù)加注的30 s 內(nèi)，大艙超過其極限液位。

以某大型雙燃料集裝箱船為例：大艙裝載率ESD系統(tǒng)觸發(fā)報警值為95%艙容，容積為6 393.1 m。大艙允許最大裝載率為95.3% 艙容，容積為6 412.7 m，與95%艙容的差值為19.6 m。系統(tǒng)設(shè)計最大加注速率為1 600 m/h。

根據(jù)IGF Code 16.7.3.7 可以計算得到：

式中：為ESD 閥收到關(guān)閉信號時，大艙此刻液位至極限液位之間的容積，m；為船岸或者船與船之間約定的最大加注速率，m/h。

從計算結(jié)果可以看出：其所要求時間＞30 s，不需要對閥件關(guān)閉進行調(diào)整；如果計算＜30 s 時，則閥件關(guān)閉時間應調(diào)整至計算結(jié)果值。

對于雙燃料船來說，IGF 同一章節(jié)還要求閥件最終所需關(guān)閉時間應根據(jù)公式（1）結(jié)果與5 s 進行比較，然后取較小者，即加注站ESD 閥的最短關(guān)閉時間≤5 s。

在較大流量情況下，閥門快速關(guān)閉極易導致水錘現(xiàn)象，使管路局部應力過大而造成閥件或者管路功能損壞。挪威船級社雙燃料船規(guī)范第6 部分/第2 章/5.3.3.2 節(jié)中，“除非考慮到壓力波動（pressure purge）需要更長的關(guān)閉時間，閥件從報警觸發(fā)到完全關(guān)閉的時間不能超過5 s”。IGF 中也有相同要求，但描述較為晦澀難懂。因此，如提供的計算結(jié)果表明， 過快的閥件關(guān)閉速度導致管路應力過大，則可適當延長閥件關(guān)閉時間，但無論如何閥件關(guān)閉時間都不能＞30 s。

當調(diào)整閥門關(guān)閉時間超過30 s 卻仍然無法滿足應力計算要求時，應與加注方協(xié)調(diào)，降低加注速率，使閥件關(guān)閉時因沖擊造成的應力被限制在可承受范圍內(nèi)。

對于LNG 船來說，其加注站的ESD 閥關(guān)閉時間，IGC Code 18.10.2.1.4 中同樣有如式（1）所示的計算要求，但沒有＜5 s 的要求；并且因為LNG 船液貨艙艙容通常較大，觸發(fā)ESD 后的所剩艙容也相對較大，其所要求的時間冗余較多，不易出現(xiàn)問題。

2 ESD 閥自動關(guān)閉實現(xiàn)型式

ESD閥的應急（故障）自動關(guān)閉功能有兩種實現(xiàn)型式：一種通過驅(qū)動頭之外力矩推動，例如液壓油驅(qū)動或者壓縮空氣驅(qū)動，即雙作用式驅(qū)動頭；另外一種，其力矩來自驅(qū)動頭自帶的驅(qū)動單元，比如彈簧作用，即單作用式驅(qū)動頭。

2.1 雙作用式驅(qū)動頭

雙作用式驅(qū)動頭是指閥門遙控系統(tǒng)在發(fā)生故障時，驅(qū)動頭保持最終狀態(tài)不變，即最終狀態(tài)為打開時，其仍保持打開狀態(tài)。因此雙作用式驅(qū)動頭實現(xiàn)自動關(guān)閉功能，需通過來自于主動力源之外的能源來實現(xiàn)。

以液壓型式為例，1個常規(guī)的液壓閥門遙控系統(tǒng)通常包括以下幾個部分：

（1）控制指示模塊（控制面板和控制臺）；（2）液壓動力模塊（2臺互為備用的液壓泵，以及蓄能器等）；

（3）電磁閥箱（濾器和電磁換向閥等）；

（4）執(zhí)行模塊（液壓驅(qū)動頭、閥體和閥門啟閉指示）；

（5）應急操作單元（便攜式手搖泵以及驅(qū)動頭上的應急接頭）。

液壓閥門遙控系統(tǒng)故障通常有“液壓泵故障”/“電磁閥故障”和“系統(tǒng)失電”等。所有的意外情況都應有相應措施，使ESD閥仍然可以實現(xiàn)自動關(guān)閉。

2.1.1 液壓泵故障

液壓泵出現(xiàn)故障，閥件自動關(guān)閉動力源顯然不能來自液壓泵站，而應當來自其他動力，一般通過設(shè)置蓄能器來驅(qū)動ESD閥執(zhí)行關(guān)閉動作。蓄能器是一種高壓容器，內(nèi)部含有氣囊（通常充注高壓氮氣）。泵站正常工作時，液壓油會被注入到蓄能器氣中，氣囊被壓縮到設(shè)計的壓力值；當泵站發(fā)生故障，管路壓力降低，蓄能器中氣囊膨脹輸出壓力，驅(qū)動液壓油對系統(tǒng)進行補壓。該蓄能器不同于液壓泵站上蓄能器。泵站蓄能器是用于補充整個閥門遙控系統(tǒng)壓力，而它僅用于ESD閥。ESD閥蓄能器的容積可以通過計算得到，參見下頁表2。

表2 ESD 閥專用蓄能器容積計算

以某LNG 船1 個ESD 閥的蓄能器為例進行計算。氮氣氣囊在最大壓力時和最小壓力時體積之間的形變?yōu)樾钅芷魉苋菁{的液壓油體積，這個體積也應是驅(qū)動器油缸的容積。計算出觸發(fā)ESD后，氣囊完全釋放后的容積，即可得到蓄能器的凈容積。

需要注意的是，雙作用ESD 閥的蓄能器應布置在靠近ESD 閥的電磁閥箱，這樣一方面可減少液壓管路長度、降低意外破損風險，另一方面也能提高閥件響應速度。

2.1.2 電磁閥故障

電磁閥的功能是用來切換液壓油管路流向，驅(qū)使驅(qū)動頭關(guān)閉或打開閥件。當電磁閥發(fā)生故障，此時如果系統(tǒng)觸發(fā)ESD，閥門就無法執(zhí)行正確動作。因此ESD 閥應設(shè)置有專用電磁閥，通過專用電磁閥來執(zhí)行動作ESD 命令。

由于ESD 觸發(fā)動作時，其關(guān)閉速度要求快于正常關(guān)閉速度，這需要管路中更大的液壓油流量進行驅(qū)動。因此專用電磁閥需配置有流量調(diào)節(jié)閥，在調(diào)試階段預先設(shè)定好較大流量，以加快閥件關(guān)閉速度。

2.1.3 系統(tǒng)失電

當閥門遙控系統(tǒng)失電時，會影響到液壓泵站馬達工作，此時電磁閥切換油路，并將遙控閥信號反饋給IAS 系統(tǒng)等。為保證閥門遙控系統(tǒng)的正常，閥控系統(tǒng)通常接有主電源和應急電源。 主電源失電時，自動切換至應急電源上；當應急電源仍然無法供電時，液壓泵站馬達停止工作，液壓管路油壓無法保持，電磁閥無法動作。此時，ESD 閥自動關(guān)閉，仍需要通過蓄能器和電磁閥來實現(xiàn)。蓄能器無需電源，仍可為管路提供足夠的壓力。電磁閥應是特殊型式電磁閥，其動力不能來自電源，而是通過電磁閥自帶的彈簧驅(qū)動閉合導向，使液壓油路切向并將液壓油輸送至驅(qū)動頭以實現(xiàn)閥門關(guān)閉。因此2.1.2節(jié)中所述的備用電磁閥應為特殊型式電磁閥。

2.1.4 液壓管路破損

由于遙控閥及相應液壓管路分散布置全船區(qū)域，如果液壓管路發(fā)生破損，液壓泵站及泵站上的蓄能器均無法提供動力給ESD 閥。因此如前所述，ESD 閥通常配有專用蓄能器，驅(qū)動頭上應有獨立ESD 接頭，來構(gòu)成專用的ESD 液壓管路。

2.2 單作用驅(qū)動頭

單作用驅(qū)動頭是指驅(qū)動頭內(nèi)部布置有彈簧執(zhí)行機構(gòu)，當系統(tǒng)發(fā)生報警觸發(fā)ESD 后，驅(qū)動頭上彈簧直接執(zhí)行命令，驅(qū)動閥門關(guān)閉。單作用驅(qū)動頭實現(xiàn)ESD 功能，相較雙作用驅(qū)動頭更為簡便，不需要布置蓄能器及專用電磁閥等。單一ESD 閥件故障也不會影響到其他ESD 閥的工作，雙作用式蓄能器故障則可能影響到關(guān)聯(lián)ESD 閥工作。但單作用驅(qū)動頭成本較高，如果系統(tǒng)中ESD 閥數(shù)量較多，專用蓄能器容積及專用電磁閥數(shù)量所需的成本與采用單/雙作用式驅(qū)動頭之間的差價，達到平衡，則建議采用單作用式驅(qū)動頭。

3 LNG 運輸船/ LNG 燃料動力船ESD 閥適用范圍

對于ESD 閥的設(shè)置原則，IGC 和IGF 并未設(shè)單獨的章節(jié)進行明確描述，通常以下處所或功能的閥件應適用于ESD 閥。

3.1 加注站遙控閥件

IGC 5.5.1.2、18.10.2.2中明確要求船岸連接、船船連接時，集管區(qū)域的每根總管需設(shè)置有1 個ESD 閥件。

IGF 中沒有明確寫明加注站閥件需為ESD 閥。如第一部分所述，在8.5.3/8.5.8中要求加注站閥件需滿足一系列關(guān)閉時間的要求，因此雙燃料船加注站集管區(qū)域的遙控閥也應為ESD 閥。

3.2 與大艙相連接遙控閥

IGC 5.5.1.2 中提到ESD 系統(tǒng)啟動時，切斷的設(shè)備包括裝卸貨時的集管閥、駁運貨物的泵或壓縮機等、液貨艙閥（如液貨艙釋放閥的最大允許設(shè)定值MARVS 超過0.07 MPa 時）。因此對最常見的薄膜型液貨艙LNG 船，其MARVS 通常不會超過0.07 MPa，大艙注入閥或排出閥、揮發(fā)氣管閥均可以不設(shè)置為ESD 閥。

IGF 9.4.1 中明確要求，當安全系統(tǒng)（即ESD系統(tǒng)）被觸發(fā)時，燃料艙上，用氣設(shè)備操作和燃料加注操作所涉及的閥門，應能夠自動操作。因此不論采用何種型式的大艙，雙燃料船的燃料艙進出口的揮發(fā)氣管閥、大艙注入閥和排出閥等都應設(shè)置為ESD 閥。

3.3 燃氣主閥

燃氣主閥指的是輸送天然氣至用氣設(shè)備（如發(fā)電機、鍋爐等）管路上帶手動操作功能的遙控閥，用于連通或阻斷供氣。其位置應布置在燃氣設(shè)備處所之外。

IGC Code 16.4.3、16.4.6 中要求：

（1）當雙壁管采用充惰氣正壓型式，發(fā)現(xiàn)惰氣失壓時，燃氣主閥應自動關(guān)閉；

（2）當雙壁管采用通風型式，發(fā)現(xiàn)空氣流量無法滿足要求要求時，燃氣主閥應自動關(guān)閉；

（3）當雙壁管發(fā)現(xiàn)可燃氣體泄漏或者其他故障時，燃氣主閥應自動關(guān)閉。

基于以上要求，不論是船廠的常規(guī)設(shè)計，還是法國GTT 公司提供的相關(guān)文檔，通常都將燃氣主閥設(shè)置為ESD 閥。然而，ESD 并不是唯一實現(xiàn)閥件自動關(guān)閉的路徑。當燃氣系統(tǒng)探測到相關(guān)報警后，報警信號傳輸?shù)阶詣踊到y(tǒng)，處理后并發(fā)出指令給閥門遙控系統(tǒng)，對燃氣主閥進行關(guān)閉，也可以達到自動關(guān)閉的目的。自動關(guān)閉閥，并不等于自動關(guān)閉ESD 閥。ESD 閥的自動關(guān)閉是即使在閥門遙控系統(tǒng)失效的情況下，仍可以實現(xiàn)自動關(guān)閉，但IGC 的以上要求中并沒有提到這一點。

通過對兩者進行比較，得出自動化系統(tǒng)的響應流程和時間都相對較長，因此國際氣體運輸與碼頭經(jīng)營者協(xié)會（The Society of International Gas Tanker and Terminal Operators，SIGTTO）組織推薦將燃氣主閥設(shè)置為ESD 閥。但僅從滿足規(guī)范本身而言，燃氣主閥不設(shè)置為ESD 閥仍能滿足IGC Code 和船級社的要求。

但在IGF Code 中，9.4.2 中明確要求，當安全系統(tǒng)（即ESD 系統(tǒng)）被觸發(fā)時，燃氣主閥應自動切斷以停止燃氣供氣，即燃氣主閥應是ESD 閥。

IGC 和IGF 關(guān)于ESD 閥適用場景，參見圖1。

圖1 ESD 閥適用場所

4 其 他

ESD 閥 都 有 手 動 功 能 要 求，IGC 和IGF 的要求也仍存在一定區(qū)別。IGC 僅要求就地關(guān)閉（be capable of local manual closure），但IGF則要求能夠進行就地操作（a combined manually and automatically operated valve），而不僅是關(guān)閉。

如前文所述，ESD 閥配有專用電磁閥用于ESD 觸發(fā)時使用。如對加注站的ESD 閥，觸發(fā)時，通常加注站所有的ESD 閥應同時關(guān)閉，此時可以多個ESD 閥共用1 個專用電磁閥。但是對于燃氣主閥（如燃氣主閥為ESD閥時）而言，觸發(fā)ESD 時，不論是IGC 還是IGF 均要求，切斷1 個處所燃氣設(shè)備不能影響其他燃氣設(shè)備正常運行或?qū)е虏豢山邮艿膭恿p失。顯然，多個燃氣主閥不能共用1 個專用電磁閥。

5 結(jié) 語

不論是IGC 還是IGF，對ESD 閥都有一系列要求，并且存在一些差異，如對加注站ESD 閥關(guān)閉時間要求、ESD 閥適用范圍以及對ESD 閥手動操作要求的區(qū)別等，這些差異在設(shè)計過程中往往極易被忽視，需要特別注意，避免混淆而造成差錯。