李德鑫 陳麗寧 陳昌明 廣州航海學(xué)院

1.前言

設(shè)計(jì)用來裝運(yùn)原油和燃料油的油輪一般貨油艙都配有加溫系統(tǒng)。油輪裝運(yùn)的貨油溫度一般都低于70℃，加溫介質(zhì)通常為水蒸氣。油輪加溫系統(tǒng)由位于機(jī)艙的鍋爐系統(tǒng)、蒸汽總管和位于甲板的蒸汽總管、各貨艙分管、貨艙內(nèi)加溫盤管、回水分管、回水總管和相應(yīng)的閥件、壓力表和用于放殘水的管線等部件組成。鍋爐蒸發(fā)的水蒸氣通過加溫總管、各貨艙分管和控制閥件輸送到需要加溫的貨油艙內(nèi)的加溫盤管內(nèi)。通過貨油艙的各組加溫盤管使盤管內(nèi)的水蒸氣和盤管外的貨油進(jìn)行熱量交換，水蒸氣冷卻液化并釋放出大量熱量，加溫盤管周圍的貨油吸收熱量而溫度升高。再通過對流傳熱把熱量傳給油艙內(nèi)的其他貨油，使整個油艙內(nèi)的貨油溫度升高或保持。液化的冷凝水通過回水管流回鍋爐熱水井循環(huán)使用。油輪加溫系統(tǒng)在使用過程中如果布置不合理或操作不當(dāng)，經(jīng)常會造成設(shè)備的損壞。

氣錘現(xiàn)象是對油輪加溫系統(tǒng)造成損壞的主要原因之一。氣錘現(xiàn)象一般是指輸送流體的管路內(nèi)閥門突然關(guān)閉或相關(guān)動力泵突然停止時，管道系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)動中的流體原有的運(yùn)動慣量會使其繼續(xù)流動形成壓力沖擊波，從而對封閉管道系統(tǒng)的所有物體造成明顯作用力。這種沖擊波時間雖然極短，但壓力尖峰值可能很大，可達(dá)到正常工作壓力的幾倍甚至幾十倍，對管內(nèi)的設(shè)備造成巨大的破壞。油輪加溫系統(tǒng)進(jìn)氣管內(nèi)流通的是蒸汽，所以氣錘現(xiàn)象對油輪加溫系統(tǒng)蒸汽管道的破壞尤為嚴(yán)重。油輪加溫系統(tǒng)的氣錘現(xiàn)象破壞力最強(qiáng)的階段是開始加溫階段。本文對油輪加溫系統(tǒng)防止氣錘現(xiàn)象損壞進(jìn)行了研究。首先從克拉伯龍方程入手，研究了管道內(nèi)理想氣體壓強(qiáng)、溫度、體積與質(zhì)量的關(guān)系。進(jìn)而以巴拿馬籍油輪“P”輪加溫系統(tǒng)閥門和管路損壞原因分析為例，揭示氣錘現(xiàn)象對油輪加溫系統(tǒng)造成破壞的原因，并給出了此類事故的預(yù)防措施。

2.油輪加溫系統(tǒng)氣錘現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理

將油輪管道系統(tǒng)中的氣體視為理想氣體，用克朗伯龍方程描述其壓強(qiáng)、體積、物質(zhì)的量、溫度的關(guān)系為：

其中，P是壓強(qiáng)（單位：Pa），V是體積（單位：m），n是物質(zhì)的量（單位：mol），T是溫度（單位：K），R是一常數(shù)。從式（1）可知，管內(nèi)V不變時，P隨n、T的增加而變大。加溫前，管道內(nèi)溫度和氣壓與管道外相同，即常溫、一個大氣壓。當(dāng)開啟加溫時，蒸汽的流動速度明顯加快。100℃以上的蒸汽流入封閉的常溫下的蒸汽管內(nèi)時，如果蒸汽管的閥門關(guān)閉不流通，管內(nèi)溫度驟然升高到100℃以上，新流入的蒸汽使管道內(nèi)氣體的量也驟然增大，管道內(nèi)壓力也相應(yīng)驟然升幾十、甚至幾百倍，形成沖擊波，嚴(yán)重時導(dǎo)致設(shè)備損壞。這就是油輪開始加溫階段經(jīng)常能聽到蹦蹦響的原因。

當(dāng)蒸汽管道內(nèi)通入蒸汽前存在液態(tài)水時，蒸汽的流入使蒸汽管內(nèi)溫度快速升高到100度以上，管內(nèi)的部分液態(tài)水轉(zhuǎn)化為蒸汽，同時體積急劇增加。管內(nèi)壓力再迅速升高，增大了壓力。在氣流的沖擊下，液態(tài)水以較高的速度沖擊管道系統(tǒng)，由于液體水的密度遠(yuǎn)大于蒸汽的密度，高速運(yùn)動的液態(tài)水具有的動能也更大，遇到阻力例如關(guān)閉的閥門時沖擊力也更大，加大了管道內(nèi)瞬時壓力尖峰值，有時可以達(dá)到正常壓力的幾百上千倍。

3.案例分析-“P”輪加溫系統(tǒng)閥門和管路損壞原因分析

3.1 “P”輪加溫系統(tǒng)閥門和管路損壞經(jīng)過

以4.6萬噸級巴拿馬籍油輪“P”輪左污油艙加溫進(jìn)氣總閥損壞和總閥前的進(jìn)氣總管破裂原因分析為實(shí)例。“P”輪閥件損壞經(jīng)過如下：本船在加溫總閥邊上有旁通的小管用于暖管，閥損壞前多數(shù)貨油艙一直用這根旁通管在暖管保溫，但損壞的右污油艙的加溫進(jìn)氣閥是關(guān)閉狀態(tài)。后來準(zhǔn)備開始加溫，大副指揮大管輪開啟加溫總閥，開啟靠前的部分貨艙的加溫管路后，用對講機(jī)叫大管輪慢慢打開通往甲板的加溫總閥，大副開啟右油污艙進(jìn)氣前的放殘閥放水，聽到蹦蹦聲，不久發(fā)現(xiàn)左污油艙閥門的閥桿兩側(cè)鑄鐵的固定支架斷裂。立即叫大管輪停止加溫。第二天發(fā)現(xiàn)與這個閥相連的加溫管有內(nèi)陷的裂紋破洞。圖1為“P”輪損壞的加溫進(jìn)氣總閥門，圖2為檢修現(xiàn)場，圖3為加溫管有內(nèi)陷的裂紋破洞。下文從油輪加溫系統(tǒng)管路、閥件等設(shè)備的設(shè)計(jì)布置和日常加溫操作程序兩方面探討防止氣錘現(xiàn)象造成油輪加溫系統(tǒng)損壞的措施。

圖1 損壞的加溫進(jìn)氣總閥門

圖2 檢修現(xiàn)場

圖3 加溫管有內(nèi)陷的裂紋破洞

3.2 損壞原因分析

“P”輪右污油艙加溫進(jìn)氣管處于關(guān)閉狀態(tài)，沒有蒸汽流通，但與蒸汽管相聯(lián)通。由于氣溫較低，在10℃以下，右污油艙加溫進(jìn)氣閥離加溫管較遠(yuǎn)，該閥附近的加溫管材質(zhì)溫度低且處于最低位置，蒸汽在這段管內(nèi)冷凝成液態(tài)水。污油艙加溫管最靠近機(jī)艙，加溫蒸汽總閥開啟后，蒸汽總管壓力突然增大，蒸汽首先流入沒有暖管、還處于冰冷狀態(tài)的污油艙的加溫進(jìn)氣管內(nèi)，管內(nèi)溫度驟然升高幾十倍。同時管內(nèi)氣體的量也大幅增加，由式（1）可知，管內(nèi)壓力波峰值是溫度驟升量和氣體增加量的乘積，瞬時壓力峰值較大。管內(nèi)殘存有液態(tài)水，特別是斷裂的右污油艙的加溫閥離加溫總管較遠(yuǎn)，并經(jīng)過兩次縮了管徑。加溫總管直徑24cm，連接到加溫總管的分管直徑是14cm，中途再由直徑14 cm變?yōu)橹睆?2 cm。管徑變小時，管內(nèi)流體的流速變大，蒸汽的流動速度更快，管內(nèi)溫度變化率更大?？焖倭鲃拥恼羝苿舆€沒汽化的液態(tài)水高速運(yùn)動沖擊左污加溫進(jìn)氣閘閥的底部，形成氣錘現(xiàn)象，強(qiáng)大的瞬時沖擊壓力尖峰值使與閥管相連承受這個沖擊力的支架斷裂。一年內(nèi)相同位置的閥的同一部位斷了三個閥門，這三個閥門均為同一批產(chǎn)品。當(dāng)然，閥件質(zhì)量和操作程序也可能是閥件斷裂的原因之一。

加溫管內(nèi)陷裂紋原因是加溫停止后，由于外界氣溫較低，管內(nèi)蒸汽迅速冷卻凝固，由于沒有打開加溫進(jìn)氣管進(jìn)空氣平衡管內(nèi)外壓力，管內(nèi)形成真空，由于加溫管狀況不佳，導(dǎo)致在管路的薄弱部位形成內(nèi)陷裂紋。所以設(shè)備損壞的直接原因是氣錘現(xiàn)象，根本原因是管路布置不合理和加溫操作程序存在問題。

4.減少氣錘現(xiàn)象對油輪加溫設(shè)備的損壞的建議

可以從兩方面減少氣錘現(xiàn)象對“P”輪加溫設(shè)備的損壞：改進(jìn)加溫系統(tǒng)的布置缺陷、完善加溫操作程序。

4.1 改進(jìn)加溫系統(tǒng)的布置缺陷

“P”輪加溫系統(tǒng)的布置缺陷及改進(jìn)措施包括：

1）加溫總管沒有壓力表。一般油輪甲板面的加溫總管前后都有壓力表，依據(jù)壓力表指示的壓力調(diào)節(jié)加溫各階段的加溫壓力?！癙”輪加溫總管沒有壓力表，大管輪只能依據(jù)個人經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)壓力，不能準(zhǔn)確調(diào)節(jié)到需要的壓力。閥件損壞時操作蒸汽總閥的大管輪剛上船第一航次，操作加溫閥的經(jīng)驗(yàn)不足。建議該船在甲板面加溫總管增加壓力表，大管輪可以觀察壓力調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥的開度。

2）左污油艙加溫管進(jìn)氣閥離加溫總管較遠(yuǎn)。且進(jìn)氣閥前面一段管路位于最低位置，容易積水。由于前面的管路直接連接到加溫總管，當(dāng)右污油艙不加溫、關(guān)閉加溫進(jìn)氣閥時，這段管路內(nèi)的蒸汽不流通，慢慢冷卻凝結(jié)成液態(tài)水，在極寒天氣下可能還結(jié)冰，導(dǎo)致管路堵塞。所以，建議所有加溫管各艙的進(jìn)氣分閥盡量布置在靠近加溫總管的位置處。確保再船舶營運(yùn)區(qū)域的最低氣溫下，蒸汽總管使用時，各艙分管進(jìn)氣閥附近分管內(nèi)溫度不會降到冷度以下。如果各艙進(jìn)氣閥離總管較遠(yuǎn)，可能導(dǎo)致在極寒天氣下，關(guān)閉了進(jìn)氣閥的貨艙直通總管的加溫分管內(nèi)的水蒸氣凝結(jié)甚至凝固結(jié)冰。

4.2 完善加溫操作程序

加溫程序與外界溫度、船上淡水存量、加溫設(shè)備狀況等不同而有所不同。也與操作人員的工作習(xí)慣有關(guān)。一般來說，可以遵從如下程序：暖管、正常加溫、停止加溫。

1）暖管。由于飽和蒸汽的溫度與壓力相關(guān)，蒸汽壓力越大，溫度也高，流通速度也越快，造成的沖擊波也越大。所以在開始加溫前要先暖管，以較低的蒸汽壓力，即較低的蒸汽溫度和流通速度，盡量降低管內(nèi)溫度變化率，也就降低了氣錘現(xiàn)象導(dǎo)致的沖擊波的尖峰值，減少破壞力。暖管程序：加溫總管開一點(diǎn)點(diǎn)，（壓強(qiáng)低于2KG/cm），回水總管最后的放殘閥打開。從前往后逐個艙暖管。先打開該艙進(jìn)氣總閥和各根加溫盤管的進(jìn)氣閥和回水閥，然后打開每根加溫盤管回水放殘閥，檢查回水是否有油花，如果有油花，說明這根盤管有漏，不能使用。要先封起來，待修好后才能使用。否則，混在回水管內(nèi)的油回到機(jī)艙熱水井將很危險。如果殘水正常，沒有油花，每根盤管放殘到有熱水出來時就可以關(guān)閉放殘閥。然后再暖其他艙的加溫管，當(dāng)所有艙都暖管結(jié)束后就可以轉(zhuǎn)入正常加溫階段了。

2）正常加溫。逐步提高蒸汽壓力，提高過程觀察各艙情況，特別注意聽聽是否有氣錘現(xiàn)象造成的蹦蹦聲。如果有聲音，放慢壓力提高速度。各艙加溫進(jìn)氣閥的開度由前往后逐步關(guān)小，即離機(jī)艙最遠(yuǎn)，最前面1艙加溫進(jìn)氣閥全開，往后依此關(guān)小，最后的污油殘開度最小，目的時通過控制開度來控制各艙進(jìn)氣量盡量相等，當(dāng)然，還要結(jié)合各艙實(shí)際的貨油溫度和需要達(dá)到的貨油溫度值。加溫總閥全開后轉(zhuǎn)入正常加溫階段。依據(jù)需要調(diào)節(jié)鍋爐負(fù)荷控制進(jìn)氣總量。最節(jié)約燃油的加溫方式是在航程中停加溫，但保持最低溫度不小于凝固點(diǎn)以上10℃，以卸貨溫度減開始加溫時的油溫處于每天溫升，算出需要的加溫時間，靠泊前提前這段計(jì)算出來的時間開始加溫，以最短的時間鍋爐滿負(fù)荷加溫，保證在靠泊時達(dá)到需要的卸貨溫度。正常加溫時，主管加溫的大副和木匠要不斷觀察記錄各艙溫度，依據(jù)各艙溫度的增長率調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，達(dá)到目標(biāo)溫度的貨艙可以先停加溫或開一點(diǎn)點(diǎn)保溫。正常加溫過程中，機(jī)艙要注意鍋爐補(bǔ)水情況，在沒有放殘的情況下，如果鍋爐用水消耗異常，應(yīng)及時查明原因。避免油艙加溫管有漏，淡水漏進(jìn)油艙。當(dāng)加溫管狀況不太好時，可以通過調(diào)節(jié)各艙回水總閥開度，全開該艙進(jìn)氣閥來調(diào)節(jié)蒸汽的流通量。與調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)蒸汽流量相比，調(diào)節(jié)回水閥可以保證貨艙內(nèi)的加溫盤管的壓力高于管外貨油壓力，確保萬一艙內(nèi)加溫管有小漏點(diǎn)時貨油不能進(jìn)入加溫管。只有管內(nèi)蒸汽流入貨艙。

3）停加溫。當(dāng)油艙溫度達(dá)到卸貨溫度以上或油艙內(nèi)貨油卸完時，需要停止該艙加溫。停止加溫程序時關(guān)閉該艙進(jìn)氣閥和回水總閥。然后打開所用加溫盤管的放殘水閥。放殘水的目的除了把管內(nèi)的殘水放干凈，以防止氣溫低于零度時管內(nèi)結(jié)冰導(dǎo)致加溫管破裂。還可以從放殘閥通入空氣，確保管內(nèi)外壓力平衡，以防止管內(nèi)蒸汽冷凝后形成負(fù)壓甚至真空，導(dǎo)致加溫管內(nèi)陷破裂。貨油全部卸完后，關(guān)甲板蒸汽總閥，和回水總閥。打開蒸汽總管和回水總管放殘閥放干凈殘水并通過放殘閥確保管內(nèi)外壓力平衡。如果氣溫低于零度，要把各艙進(jìn)氣閥和回水閥與總管之間的放殘閥也要打開。甚至要從放殘閥通入壓縮空氣，把各艙加溫盤管內(nèi)的倉水也清除干凈，徹底把加溫管內(nèi)所有殘水放干凈。以避免管內(nèi)結(jié)冰導(dǎo)致加溫管破裂。

5.總結(jié)

氣錘現(xiàn)象的瞬時壓力尖峰沖擊波對油輪加溫系統(tǒng)的破壞力極大。為最大限度減少氣錘現(xiàn)象對油輪加溫系統(tǒng)造成破壞，建議采取如下幾點(diǎn)措施：

（1）加溫系統(tǒng)甲板蒸汽總管要有壓力表。

（2）各艙進(jìn)氣總閥盡量靠近加溫總管。

（3）開始加溫前所有需要使用的加溫管都要先暖管，避免冷管驟然升溫導(dǎo)致的強(qiáng)大的沖擊力。暖管的蒸汽壓強(qiáng)盡量低，不超過2KG/cm為宜，但又能把加溫盤管內(nèi)的殘水頂回機(jī)艙。

（4）暖管前先把所有蒸汽管內(nèi)殘存的液態(tài)水放干凈。

（5）暖管時貨艙內(nèi)加溫盤管的回水要每根都檢查到，確保每根回水都有熱水時才關(guān)回水放殘閥。

（6）中途停過加溫或某艙停加溫后管路已經(jīng)冷卻，要再開啟加溫時，也要重新進(jìn)行暖管程序。

（7）暖管以后開始加溫時也要慢慢提高加溫壓力。開始鍋爐最低負(fù)荷工作，慢慢打開甲板進(jìn)氣總閥，進(jìn)氣總閥全開后再依據(jù)甲板氣錘造成的砰砰響聲的有無或大小慢慢提高鍋爐壓力到正常工作壓力。

（8）停加溫時關(guān)閉進(jìn)氣閥的速度不宜太快。

（9）停加溫后要及時打開放殘水閥放殘水并平衡管內(nèi)外壓力。

（10）氣溫零下時，還要注意管內(nèi)不流通的液態(tài)水可能結(jié)冰，如果遇上極寒天氣（低于-10℃），放殘閥也可能結(jié)冰堵住管路，導(dǎo)致放不了殘水，管內(nèi)結(jié)冰膨脹導(dǎo)致加溫管破裂。這種情況下要謹(jǐn)慎中途停加溫。停加溫后要及時放干凈所有殘水，必要時用壓縮空氣吹管以吹干管內(nèi)殘水。