LNG運輸船(LNGC)是國際公認(rèn)的技術(shù)含量高、建造難度系數(shù)大、附加值高的船舶。目前，在航最主流的LNG船包括MOSS型和薄膜型。近年來，薄膜型LNG船所占比例逐年增加。截至2023年第3季度，全國所有LNG接收站總共到港1080艘(包含裝船和卸船)，其中MOSS型186艘，占比17.2%；薄膜型883艘，占比81.8%；自支撐型11艘，占比1.0%。不難看出，薄膜型LNGC占有絕大部分LNG市場份額。2024年將有89艘LNGC(總量14.9億m³)交付，同比3年前的2021年10.1億m³高48%。

由于所承運貨物為極低溫的液態(tài)天然氣，在標(biāo)準(zhǔn)艙壓下，其沸點為-163℃，極易蒸發(fā)。在蒸發(fā)氣(BOG)不斷生成下，貨艙內(nèi)及主次絕熱層壓力不穩(wěn)定。為保證貨艙安全，分析各操作過程貨艙壓力、絕熱層壓力要求或引起壓力變化的原因，總結(jié)出操作注意事項。

主體艙型分類

法國GTT公司擁有MARK系列和NO.96系列兩種薄膜型液貨圍護技術(shù)，在LNG液貨圍護領(lǐng)域占據(jù)了全球90%以上的市場份額。根據(jù)其采用的屏壁結(jié)構(gòu)、絕熱材料以及焊接等工藝的不同可分為3種形式：No.96型、Mark III型和CS-1型，其中CS-1型僅在小范圍內(nèi)開發(fā)和應(yīng)用，主流的形式為兩種：No.96型、Mark III型。

No.96型艙的貨物圍護系統(tǒng)于1983年研發(fā)推廣沿用至今，性能穩(wěn)定為行業(yè)領(lǐng)域公認(rèn)。該系統(tǒng)主要包括主、次屏壁和主、次絕熱層。其液貨艙主屏壁和次屏壁均為一層僅0.7mm厚的殷瓦鋼板(Invar)。其在極低溫度條件下仍然保持微小的收縮量。通過連續(xù)焊接形式將殷瓦鋼板逐次焊接，形成閉環(huán)，主、次屏壁建立，蒸發(fā)率約為0.15%/d左右。

Mark III型液貨圍護系統(tǒng)與No.96型類似，包括主、次屏壁和內(nèi)壁空間、絕熱層等。Mark III型船的液貨艙主屏壁是1.2mm厚的波紋狀不銹鋼，波紋結(jié)構(gòu)可以吸收由于溫度降低產(chǎn)生的收縮和船體彎曲運動引起的變形；次屏壁是3層板，厚度約0.6mm，兩邊是玻璃纖維布，中間夾著一層鋁箔組成�？臻g填充物為以聚氨酯為主要材料的絕緣板和上橋板，隔熱效果較好，蒸發(fā)率達0.085%/d左右。

IAS系統(tǒng)控制原理

以江南造船(集團)有限責(zé)任公司建造的某型LNGC為例，該船采用Mark III Flex型薄膜艙，其貨物圍護系統(tǒng)裝配結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 貨物圍護系統(tǒng)裝配結(jié)構(gòu)示意圖

整個液貨控制系統(tǒng)IAS由貨艙操作系統(tǒng)CHS和燃?xì)馓幚硐到y(tǒng)GMS兩部分組成，此控制系統(tǒng)除了滿足FGSS的日常功用還要滿足船舶LNG液貨的裝卸、駁運，以及貨艙的日常維護處理。由于LNG極具易揮發(fā)特性，LNG艙壓會隨時間推移而逐漸升高，這意味著艙內(nèi)揮發(fā)出的BOG要及時消耗掉，從而保證艙壓力的平穩(wěn)。消耗BOG的用戶主要有3部分，即船用雙燃料主機、船用主發(fā)電機、輔鍋爐。圖2為IAS控制系統(tǒng)原理圖。

圖2 IAS控制系統(tǒng)示意圖

IAS對于主、次絕緣層氮氣壓力自動控制來說，控制邏輯為：空間壓力低于設(shè)定值時系統(tǒng)注入閥打開，接近目標(biāo)值閥開度關(guān)小，到達目標(biāo)值閥門完全關(guān)閉；空間壓力高于設(shè)定值時排出閥打開，接近目標(biāo)值閥開度關(guān)小，達到目標(biāo)值閥門全部關(guān)閉。然而，由于MARK Ⅲ薄膜艙的特殊性，傳感器感應(yīng)存在一定的延時。為此，主、次絕緣層的氮氣注入和氮氣平衡的控制尤為重要，邏輯控制要根據(jù)不同情況有針對性的合理控制。

實船壓力平衡控制問題

以江南造船(集團)有限責(zé)任公司建造的LNG船為例，當(dāng)IAS系統(tǒng)氮氣控制功能完備，主、次絕緣層進、排氣閥能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制功能該船的控制系統(tǒng)采集主、次絕緣層壓力傳感器的壓力，由于注入口與傳感器相距35m壓力擴散速度因氮氣注入控制有所延時，邏輯控制相對難度較大。圖3為氮氣控制系統(tǒng)示意圖。

圖3 IAS(氮氣平衡控制系統(tǒng)示意圖)

在建船只碼頭加注主要分為惰化、置換、冷艙以及加注氮(Loading)4個階段，整個過程中始終保持主絕緣層壓力：0.5KPag≤PIBS≤1.0KPag，次絕緣層壓力在PIBS+0.2KPag與PIBS+0.7KPag之間。當(dāng)主、次絕緣層壓力低于設(shè)定值時，氮氣注入閥會打開，根據(jù)壓力提升速率自動調(diào)節(jié)氣動控制閥(PCV)開度；當(dāng)主、次絕緣層壓力高于設(shè)定值時，相應(yīng)的排氣PCV閥根據(jù)控制邏輯自動打開到合適開度。當(dāng)壓力繼續(xù)升高到3.0KPag，主絕緣層安全閥(PSV)起跳；3.5KPag時，次絕緣層安全閥PSV起跳。

各階段壓力平衡問題分析

惰化階段，旨在用氮氣將艙內(nèi)的空氣置換掉，利用氮氣與空氣密度差進行分層，以及氣體“活塞效應(yīng)”的特性，采取“頂進底出”的形式，在惰化階段對頂部、中部、底部的氣體取樣監(jiān)測，O2≤2%Vol，標(biāo)志著貨艙惰化完成，本階段主、次絕緣層壓力基本穩(wěn)定，氮氣消耗相對較低。

氮氣置換階段，是在貨艙惰化結(jié)束后，進行的常溫燃?xì)庵脫Q艙內(nèi)的常溫氮氣，同樣利用燃?xì)馀c氮氣密度差進行分層以及氣體的“活塞效應(yīng)”，采取“頂進底出”的形式。此階段主、次絕緣層壓力一樣經(jīng)由IAS自動控制，氮氣氣源同樣由氮氣發(fā)生器供氣，由于艙室溫度變化不大，氮氣負(fù)荷消耗相對較低。圖4為氮氣壓力控制系統(tǒng)。

圖4 主、次絕緣層壓力傳感器箱內(nèi)部布置圖

冷艙階段,LNG經(jīng)由液貨艙噴淋管對大艙進行噴淋，期間按照GTT工藝規(guī)范的溫降曲線控制各時段的冷艙速率，直至艙內(nèi)溫度從頂、中、底平均溫度降到-130℃以下，冷艙工作結(jié)束。由于液貨艙變冷，致使主次絕緣層內(nèi)氣體分子間距變小，壓力降低且溫度降低，故需大量氮氣注入相應(yīng)空間內(nèi)。此階段氮氣需求量較大。圖5為主次絕緣層溫度分布示意圖。

圖5 主絕緣層溫度傳感器布置圖

加注階段，是冷艙結(jié)束后進行LNG加注，LNG槽車將LNG經(jīng)由加注站液相管——噴淋管路——液相管路的方式進行加注。此階段液貨艙和主絕緣層的溫度都會繼續(xù)降低，氮氣注入量較惰化和置換階段較大。

此外，壓力傳感器為表壓傳感器，其量程為-5Kpa～+5Kpa，因此在密性試驗時處于超量程狀態(tài)，整個過程中壓力傳感器管路均需插有盲板法蘭進行保護，而一旦盲板插錯或漏插，將導(dǎo)致壓力傳感器線性發(fā)生偏移甚至損壞的風(fēng)險，會造成主、次絕緣層壓力不穩(wěn)，甚至壓差出現(xiàn)負(fù)值，對整個圍護系統(tǒng)的安全造成隱患。如圖6，主絕緣層壓力表試驗過程中出現(xiàn)了負(fù)壓情況。

圖6 主絕緣層壓力表

各階段處理問題方式方法

建議根據(jù)圍護系統(tǒng)特殊建造的方式大致分為3個階段：

1、主、次絕緣層完成到封艙階段；

2、燃?xì)庀到y(tǒng)系泊試驗階段；

3、船舶航行試驗以及日常維護階段。

第1階段主要是常溫下各屏壁完整后，進行響聲試驗(Sounding Test)、PBGT、SBTT后的主、次絕緣層的氮氣注入工作。該階段由于空間內(nèi)壓力相較標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力所呈現(xiàn)是負(fù)壓狀態(tài)，IAS系統(tǒng)中壓力傳感器在負(fù)壓條件下無法實現(xiàn)壓力監(jiān)測的作用。為此，此階段的IS、IBS壓力監(jiān)測工作由密性實驗團隊(SGS)負(fù)責(zé)，氮氣注入由氮氣瓶組或者船上氮氣發(fā)生器提供。

試驗操作人員根據(jù)監(jiān)測的壓力上升速率合理設(shè)定氮氣注入流量，最終平穩(wěn)完成主、次絕緣層負(fù)壓回至常壓(AP.)的狀態(tài)。調(diào)試人員通過與SGS團隊10分鐘一次的數(shù)據(jù)溝通，根據(jù)壓力回升的速率，合理調(diào)整主、次絕緣層進口閥開度，最終完成負(fù)壓回常壓的工作。待到船舶航行試驗前，最后一次SBTT回常壓結(jié)束后，將臨時管路和盲板法蘭拆除，管路、傳感器全部復(fù)位，然后進行常壓到正常壓力的狀態(tài)。此狀態(tài)最為關(guān)鍵，如若將IAS系統(tǒng)調(diào)成自動模式,主、次絕緣層壓力傳感器采集的壓力均為常壓0kpag，系統(tǒng)會自動將進口閥開度調(diào)到100%，緩沖罐壓力設(shè)定為43kpag,壓力梯度會沿著整根注入管一直延伸，傳遞到注入管的進口局部區(qū)域，導(dǎo)致局部超壓，甚至將次屏壁粘貼薄弱處撕裂。

為此，此階段應(yīng)該在IAS系統(tǒng)中設(shè)定一個特定邏輯，將主、次絕緣層注入閥的開度設(shè)到最大值60%，即系統(tǒng)自動的情況下，降低氮氣注入流量，更加穩(wěn)定的保證氮氣注入速率，從而保證主、次屏壁的型變量可控。直到主、次絕緣層壓力達到正常值。

第2階段主要是液貨艙系泊試驗階段，該階段分為4個步驟，即惰化、置換、冷艙、加注。在這4個步驟中，第1、2步開始時會監(jiān)測主、次絕緣層露點和含氧量，根據(jù)絕緣材料的特殊性，致使參數(shù)不太穩(wěn)定，要反復(fù)吹掃。為此，IAS主、次絕緣層氮氣控制系統(tǒng)要設(shè)定自動吹掃控制邏輯模式。選擇吹掃模式時，主、次絕緣層出口閥開度設(shè)定50%，進口閥根據(jù)壓力控制開度，最大開度均為60%，這樣既能保證壓力的穩(wěn)定可控，又能平穩(wěn)的將空間內(nèi)的空氣進行有效置換，最終達到露點≤-30℃，O2≤3%Vol的目標(biāo)值為后續(xù)貨艙試驗等工作如期進行提供保證。

第3步、第4步由于貨艙溫度變化較大，對主、次絕緣層氮氣注入量變化要求更高。在此情況下，如果一直保持大流量注入，來補充由于溫度降低而導(dǎo)致的主絕緣層壓力下降，同樣會導(dǎo)致局部超壓的情況。此外，由于主、次絕緣層之間有一層上橋板（TBP）隔熱，次絕緣層的溫度不會由于主絕緣層的溫降而有明顯降溫，但是由于主絕緣層壓力降低，主、次絕緣層之間的壓差會增大，致使次屏壁向主絕緣層側(cè)鼓起現(xiàn)象，次絕緣層空間變大，此空間的氮氣壓力也會降低，但幅度明顯小于主絕緣層。

第3階段為船舶航行試驗以及日常維護階段。由于液貨艙艙壓、溫度基本上穩(wěn)定，不需要過多關(guān)注。隨著時間推移，絕緣層內(nèi)的空氣還有可能再次析出累積，造成露點升高，此狀態(tài)時主、次絕緣層均是低溫狀態(tài)，一旦露點溫度升高，會有結(jié)冰風(fēng)險。建議在此安全穩(wěn)定階段設(shè)定每天一小時的小流量吹掃程序。排氣閥開度10%，進口閥自動狀態(tài)，能保證在壓力波動不大的前提下，進口閥頻繁開關(guān)，使壓力擴散脈沖，將角角落落的殘余空氣稀釋推動，最終排出到大氣中。

根據(jù)上述現(xiàn)象，可在IAS控制系統(tǒng)中針對此情況設(shè)定個小程序，將主絕緣層的注入閥開度設(shè)定最大值60%，由于主絕緣層壓力降低而造成主、次絕緣層壓差過大的情況下，控制邏輯應(yīng)先打開次絕緣層出口閥進行排氣。這樣既能保證主絕緣層壓力穩(wěn)步上升，又能保證主、次絕緣層壓差可控。待到整個試驗結(jié)束后，恢復(fù)到正常控制邏輯。在第2階段實驗過程中時刻監(jiān)測主絕緣層壓力，一旦低于0.25KPag,且呈繼續(xù)降低態(tài)勢，立即降低LNG的噴淋流量(整個試驗階段溫度下降幅度以GTT工藝文件的溫度曲線為準(zhǔn))。直到壓力趨于穩(wěn)定可控，進行適當(dāng)?shù)募哟罅髁�，在保證整個試驗安全、平穩(wěn)的前提下，縮短試驗時間，從而降低材料成本，為接下來的船舶燃?xì)饽Ｊ胶叫性囼烅樌�進行保駕護航。