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固定式可燃氣體探測系統

時間:2017/10/13 7:54:05 點擊:

  內容提示:船舶貨艙的氣體探測系統的規范要求及探討。...

本文轉自微信公眾號“航海人”,作者:吉米哥

十幾年前,鄙人在船廠主管某系列多用途散貨船,臨近交船的時候,甲裝室的主管設計師說,LR驗船師要求在貨艙艙口圍開幾個小孔,據稱是為了營運測量貨艙內氣體含量。當時不明白為什么裝散貨還需要氣體探測?多年后從公約和規則上找到了答案,才真正搞清楚原因。

固定式可燃氣體探測系統
而今不做散貨船好多年了,一直與油化船、液化氣船打交道。前段時間檢驗某雙相不銹鋼化學品船的固定式可燃氣體探測系統,準備整理和歸納此系統的布置和檢驗要求。
此系統功能雖然簡單,但涉及的規范、規則和公約內容挺分散,而且在不同船舶的方方面面應用非常廣泛。除了文首提到的散裝固體危險貨物的散貨船,可燃氣體探測還可能出現在油船、瀝青船、化學品船、液化氣船,氣體燃料雙壁管、雙燃料機的曲軸箱氣體探測和排氣管、壓載水處理裝置、惰性氣體/氮氣發生器室等方面。
氣體探測和可燃氣體探測是兩個概念,氣體探測范圍更廣,包括氧氣、有毒氣體、制冷劑泄露等,以及可燃氣體。可燃氣體則如工作環境下為氣態的氫氣、一氧化碳、碳氫化合物:烷烴(C1到C4)、烯烴(乙烯、丙烯和丁烯)、乙炔、丙炔、丁炔、硫化氫、磷化氫等,本文主要介紹包括碳氫化合物在內的可燃氣體。
1、散裝固體危險貨物
某些固體散貨易于氧化,可能導致缺氧、散發有毒氣體或煙氣及自熱。例如褐煤磚,就容易氧化,導致貨物處所缺氧和二氧化碳增加。而且易于自熱,可能在貨物處所內自燃。在發生自燃時,可能產生包括一氧化碳在內的易燃和有毒氣體。某些貨物雖然不易氧化,但可能散發有毒煙氣,特別是在潮濕時,比如硫化物精礦。
貨物處所及相鄰處所可能缺氧,或可能含有毒性或窒息性氣體,以及空的貨物處所或液艙關閉一段時間后,其內的氧氣可能不足以維持生命。例如大多數蔬菜制品和林產品、黑色金屬、金屬硫化物精礦和貨煤。
所以散裝固體危險貨物的船上,貨艙可能出現可燃氣體或者易爆炸粉塵環境,以及艙室缺氧,進入船上封閉處所之前,應遵守進入圍蔽處所的程序,事先進行必要的氣體探測。
固定式可燃氣體探測系統
2、液貨船的泵艙
根據SOLAS公約第II-1章第4.5.10條的規定,液貨船的泵艙內應安裝一個持續監測碳氫化合物氣體濃度的系統。采樣點或探測頭應設置在適當位置,以隨時探測到潛在的危險泄漏。如果碳氫化合物氣體濃度達到預先設定的水平(應不高于可燃氣體爆炸下限的10%),應在泵艙、機器控制室、貨物控制室和駕駛室內自動激發連續聽覺和視覺報警信號。泵艙適當的適當探測位置可以是抽風管和內底板以上較低部分。
固定式可燃氣體探測系統
請注意,此處公約規定為持續監測,而后文將介紹的固定式碳氫化合物氣體探測系統,基于FSS規則第10章的要求,應該是順序監測,所以這兩個系統并不完全相同,按照DNV規范的解釋,這兩個系統不能合二為一,可以允許泵艙的可燃氣體探測系統采用順序監測,但是泵艙系統應該專用于泵艙的可燃氣體探測。
3、油船固定式CH氣體探測系統
2010年5月,海安會第87次會議通過了MSC.291(87)決議案,修訂的SOLAS公約新增第II-1章4.5.7.3條,要求自2012年1月1日及以后新造的2W載重噸的油船應按照符合FSS規則的固定式CH氣體探測系統。目的是探測相鄰于液貨艙的雙殼體處所和雙層底處所內,所有壓載艙和留空處所的烴類氣體濃度,這些處所包括首尖艙、以及位于艙壁甲板以下并相鄰于液貨艙的任何其他液艙和處所。艙壁甲板的概念雖然來自于公約對客船的定義,但依吉米哥的理解,此處所述艙壁甲板等效于貨船干舷甲板。
固定式可燃氣體探測系統
為什么油船需要可燃氣體探測系統呢?我們知道原油和成品油主要是烴類化合物,同時溶解極少量的硫化物。油品在貨油艙加熱時會產生貨物蒸氣,如果相鄰艙壁的焊縫有泄露,逸出的蒸氣極可能滲透到相鄰的艙室,這種烴類蒸氣分子重量大于空氣,往往聚集在艙室的下部,部分有毒氣體比如少量的硫化氫,一氧化碳,因為比空氣輕或接近,因而可能出現在密閉艙室的上部,假如圍蔽處所和艙室通風不良,久而久之就會形成爆炸環境,進而發生爆炸危險,這樣的海事事故不在少數。
另一方面潮濕的環境容易滋生細菌,好氧性的細菌消耗空氣中的氧氣,最終處所中氧份含量降低,人員進入會造成窒息。
因此,油化船上可燃氣體探測主要是針對碳氫化合物,其次是硫化氫,最后還包括氧氣含量的監測。
4、氣體燃料發動機
為了應對當前國際航運對減排和減碳的需要,越來越多的船舶選擇氣體燃料發動機,目前的氣體燃料主流是甲烷。2017年6月,船用柴油機巨頭MAN推出全球首臺ME-GIE發動機,可以把乙烷作為燃料,GIE是氣體噴射乙烷的縮寫。最近據挪威海事局透露,維京郵輪正在開展一項液態氫動力郵輪項目,到目前為止,液態氫尚沒有作為船用燃料的案例,因為氫氣液化的溫度更低至-253℃,由此可見氣體燃料種類種類擴大。
最初氣體燃料發動機主要用在LNG船上,大量BOG的天然氣可以送至機艙的發動機用作推進燃料。所以在IGC規則第16章,對貨物作為燃料提出了基本要求,甲烷(LNG蒸氣或蒸發氣體)是可用于A類機器處所的唯一貨物,且僅限用于這些處所內的鍋爐、惰性氣體發生器、內燃機、氣體燃燒裝置(GCU)和燃氣輪機系統。但是指出在用氣處所,特別是空氣流動較差的區域,應安裝氣體探測器,并且在第13章詳細規定了液化氣船上可燃氣體的探測要求。
在液化氣船上,LNG蒸氣和強制蒸發氣量比較大,因此規則要求的可燃氣體探測系統為連續探測,能立即響應。但是如果可燃氣體探測系統不位于非危險區域,則不必滿足控制箱內可燃氣體濃度高至30%LEL自動切斷分析單元的要求,此外如果液化氣船上不使用氣體燃料發動機,也不存在可燃氣體高濃度與氣體燃料供氣主閥的聯鎖,在這兩種情況,也可以采用順序采樣法的可燃氣體探測系統。
越來越多的非液化氣船也設置了氣體燃料艙,此時IGC規則并不適用了,因而IMO順應時局,在2015年6月的95次海安會上通過了決議案MSC.391(95),這就是IGF規則,亦即《使用氣體或其它低閃點燃料船舶國際安全規則》。IGF規則第15.8條詳述了船上使用氣體和低閃點燃料時,對氣體探測的要求,規定了必須探測可燃氣體的位置,比如燃料艙接頭處所、雙壁管之間的空間、空氣閘、壓縮機間和燃料制備間、以及雖然沒有包括雙壁管,但是含有燃料管路和燃料設備的圍蔽處所等。順便提一句,IGF規則已經納入今年注冊驗船師考試的大綱。
固定式可燃氣體探測系統
下圖為雙殼組成的燃料艙,燃料艙連接處所TCS位于右側方頭部分。
固定式可燃氣體探測系統
5、規范和規則對系統的技術要求
5.1、哪些艙室和液艙需要探測?
按照FSS規則第10章和MSC.1 Circ.1370對固定式可燃氣體探測系統設計、構造和試驗指南,完整的一套固定式CH氣體探測系統包括取樣管系、測量和分析單元組成。取樣管應設置在毗鄰液貨艙的雙殼體處所和雙層底處所的所有壓載艙和空艙處所,包括艏尖艙、任何毗鄰液貨艙,并在艙壁甲板之下的任何其他液艙和處所。REC.123還提到與液貨艙相鄰的側推艙。
UI SC268統一解釋指出,此處的貨油艙包括污油艙slop tank,除非污油艙僅僅存放油污水(oily water)。位于艙壁甲板以下并相鄰于液貨艙的任何液艙和艙室,不包括燃油艙,這很好理解,燃油主要成分就是碳氫化合物,不必多此一舉。這些艙室和液艙包括隔離艙、空艙、壓載泵艙和淡水艙等。
UI SC268進一步解釋相鄰的概念,相鄰包括與貨油艙和污油艙十字相交的那些艙室,十字相交cruciform contact意指與貨油艙角對角的艙室和液艙。
5.2、取樣管系
某些部分的不銹鋼取樣管要浸沒在壓載艙中,為了防腐蝕,取樣管線材料一般選取不銹鋼管,如果嚴格按照規范,奧氏體不銹鋼并不適用于海水系統中,依吉米哥之見,訂貨的時候應該約定為雙相不銹鋼管或馬氏體不銹鋼管,而不是奧氏體不銹鋼。另外,也可以采用非金屬取樣管,但是非金屬管應能導電。在BV規范中,還明確取樣管不能使用含鋁材質,這也容易理解,鋁在電介質中容易腐蝕,生成的氫氧化鋁絮狀物可能會堵塞取樣管。液艙中的取樣管最好不要有存水彎,防止取樣管抽吸功能受限制。
取樣點數量:
固定式可燃氣體探測系統
縱傾和穩性手冊或者裝載手冊中,在滿載吃水時可能包括某些壓載艙部分壓載的情況,但是因為船舶操作限制,執行這種情況并不是很可行,因而,IACS REC.123推薦案建議,壓載艙和淡水艙中應該設置2個取樣點。空艙、壓載泵艙等干燥艙室,可以只有1個取樣點。
不同船級社在規范上可能要求有差異,比如DNV規范規定2W載重噸及以上的油船,壓載艙和淡水艙應該有上下2個取樣點,除非縱傾和穩性手冊明確限制部分壓載會注入;而在BV規范中,小于5W載重噸的油船,可以允許因實際和/或操作的原因,每一液艙安裝1個取樣點;而對于雙層底壓載艙、不用來部分注入的壓載艙和空艙,可不要求上部取樣點。因此提醒設計師,即使滿足了FSS規則的要求,還應注意不同船級社規范的差異。
仍然在REC.123中,每個取樣管應該針對單個取樣管連接到控制箱,但是同一個艙室的取樣管可以在甲板上組合到一起,通過三通閥或類似裝置來切換選擇上部和下部取樣點,同時在三通閥處應該指示哪一個取樣點在起作用。同時在貨控室應張貼告示牌,指出不同操作模式下,三通閥的操作程序,比如在滿載情況下,選擇下部取樣點工作,而在部分壓載/注入情況下,上部取樣點工作。
取樣點高度:
BV規范規定,如果設置2處,上部取樣點不應低于艙頂以下1米處。下部取樣點應在船底板縱桁材高度之上,但至少高于艙底0.5米,并應設有堵塞時可以關閉的設施。下圖中某壓載艙下部取樣點位置過低,不足0.5米。此外,按廠家資料的要求,取樣管與艙壁保持0.1米的間距。
固定式可燃氣體探測系統
當液艙打壓載時,應有設施防止氣體取樣管線堵塞,從壓載切換至貨物裝載模式后,通過壓縮空氣吹除來清潔管線。當氣體取樣管路堵塞時,該系統應發出報警顯示。廠家在設計液艙和干艙取樣管時,液艙取樣管有壓縮空氣保持背壓,而干艙則無。康士廉SW2020系統壓縮空氣背壓管以及空氣沖洗管,工作壓力為5-15bar。
取樣管尺寸:
按照MSC.1 Circ.1370指南文件,取樣管直徑不能小于6mm。而在REC.123建議案中,取樣管可以穿過水密分隔,但是任何兩個水密分隔之間的貫穿面積不能超過710mm2,換算成直徑約為30mm。其實很少有取樣管選這么大規格,大直徑管易于造成取樣泵空載,往往選用10mm的不銹鋼管為宜。
取樣管長度:
如果船上取樣點比較多,應注意管子的長度與取樣時間的管系,以康士廉SW2020系統為例,200米長的取樣管,取樣時間可能大約60秒,如果船上有超過30個點,很有可能不能在30分鐘中內完成順序取樣,所以設計人員一定要注意這一點。
固定式可燃氣體探測系統
固定式可燃氣體探測系統
取樣管貫穿件:
通常,壓載艙和淡水艙的取樣管穿過水密干舷甲板后,匯總于在露天甲板上。實際上也允許從壓載艙之間內部貫穿,但這樣不方便維護,取樣管可以貫穿水密分隔,但任何時候都不要貫穿貨油艙,同時貫穿位置盡可能遠離船殼板。下圖黑管為可燃氣體取樣管,紅藍管為閥門遙控液壓管。
固定式可燃氣體探測系統
5.3、氣體分析單元
按照FSS規則的要求,氣體分析單元應位于貨物區域外的安全處所;例如貨物控制室和/或駕駛室內,此外當安裝在前艙壁上時,位于液壓間內。
固定式可燃氣體探測系統
在FSS規則的原文中確實出現了hydraulic room,但液壓間到底是什么鬼?吉米哥百思不得其解,后來查閱不同船級社規范找到些眉目,比如在DNV規范中,吉米哥發現FSS規則原文中的“hydraulic room”表達為“engine room”的前壁。
固定式可燃氣體探測系統
無論是貨物控制液壓系統或者閥門遙控的液壓泵站,都未必靠近貨物區域,這樣不利于布置盡可能短的取樣管至分析單元。而機艙前壁靠近貨物區域,方便布置可燃氣體控制箱,并且也利于延伸報警顯示器至駕駛室。因此,認為規則中hydraulic room正確表達應該為engine room,這樣比較可信,也具有可操作性。另外吉米哥認為,如果分析單元布置在低于干舷甲板以下的機艙前壁,在船舶破損時,水會進入低于平衡水線的分析單元,因此機艙前壁并不是一個最佳位置,除非機艙前壁位于干舷甲板之上。
固定式可燃氣體探測系統
取樣管不能穿過非危險區域,并應設有火焰熄滅器。取樣碳氫化合物氣體出口應通向大氣,并置于不能靠近點火源的安全位置,也不能靠近居住區域空氣吸入口;在危險區域和非危險區域之間的貫穿件,應該保持所處防火分隔的完整性。另外,每一取樣管在氣體安全側的艙壁上應該設有手動隔離閥。
固定式可燃氣體探測系統
5.4、探測設備
探測設備和取樣單元通常在一個控制箱內,該控制箱應該適度氣密,FSS規則解釋適度氣密可以是帶有密封襯墊門的控制箱鋼制罩殼應通過自身的取樣點監控。當箱子內的氣體濃度高于30%的可燃下限,整個氣體分析單元應自動切斷;
罩殼不能直接置于艙壁上,且除在艙壁處的隔離閥和分析單元的接頭外,無可拆接頭,并按最短路徑布置管系。
固定式可燃氣體探測系統
FSS規則中紅色部分為enclosure,而與前文藍色字體的cabinet似乎是兩個概念,吉米哥結合船級社規范后,認為此處實質上是同一個意思,都指控制箱。出現兩個表述,可能因為容納分析單元和測量設備圍壁物,既可以是可以直接安裝在艙壁上的罩殼,也可以是廠家提供的完整控制箱,而船上往往是后者。
氣體探測設備,應設計成在不超過30分鐘的間隔內,順序取樣和分析每一受保護處所的每一取樣管,此時與前文提及的泵艙氣體探測連續采樣監測不同,BTY,氣體燃料供應雙壁管之間的空間也是連續采樣。
當固定式系統異常或系統校準時,應設有布置以確保使用便攜式儀器進行測量。當系統異常時,應有程序使用便攜式儀器繼續監控環境,并記錄測量結果。MSC.1 Cric.1370指南指出,校準包括0為校準和標準氣體校準。
固定式可燃氣體探測系統
5.5、報警功能
當給定處所的蒸氣濃度,達到不高于相當于可燃下限30%的預設值時,應在貨物控制室,駕駛室和分析單元處激發視覺和聲響報警,如果必要,還應考慮延伸到VDR系統。報警系統還包括:電源故障或失電、取樣氣流低或無氣流,相當于堵塞、竄改報警設定點和自檢功能故障等。
IGF規則對氣體燃料這一塊還有額外要求,蒸氣濃度達到最低可燃性極限的60%前觸發安全系統切斷氣體燃料主閥。使用氣體燃料的內燃機的曲軸箱,在達到最低可燃性極限的100%前報警等。
下圖為采用標準試驗氣體進行系統功能試驗,如果船廠告訴你用氣體打火機做試驗,怎么形容呢?那不是特別不專業,那是向當地不專業!
固定式可燃氣體探測系統
5.6、系統校準
氣體探測設備的設計,應可以方便試驗和校準。按照MSC.1 Circ.1370的要求,如果船上載運甲烷,那么標準校驗氣體span calibration gas應該有這樣幾種,甲烷檢測甲烷和含有甲烷的混合CH氣體;丙烷檢測不含甲烷的CH氣體;或者與可燃范圍相適應的實際氣體或化學性相似的氣體。這樣看來,油船上至少備有丙烷校驗氣體,LNG船或者LNG燃料動力的船舶必須備用甲烷校驗氣體,而化學品船上除了丙烷以外,還應該有其他校驗氣體。
下圖為5000立方米LPG船上的丙烷校準氣瓶。
固定式可燃氣體探測系統
6、可燃氣體探測原理
可燃氣體探測按照測量原理分為催化燃燒型和紅外線吸收型,熱導型、半導體型,比如本船SW2020可燃氣體探測系統采用紅外線吸收和電化學兩種探測器。
固定式可燃氣體探測系統
紅外吸收原理檢測方法是利用郎伯-比爾光吸收定律,即不同氣體對特定波長的光有吸收,吸收的強度和氣體的濃度成正比。也就是說,某種氣體只對應吸收某種波段處的紅外光能量,這個波段稱為這一氣體的特定紅外吸收峰,它并不受其它氣體吸收峰干擾,吸收的能量與氣體在紅外光區內的濃度有關。
而電化學氣體檢測,則是通過電化學傳感器通過與被測氣體發生反應,并產生與氣體濃度成正比的電信號來工作。典型的電化學傳感器由傳感電極和反電極組成,并由一個薄電解層隔開。
氣體首先通過微小的毛管型開孔與傳感器發生反應,然后是憎水屏障,最終到達電極表面。采用這種方法可以允許適量氣體與傳感電極發生反應,以形成充分的電信號,同時防止電解質漏出傳感器。穿過屏障擴散的氣體與傳感電極發生反應,傳感電極可以采用氧化機理或還原機理,這些反應由針對被測氣體而設計的電極材料進行催化。
通過電極間連接的電阻器,與被測氣濃度成正比的電流會在正極與負極間流動,測量該電流即可確定氣體濃度。
7、CH氣體or硫化氫?
SW2020這套系統紅外線探測器可以探測碳化合物(型式認可證書注明是甲烷或丙烷),電化學法探測器檢測氧氣。雖然吉米哥在廠家資料上看到廠家聲稱還可以探測硫化氫,但是硫化氫并不是MED涵蓋的范圍,這就是為什么我們在SOLAS公約、FSS規則等處氣體探測工程規范名為fixed hydrocarbon gas detection system,而不是大家耳熟能詳的flammable gas detetion原因,氧氣探測在SOLAS公約和FSS規則上,則針對可能缺氧的環境,比如氮氣發生器等。
電化學法的確可以用來檢測硫化氫,硫化氫不僅可燃,而且有毒。在海洋石油鉆井平臺上,出現的幾率遠遠高于碳氫化合物,這是因為地殼深處的硫含量比較高,在巖漿的高溫作用下形成硫化氫深藏在底層深處,而不幸被貪婪的人類鉆井時釋放出來。因而,在MODU CODE上,特別要求設置固定式硫化氫氣體自動探測和報警系統(而不是CH氣體),連續監測平臺上的鉆井區域、泥漿處理區域和井內液體測試區域。

【參考文獻】
UI SC268 可燃氣體布置解釋
FSS規則2016年中文(船海人版)
SOLAS公約2016年中文(船海人版)
BV規范D篇第7章第6節
DG規范第5篇第5章
MSC.1 Circ.1370 可燃氣體指南
REC.123 可燃氣體建議案
MODU CODE 鉆井平臺規則
SW2020系統說明書

作者:吉米哥 來源:航海人

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