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固定式可燃气体探测系统

时间:2017/10/13 7:54:05 点击:

  内容提示:船舶货舱的气体探测系统的规范要求及探讨。...

本文转自微信公众号“航海人”,作者:吉米哥

十几年前,鄙人在船厂主管某系列多用途散货船,临近交船的时候,甲装室的主管设计师说,LR验船师要求在货舱舱口围开几个小孔,据称是为了营运测量货舱内气体含量。当时不明白为什么装散货还需要气体探测?多年后从公约和规则上找到了答案,才真正搞清楚原因。

固定式可燃气体探测系统
而今不做散货船好多年了,一直与油化船、液化气船打交道。前段时间检验某双相不锈钢化学品船的固定式可燃气体探测系统,准备整理和归纳此系统的布置和检验要求。
此系统功能虽然简单,但涉及的规范、规则和公约内容挺分散,而且在不同船舶的方方面面应用非常广泛。除了文首提到的散装固体危险货物的散货船,可燃气体探测还可能出现在油船、沥青船、化学品船、液化气船,气体燃料双壁管、双燃料机的曲轴箱气体探测和排气管、压载水处理装置、惰性气体/氮气发生器室等方面。
气体探测和可燃气体探测是两个概念,气体探测范围更广,包括氧气、有毒气体、制冷剂泄露等,以及可燃气体。可燃气体则如工作环境下为气态的氢气、一氧化碳、碳氢化合物:烷烃(C1到C4)、烯烃(乙烯、丙烯和丁烯)、乙炔、丙炔、丁炔、硫化氢、磷化氢等,本文主要介绍包括碳氢化合物在内的可燃气体。
1、散装固体危险货物
某些固体散货易于氧化,可能导致缺氧、散发有毒气体或烟气及自热。例如褐煤砖,就容易氧化,导致货物处所缺氧和二氧化碳增加。而且易于自热,可能在货物处所内自燃。在发生自燃时,可能产生包括一氧化碳在内的易燃和有毒气体。某些货物虽然不易氧化,但可能散发有毒烟气,特别是在潮湿时,比如硫化物精矿。
货物处所及相邻处所可能缺氧,或可能含有毒性或窒息性气体,以及空的货物处所或液舱关闭一段时间后,其内的氧气可能不足以维持生命。例如大多数蔬菜制品和林产品、黑色金属、金属硫化物精矿和货煤。
所以散装固体危险货物的船上,货舱可能出现可燃气体或者易爆炸粉尘环境,以及舱室缺氧,进入船上封闭处所之前,应遵守进入围蔽处所的程序,事先进行必要的气体探测。
固定式可燃气体探测系统
2、液货船的泵舱
根据SOLAS公约第II-1章第4.5.10条的规定,液货船的泵舱内应安装一个持续监测碳氢化合物气体浓度的系统。采样点或探测头应设置在适当位置,以随时探测到潜在的危险泄漏。如果碳氢化合物气体浓度达到预先设定的水平(应不高于可燃气体爆炸下限的10%),应在泵舱、机器控制室、货物控制室和驾驶室内自动激发连续听觉和视觉报警信号。泵舱适当的适当探测位置可以是抽风管和内底板以上较低部分。
固定式可燃气体探测系统
请注意,此处公约规定为持续监测,而后文将介绍的固定式碳氢化合物气体探测系统,基于FSS规则第10章的要求,应该是顺序监测,所以这两个系统并不完全相同,按照DNV规范的解释,这两个系统不能合二为一,可以允许泵舱的可燃气体探测系统采用顺序监测,但是泵舱系统应该专用于泵舱的可燃气体探测。
3、油船固定式CH气体探测系统
2010年5月,海安会第87次会议通过了MSC.291(87)决议案,修订的SOLAS公约新增第II-1章4.5.7.3条,要求自2012年1月1日及以后新造的2W载重吨的油船应按照符合FSS规则的固定式CH气体探测系统。目的是探测相邻于液货舱的双壳体处所和双层底处所内,所有压载舱和留空处所的烃类气体浓度,这些处所包括首尖舱、以及位于舱壁甲板以下并相邻于液货舱的任何其他液舱和处所。舱壁甲板的概念虽然来自于公约对客船的定义,但依吉米哥的理解,此处所述舱壁甲板等效于货船干舷甲板。
固定式可燃气体探测系统
为什么油船需要可燃气体探测系统呢?我们知道原油和成品油主要是烃类化合物,同时溶解极少量的硫化物。油品在货油舱加热时会产生货物蒸气,如果相邻舱壁的焊缝有泄露,逸出的蒸气极可能渗透到相邻的舱室,这种烃类蒸气分子重量大于空气,往往聚集在舱室的下部,部分有毒气体比如少量的硫化氢,一氧化碳,因为比空气轻或接近,因而可能出现在密闭舱室的上部,假如围蔽处所和舱室通风不良,久而久之就会形成爆炸环境,进而发生爆炸危险,这样的海事事故不在少数。
另一方面潮湿的环境容易滋生细菌,好氧性的细菌消耗空气中的氧气,最终处所中氧份含量降低,人员进入会造成窒息。
因此,油化船上可燃气体探测主要是针对碳氢化合物,其次是硫化氢,最后还包括氧气含量的监测。
4、气体燃料发动机
为了应对当前国际航运对减排和减碳的需要,越来越多的船舶选择气体燃料发动机,目前的气体燃料主流是甲烷。2017年6月,船用柴油机巨头MAN推出全球首台ME-GIE发动机,可以把乙烷作为燃料,GIE是气体喷射乙烷的缩写。最近据挪威海事局透露,维京邮轮正在开展一项液态氢动力邮轮项目,到目前为止,液态氢尚没有作为船用燃料的案例,因为氢气液化的温度更低至-253℃,由此可见气体燃料种类种类扩大。
最初气体燃料发动机主要用在LNG船上,大量BOG的天然气可以送至机舱的发动机用作推进燃料。所以在IGC规则第16章,对货物作为燃料提出了基本要求,甲烷(LNG蒸气或蒸发气体)是可用于A类机器处所的唯一货物,且仅限用于这些处所内的锅炉、惰性气体发生器、内燃机、气体燃烧装置(GCU)和燃气轮机系统。但是指出在用气处所,特别是空气流动较差的区域,应安装气体探测器,并且在第13章详细规定了液化气船上可燃气体的探测要求。
在液化气船上,LNG蒸气和强制蒸发气量比较大,因此规则要求的可燃气体探测系统为连续探测,能立即响应。但是如果可燃气体探测系统不位于非危险区域,则不必满足控制箱内可燃气体浓度高至30%LEL自动切断分析单元的要求,此外如果液化气船上不使用气体燃料发动机,也不存在可燃气体高浓度与气体燃料供气主阀的联锁,在这两种情况,也可以采用顺序采样法的可燃气体探测系统。
越来越多的非液化气船也设置了气体燃料舱,此时IGC规则并不适用了,因而IMO顺应时局,在2015年6月的95次海安会上通过了决议案MSC.391(95),这就是IGF规则,亦即《使用气体或其它低闪点燃料船舶国际安全规则》。IGF规则第15.8条详述了船上使用气体和低闪点燃料时,对气体探测的要求,规定了必须探测可燃气体的位置,比如燃料舱接头处所、双壁管之间的空间、空气闸、压缩机间和燃料制备间、以及虽然没有包括双壁管,但是含有燃料管路和燃料设备的围蔽处所等。顺便提一句,IGF规则已经纳入今年注册验船师考试的大纲。
固定式可燃气体探测系统
下图为双壳组成的燃料舱,燃料舱连接处所TCS位于右侧方头部分。
固定式可燃气体探测系统
5、规范和规则对系统的技术要求
5.1、哪些舱室和液舱需要探测?
按照FSS规则第10章和MSC.1 Circ.1370对固定式可燃气体探测系统设计、构造和试验指南,完整的一套固定式CH气体探测系统包括取样管系、测量和分析单元组成。取样管应设置在毗邻液货舱的双壳体处所和双层底处所的所有压载舱和空舱处所,包括艏尖舱、任何毗邻液货舱,并在舱壁甲板之下的任何其他液舱和处所。REC.123还提到与液货舱相邻的侧推舱。
UI SC268统一解释指出,此处的货油舱包括污油舱slop tank,除非污油舱仅仅存放油污水(oily water)。位于舱壁甲板以下并相邻于液货舱的任何液舱和舱室,不包括燃油舱,这很好理解,燃油主要成分就是碳氢化合物,不必多此一举。这些舱室和液舱包括隔离舱、空舱、压载泵舱和淡水舱等。
UI SC268进一步解释相邻的概念,相邻包括与货油舱和污油舱十字相交的那些舱室,十字相交cruciform contact意指与货油舱角对角的舱室和液舱。
5.2、取样管系
某些部分的不锈钢取样管要浸没在压载舱中,为了防腐蚀,取样管线材料一般选取不锈钢管,如果严格按照规范,奥氏体不锈钢并不适用于海水系统中,依吉米哥之见,订货的时候应该约定为双相不锈钢管或马氏体不锈钢管,而不是奥氏体不锈钢。另外,也可以采用非金属取样管,但是非金属管应能导电。在BV规范中,还明确取样管不能使用含铝材质,这也容易理解,铝在电介质中容易腐蚀,生成的氢氧化铝絮状物可能会堵塞取样管。液舱中的取样管最好不要有存水弯,防止取样管抽吸功能受限制。
取样点数量:
固定式可燃气体探测系统
纵倾和稳性手册或者装载手册中,在满载吃水时可能包括某些压载舱部分压载的情况,但是因为船舶操作限制,执行这种情况并不是很可行,因而,IACS REC.123推荐案建议,压载舱和淡水舱中应该设置2个取样点。空舱、压载泵舱等干燥舱室,可以只有1个取样点。
不同船级社在规范上可能要求有差异,比如DNV规范规定2W载重吨及以上的油船,压载舱和淡水舱应该有上下2个取样点,除非纵倾和稳性手册明确限制部分压载会注入;而在BV规范中,小于5W载重吨的油船,可以允许因实际和/或操作的原因,每一液舱安装1个取样点;而对于双层底压载舱、不用来部分注入的压载舱和空舱,可不要求上部取样点。因此提醒设计师,即使满足了FSS规则的要求,还应注意不同船级社规范的差异。
仍然在REC.123中,每个取样管应该针对单个取样管连接到控制箱,但是同一个舱室的取样管可以在甲板上组合到一起,通过三通阀或类似装置来切换选择上部和下部取样点,同时在三通阀处应该指示哪一个取样点在起作用。同时在货控室应张贴告示牌,指出不同操作模式下,三通阀的操作程序,比如在满载情况下,选择下部取样点工作,而在部分压载/注入情况下,上部取样点工作。
取样点高度:
BV规范规定,如果设置2处,上部取样点不应低于舱顶以下1米处。下部取样点应在船底板纵桁材高度之上,但至少高于舱底0.5米,并应设有堵塞时可以关闭的设施。下图中某压载舱下部取样点位置过低,不足0.5米。此外,按厂家资料的要求,取样管与舱壁保持0.1米的间距。
固定式可燃气体探测系统
当液舱打压载时,应有设施防止气体取样管线堵塞,从压载切换至货物装载模式后,通过压缩空气吹除来清洁管线。当气体取样管路堵塞时,该系统应发出报警显示。厂家在设计液舱和干舱取样管时,液舱取样管有压缩空气保持背压,而干舱则无。康士廉SW2020系统压缩空气背压管以及空气冲洗管,工作压力为5-15bar。
取样管尺寸:
按照MSC.1 Circ.1370指南文件,取样管直径不能小于6mm。而在REC.123建议案中,取样管可以穿过水密分隔,但是任何两个水密分隔之间的贯穿面积不能超过710mm2,换算成直径约为30mm。其实很少有取样管选这么大规格,大直径管易于造成取样泵空载,往往选用10mm的不锈钢管为宜。
取样管长度:
如果船上取样点比较多,应注意管子的长度与取样时间的管系,以康士廉SW2020系统为例,200米长的取样管,取样时间可能大约60秒,如果船上有超过30个点,很有可能不能在30分钟中内完成顺序取样,所以设计人员一定要注意这一点。
固定式可燃气体探测系统
固定式可燃气体探测系统
取样管贯穿件:
通常,压载舱和淡水舱的取样管穿过水密干舷甲板后,汇总于在露天甲板上。实际上也允许从压载舱之间内部贯穿,但这样不方便维护,取样管可以贯穿水密分隔,但任何时候都不要贯穿货油舱,同时贯穿位置尽可能远离船壳板。下图黑管为可燃气体取样管,红蓝管为阀门遥控液压管。
固定式可燃气体探测系统
5.3、气体分析单元
按照FSS规则的要求,气体分析单元应位于货物区域外的安全处所;例如货物控制室和/或驾驶室内,此外当安装在前舱壁上时,位于液压间内。
固定式可燃气体探测系统
在FSS规则的原文中确实出现了hydraulic room,但液压间到底是什么鬼?吉米哥百思不得其解,后来查阅不同船级社规范找到些眉目,比如在DNV规范中,吉米哥发现FSS规则原文中的“hydraulic room”表达为“engine room”的前壁。
固定式可燃气体探测系统
无论是货物控制液压系统或者阀门遥控的液压泵站,都未必靠近货物区域,这样不利于布置尽可能短的取样管至分析单元。而机舱前壁靠近货物区域,方便布置可燃气体控制箱,并且也利于延伸报警显示器至驾驶室。因此,认为规则中hydraulic room正确表达应该为engine room,这样比较可信,也具有可操作性。另外吉米哥认为,如果分析单元布置在低于干舷甲板以下的机舱前壁,在船舶破损时,水会进入低于平衡水线的分析单元,因此机舱前壁并不是一个最佳位置,除非机舱前壁位于干舷甲板之上。
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取样管不能穿过非危险区域,并应设有火焰熄灭器。取样碳氢化合物气体出口应通向大气,并置于不能靠近点火源的安全位置,也不能靠近居住区域空气吸入口;在危险区域和非危险区域之间的贯穿件,应该保持所处防火分隔的完整性。另外,每一取样管在气体安全侧的舱壁上应该设有手动隔离阀。
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5.4、探测设备
探测设备和取样单元通常在一个控制箱内,该控制箱应该适度气密,FSS规则解释适度气密可以是带有密封衬垫门的控制箱钢制罩壳应通过自身的取样点监控。当箱子内的气体浓度高于30%的可燃下限,整个气体分析单元应自动切断;
罩壳不能直接置于舱壁上,且除在舱壁处的隔离阀和分析单元的接头外,无可拆接头,并按最短路径布置管系。
固定式可燃气体探测系统
FSS规则中红色部分为enclosure,而与前文蓝色字体的cabinet似乎是两个概念,吉米哥结合船级社规范后,认为此处实质上是同一个意思,都指控制箱。出现两个表述,可能因为容纳分析单元和测量设备围壁物,既可以是可以直接安装在舱壁上的罩壳,也可以是厂家提供的完整控制箱,而船上往往是后者。
气体探测设备,应设计成在不超过30分钟的间隔内,顺序取样和分析每一受保护处所的每一取样管,此时与前文提及的泵舱气体探测连续采样监测不同,BTY,气体燃料供应双壁管之间的空间也是连续采样。
当固定式系统异常或系统校准时,应设有布置以确保使用便携式仪器进行测量。当系统异常时,应有程序使用便携式仪器继续监控环境,并记录测量结果。MSC.1 Cric.1370指南指出,校准包括0为校准和标准气体校准。
固定式可燃气体探测系统
5.5、报警功能
当给定处所的蒸气浓度,达到不高于相当于可燃下限30%的预设值时,应在货物控制室,驾驶室和分析单元处激发视觉和声响报警,如果必要,还应考虑延伸到VDR系统。报警系统还包括:电源故障或失电、取样气流低或无气流,相当于堵塞、窜改报警设定点和自检功能故障等。
IGF规则对气体燃料这一块还有额外要求,蒸气浓度达到最低可燃性极限的60%前触发安全系统切断气体燃料主阀。使用气体燃料的内燃机的曲轴箱,在达到最低可燃性极限的100%前报警等。
下图为采用标准试验气体进行系统功能试验,如果船厂告诉你用气体打火机做试验,怎么形容呢?那不是特别不专业,那是向当地不专业!
固定式可燃气体探测系统
5.6、系统校准
气体探测设备的设计,应可以方便试验和校准。按照MSC.1 Circ.1370的要求,如果船上载运甲烷,那么标准校验气体span calibration gas应该有这样几种,甲烷检测甲烷和含有甲烷的混合CH气体;丙烷检测不含甲烷的CH气体;或者与可燃范围相适应的实际气体或化学性相似的气体。这样看来,油船上至少备有丙烷校验气体,LNG船或者LNG燃料动力的船舶必须备用甲烷校验气体,而化学品船上除了丙烷以外,还应该有其他校验气体。
下图为5000立方米LPG船上的丙烷校准气瓶。
固定式可燃气体探测系统
6、可燃气体探测原理
可燃气体探测按照测量原理分为催化燃烧型和红外线吸收型,热导型、半导体型,比如本船SW2020可燃气体探测系统采用红外线吸收和电化学两种探测器。
固定式可燃气体探测系统
红外吸收原理检测方法是利用郎伯-比尔光吸收定律,即不同气体对特定波长的光有吸收,吸收的强度和气体的浓度成正比。也就是说,某种气体只对应吸收某种波段处的红外光能量,这个波段称为这一气体的特定红外吸收峰,它并不受其它气体吸收峰干扰,吸收的能量与气体在红外光区内的浓度有关。
而电化学气体检测,则是通过电化学传感器通过与被测气体发生反应,并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。典型的电化学传感器由传感电极和反电极组成,并由一个薄电解层隔开。
气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应,然后是憎水屏障,最终到达电极表面。采用这种方法可以允许适量气体与传感电极发生反应,以形成充分的电信号,同时防止电解质漏出传感器。穿过屏障扩散的气体与传感电极发生反应,传感电极可以采用氧化机理或还原机理,这些反应由针对被测气体而设计的电极材料进行催化。
通过电极间连接的电阻器,与被测气浓度成正比的电流会在正极与负极间流动,测量该电流即可确定气体浓度。
7、CH气体or硫化氢?
SW2020这套系统红外线探测器可以探测碳化合物(型式认可证书注明是甲烷或丙烷),电化学法探测器检测氧气。虽然吉米哥在厂家资料上看到厂家声称还可以探测硫化氢,但是硫化氢并不是MED涵盖的范围,这就是为什么我们在SOLAS公约、FSS规则等处气体探测工程规范名为fixed hydrocarbon gas detection system,而不是大家耳熟能详的flammable gas detetion原因,氧气探测在SOLAS公约和FSS规则上,则针对可能缺氧的环境,比如氮气发生器等。
电化学法的确可以用来检测硫化氢,硫化氢不仅可燃,而且有毒。在海洋石油钻井平台上,出现的几率远远高于碳氢化合物,这是因为地壳深处的硫含量比较高,在岩浆的高温作用下形成硫化氢深藏在底层深处,而不幸被贪婪的人类钻井时释放出来。因而,在MODU CODE上,特别要求设置固定式硫化氢气体自动探测和报警系统(而不是CH气体),连续监测平台上的钻井区域、泥浆处理区域和井内液体测试区域。

【参考文献】
UI SC268 可燃气体布置解释
FSS规则2016年中文(船海人版)
SOLAS公约2016年中文(船海人版)
BV规范D篇第7章第6节
DG规范第5篇第5章
MSC.1 Circ.1370 可燃气体指南
REC.123 可燃气体建议案
MODU CODE 钻井平台规则
SW2020系统说明书

作者:吉米哥 来源:航海人

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