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(中國艦船研究設計中心,武漢 430064)
隨著保障要求的提高,水面船舶對氧氣的需求日趨增大,造成用于儲存氧氣的高壓儲氣鋼瓶數(shù)量不斷增加,不僅占用了大量的空間,還因為儲氣瓶室對安全性要求較高,給總體設計帶來諸多限制。若對大量高純氧氣采用液態(tài)形式進行儲存,可以有效減少儲氣鋼瓶的數(shù)量,節(jié)省總體資源,優(yōu)化總體布置。水面船舶儲存液氧面臨著火災、爆炸、人員凍傷和人員氧中毒等的安全性風險,需要在總體設計時予以充分考慮。目前,陸用液氧儲存及應用設施通常應滿足GB 16912—2008 《深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程》、GB 50030 《氧氣站設計規(guī)范》和JB 6898 《低溫液體儲運設備使用安全規(guī)則的要求》等標準規(guī)范要求[1]。潛艇對于儲存液氧的安全性設計,在供氧系統(tǒng)中設置氧煙囪,既用作液氧的灌注通道,也作為在緊急情況下將液氧向舷外釋放的通道[2]。
水面船舶人員密度大,環(huán)境復雜,層高受限,進排氣通道相對較多,且存在受到猛烈沖擊的可能性,與陸地、潛艇環(huán)境存在一定差異,因此,水面船舶儲存液氧的安全性設計存在特殊性,需要針對性地進行安全風險分析,并在設計時充分考慮安全防護措施。
火災和爆炸風險包括三種:燃燒事故、可燃物爆炸和超壓物理爆炸。
液氧雖然不可燃,但能助燃,火災危險性為乙類。液氧貯槽發(fā)生爆燃危險的原因有兩種:①雜質(zhì)點燃;②機械沖擊對雜質(zhì)提供了能量[3]。當艙室內(nèi)發(fā)生液氧泄漏事故后,艙室內(nèi)空氣的氧氣濃度升高,在出現(xiàn)火情時極易發(fā)生富氧燃燒事故。包括氣體、液體、固體物質(zhì)在內(nèi)的所有可燃物質(zhì)與液氧混合時,都具有爆炸危險性,在受到機械沖擊、火源、靜電等外因的影響時都可能發(fā)生爆炸。當液氧儲罐或者液氧管路的隔熱措施發(fā)生破壞或引入其他熱源時,容器或管道內(nèi)的液氧受熱發(fā)生氣化,造成容器或管道內(nèi)的壓力急劇升高[4]。液氧等低溫系統(tǒng)應按照標準配置可靠的泄壓措施,避免因泄壓能力不足導致液氧儲罐或者液氧管路發(fā)生物理性爆炸。
低溫液體對水面艦艇帶來的危險包括:人員凍傷和設備甚至船體受低溫發(fā)生破壞。
液氧在一個大氣壓下的沸點為-183 ℃, 當液氧發(fā)生泄漏事故并噴到人體皮膚上時,將由于瞬間低溫液體氣化吸熱對人員造成嚴重的凍傷事故。由于低溫環(huán)境下大部分金屬材料會變脆、延展性變差,低溫系統(tǒng)通常采用奧氏體不銹鋼、鋁、銅等金屬,嚴禁使用碳鋼等低合金[5]。常規(guī)船體材料和船用設備外殼材料在與大量液氧接觸時,在材料延展性下降和降溫收縮的綜合作用下,容易發(fā)生破壞。
氧中毒是指人體在吸入高于一定壓力的氧一段時間后,某些系統(tǒng)或器官的功能與結(jié)構(gòu)發(fā)生病理性變化而表現(xiàn)的病癥。對于水面船舶儲存液氧的情況,若艙室內(nèi)發(fā)生液氧或氧氣泄漏而沒有進行有效換氣,則人員將較長時間工作在富氧環(huán)境中,容易發(fā)生氧中毒事故。氧中毒的常見癥狀包括:胸悶、呼吸困難、肌肉抽動、面色蒼白、眩暈等癥狀。
水面船舶需采取的防火防爆措施包括:可燃物隔離、環(huán)境監(jiān)測、超壓泄放、防爆通風、相關(guān)設備抗沖擊保護。
水面船舶總體布置應充分考慮液氧儲罐與可燃物和引火源、人員活動范圍、重要設備的相對位置,規(guī)劃防火防爆區(qū)域。水面船舶上可能出現(xiàn)的引火源包括:明火、高溫設備或管路表面、運動件摩擦、設備撞擊、靜電和雷擊等。
液氧儲存艙室應配置火災報警、可燃物監(jiān)測、氧氣濃度監(jiān)測、溫度監(jiān)測等措施,實時監(jiān)測儲存環(huán)境的安全。對艙室環(huán)境中的可燃物和氧氣濃度均進行監(jiān)測。定期對液氧中乙炔含量進行化驗,乙炔含量應小于1×10-7[6]。高純液氧儲罐液位應控制在10%~95%之間,壓力不宜過高。定期檢查接地電阻(每年至少1次),阻值不大于10 Ω。
液氧貯槽和液氧管路均應按要求設置壓力表、安全閥或爆破片等附件,在發(fā)生液氧汽化超壓故障時,可通過安全閥或爆破片泄放容器和管道內(nèi)壓力,保障安全。對于水面船舶,液氧和氧氣均不可以直接泄放在艙室內(nèi),應通過專用泄壓通道送至船體外,應全面統(tǒng)籌考慮全船進排氣口的位置,避免泄放的大量氧氣與其他可燃物接觸或重新吸入船體。
為了避免氧氣積存, 必須采取有效的通風排氣措施。水面船舶對氧氣相關(guān)艙室應按照防爆艙室處理,配置防爆通風。
水面船舶受沖擊可能性較高,對相關(guān)設備應采取足夠的抗沖擊設計,不僅不能造成液氧儲罐內(nèi)的受沖擊爆炸,也不能因沖擊造成液氧泄漏事故。當設備上的閥門和儀表、管道連接頭等處被凍結(jié)時,嚴禁用鐵錘敲打或明火加熱凍結(jié)部位,而應使用干凈且無油的熱空氣、熱氮氣或溫水進行融化解凍。對儲存艙室內(nèi)的運動旋轉(zhuǎn)部件均應設置防護罩,發(fā)熱部件貼上警示牌,避免人員靠近。
人員對低溫系統(tǒng)進行操作時,應佩戴大小合適的防護手套。作業(yè)期間不可將皮膚裸露在外。褲腳應套在鞋外邊,并高于鞋頂, 防止液氧意外進入。佩戴防酸型護目鏡或面罩, 對頭和面部進行防護。
如果出現(xiàn)人員凍傷的情況,應立即使凍傷人員脫離液氧環(huán)境并把凍傷的部位浸泡在42 ℃左右的溫水中;若凍傷的部位與衣物凍結(jié)在一起,則應將衣服一同浸入溫水中,避免凍傷部位自融或處于10~25 ℃的“危險溫度”范圍, 以免耽誤了早期復溫的時機。
禁止人員在無保護措施的情況下在氧濃度超過40%的環(huán)境中工作,對可能發(fā)生氧氣或液氧泄漏的艙室,要設置氧氣濃度監(jiān)測報警和防爆通風裝置。當人員必須進入氧氣濃度超標的艙室時,應佩戴空氣呼吸器。一旦出現(xiàn)人員氧中毒事故時,應盡快幫其離開氧濃度超標環(huán)境,安置到通風良好的安全環(huán)境中,并保持呼吸道暢通,請專業(yè)醫(yī)護人員進行急救治療。
為保證液氧操作系統(tǒng)的密閉性,在保證安裝檢修方便的情況下,應盡可能通過焊接的方式連接管路,并確保焊縫質(zhì)量,提高貯槽的強度和氣密性。液氧貯槽焊縫應經(jīng)過100%射線探傷,且質(zhì)量評定達到Ⅱ級;外殼、內(nèi)容器、外殼底板與槽體間角等部位的焊縫要經(jīng)過100%滲透探傷,質(zhì)量評定達到Ⅰ級。
液氧貯槽在投入使用前,應對內(nèi)容器進行清洗、脫脂、強度試驗等,保證貯槽強度和氣密性。為確保高純液氧儲罐的液位控制在10%~95%之間,應對貯槽的幾何容積和有效容積進行實際測量。在強度試驗、容積測量試驗結(jié)束后,應使用干燥氮氣對液氧貯槽進行吹掃和置換,要求液氧貯槽內(nèi)露點不大于-50 ℃,從而保證在使用過程中不發(fā)生水分凍結(jié)、堵塞的情況。液氧貯槽在投入使用后,應檢測是否存在泄漏、結(jié)霜等情況,然后再進行靜態(tài)日蒸發(fā)率測試,檢測貯槽密性。
使用的低溫液體儲存容器結(jié)構(gòu)通常為全封閉的真空夾層容器,儲存介質(zhì)為低溫液體,容器內(nèi)無法直接檢驗。陸用液氧儲存容器,應遵照《壓力容器定期檢驗規(guī)則》,資料審查、外觀檢驗、夾層真空度測試、日蒸發(fā)率測量、安全附件檢查等作為重要的定期檢驗內(nèi)容[7]。對于船用環(huán)境,也應按照相關(guān)規(guī)定定期進行檢驗,確保液氧系統(tǒng)及設備運行工況良好且穩(wěn)定,禁止帶故障運行。