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船舶LNG加注系统防静电及杂散电流研究

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发表于 2014-9-3 11:26:19 | 显示全部楼层 |阅读模式
    液化天然气(LNG)作为一种公认的清洁能源,其环保性和经济性突出,使用LNG替代传统燃油作为船舶动力燃料逐渐引起了各界的关注。
    LNG燃料易燃、易扩散、易产生静电、易膨胀等特质决定船舶LNG加注系统(以下简称加注系统)要在低温、低压、密闭状态运行,要预防和控制加注时面临的风险,从而达到安全、经济、环保的使用效果。
    LNG及货油的充装和其他作业,始终面临着防火、防爆等一系列安全问题,流速过快、人为过失等均可能引发静电引燃风险,此外,还面临着加注系统的充装管路如何安全对接或拆装的问题。这是因为,管路的对接或拆装,有可能引发两种不同的放电电弧,一是静电放电所引起,二是杂散电流所引起。

    静电产生的基本原理

    导致潜在静电危险要经过三个基本进程:电荷分离,电荷储集,静电放电。这三个进程都是可燃气体静电起火所必需的。
    电荷分离有两种情形:(1)每当两种不同物质互相接触时,接触界面就发生电荷分离。当两种物质静止地接触互相不相对移动,他们的电荷互相靠得极近。异性电荷之间的电压差就非常微弱,也就不存在危险。然而,有两种物质相对移动时,他们的电荷相分离,而电压差就增加。(2)如果有一个不带电的导体出现在静电场中,该电场能引起导体内部的电荷转移,产生“感应电荷”。
    已经分离的电荷总是趋向重新结合并互相中和。这过程称为“电荷衰减”。如果带着电荷的两种分离的物质中的一种、或者两种都是极不良导体时,就妨碍了电荷的重新结合,而这种物质就将电荷留住或储集起来,即称作电荷储集。这与物质本身的导电率有关,导电率越低,电荷衰减时间就越长。如果物质有比较高的导电率,电荷重新结合就非常迅速,并且能够抵消电荷分离的进程,结果这种物质上静电储集是少量的或者根本不储集。
    当静电场过强时就会发生静电放电,如果在可燃性大气中发生这种情况,则可能称为火源。放电类型一般有3种:(1)电晕,系指单个锐导体向外扩散放电,缓慢释放一些现有的能量。一般而言,电晕本身是不能点燃可燃气体的。(2)刷形放电,系指单个钝导体向外扩散放电,比电晕放电更快捷、更具能量。刷形放电有可能会点燃气体和蒸汽。(3)火花,系指几乎是瞬时发生在两个导体之间的放电,在静电场内几乎所有能量都被转化为可用于点燃可燃大气的热量。
    根据导电性能,物质分为:导电材料和非导电材料,这些材料一旦获得电荷就能保留一段很长的时间。带电的非导体,其作用应予以重视,因为它们能够在临近的接地导体处产生引火的刷形放电,也因为它们能够将电荷转移到临近的绝缘导体或者使临近的绝缘导体产生感应电荷,这样就可能发生电火花。当液体具有低于50×10-12s/m的导电率时,该液体就被认为属于非导体,它们通常被称为静电储集体。
    根据一些资料显示,LNG是经过加工处理的天然气存在形式,具有较低的电导率,一般在1×10-12~100×10-12s/m之间。因此可以认为,LNG也是一种静电储集体,其防治静电危险的对策应按照静电储集体来考虑。
    为防止静电放电危害,船舶加注系统上的气罐及其处理装置和管系,除直接或通过支承件焊接固定安装在船体上之外,都应专用的接地搭接片;采用法兰接头的各燃料管的管段之间亦应加搭接片连接,并与船体结构保持良好的电气连接。
    LNG船用低温阀也必须考虑防静电措施,尤其对非金属高分子材料阀座,有集聚静电的危险,静电能引起火花造成燃烧和爆炸。应考虑在阀杆与阀体之间、阀杆与关闭件之间设置导通装置,从而引出静电,消除隐患。对金属密封的低温阀件,可不设置导通装置。

    杂散电流的成因

    加注船和受注船之间有可能存在电位差,这已由许多人的测量所证实。如“胜利2”轮靠泊在上海炼油厂码头时曾测得这种电位差为0.134V,1982年测得“大庆17”轮靠泊秦皇岛码头时为0.25V,“大庆14”轮靠泊大连寺儿沟码头亦为0.25V。
    造成电压差的来源有:外加直流电源系统或者腐蚀阳极所提供的加注船或受注船船体的阴极保护;某些加注船上或受注船上较差的电气设备接地所造成的;加注船与受注船之间的电化学作用(金属做成的船舶之间好象插入海水的两个电极,海水中又存在着盐类等电解质)能产生一定的电势差。
    如果在加注船和受注船之间有低电阻的电气通路,此电位差经由此通路引起的电流即称为杂散电流。加注系统的全金属的装卸输送臂在加注船与受注船之间提供了电阻非常低的连接,在加注系统管汇处进行输送臂的连接或拆离操作中,随着大量电流的突然地中断,而存在不可忽视的电弧放电风险。
    为防止出现杂散电流的风险,加注系统的LNG管路应采用电气绝缘方式。
    LNG加注系统在船舶上主要的使用形式主要有:(1)装卸臂,包括低温管路系统、独立支撑系统、紧急脱离系统、位置监测系统、电液控制系统等几个系统。(2)LNG软管,主要分三类:经加强的金属波纹管;真空绝热软管;复合低温软管。(3)吊杆或托架式装卸设备,主要由吊杆装置或托架装置、软管、液压系统、控制和安全系统等组成,功能上相当于软管与吊臂的集成。
    对于装卸臂,LNG进入装卸臂管路内,经过六个旋转接头、紧急脱离装置、ESD阀件等直至装卸臂终端连接处。一般可以在装卸臂三维旋转接头的垂直管段上安装绝缘法兰。
    在国外,则基本上采用软管方式给LNG动力船舶加注燃料,加注软管采用的金属软管是特制的,能够承受一定压力、低温、弯曲、扭转、冲击,通常两端为法兰,分别与加注船和受注船连接,一般除了可以在连接端使用绝缘法兰之外,另一个解决办法是在每一套软管中只加入一段内部无跨接的软管(如图1)。以使加注船与受注船舶之间电气绝缘。
    绝缘法兰接头的电阻值,水压试验前不小于10MΩ,水压试验后(包括已输送液体后)不小于1000Ω。因此,这种插入间的电阻就完全隔断了通往装卸臂或者软管管路的杂散电流。

图1 LNG加注管路上绝缘法兰的使用


    软管和装卸臂连接接头的结构形式大体上分为螺纹式、法兰式和快速式三大类:螺纹式,通径为50毫米以下的金属软管的接头,在承受较高工作压力的情况下,多以螺纹式为主,当拧紧螺纹以后,两个接头上的内、外锥度面紧密配合,实现密封;法兰式,通径为25毫米以上的金属软管的接头,在承受一般工作压力的情况下,以法兰式为主,它以榫槽配合的形式或平面形式进行密封。在需要快卸的特殊场合,可以将固紧螺栓通过的孔划开,制成快卸式法兰盘;快速式,通径为100毫米以下软管的接头或通径100毫米以上装卸臂的接头,在要求快速装卸的使用条件下,一般采用快速式,如:加注枪、螺旋接头、液压接头等。螺纹式接头由于操作复杂、密封性不好和使用不便等原因,在低温LNG软管和装卸臂上很少使用。后两种在国内外都有应用,但都需要根据接头形式在适当的位置安装绝缘垫片。
    绝缘垫片通常采用耐低温的聚四氟乙烯垫片或石墨缠绕垫片,法兰预紧螺栓和螺母同样需要绝缘垫片。聚四氟乙烯垫片可使用于温度-200~260℃,压力0~10Mpa状况下各种腐蚀介质中作衬垫密封和润滑密封,并且可作为电绝缘材料(如图2)。

图2 典型法兰绝缘垫片连接形式


   但应注意,从防静电的角度来考虑,整段加注管路系统除了绝缘段以外,所有金属部件,应保持与加注船或受注船的船体接地。即绝缘段朝受注船的一侧的所有金属件保持与受注船体接地,朝加注船的一侧的所有金属件保持与加注船体接地。如图3,船上LNG管路与装卸臂管路连接采用法兰形式,并对具有密封垫片的法兰两侧进行了电气跨接。装卸臂内管路除旋转接头和紧急脱离装置及ESD阀件也是采用了类似的方式,而其他全采用对接焊连接,以确保LNG加注系统防静电的安全要求。

图3 装卸臂内LNG管路上法兰的防静电跨接


    在国内,在燃油加注时,加注船在对受注船加注时,还通常使用跨接电缆将两者连接起来,此电缆在原位一直保持到货油管系拆离之后。这往往会带来一定程度的杂散电流的影响。
    跨接电缆同样在加注船和受注船之间引入了一段极低电阻的通路。如果不当使用,还可能对安全带来危险,例如,1982年“大庆17”轮在靠秦皇岛码头装油时,就曾因船岸间跨接电缆头与船体接触处发生电火花而暂停装油。因此在LNG加注系统中应加强防范。
    从使用目的上来讲,这种跨接电缆的使用,其本来的意图是使船/船间的电解/阴极保护系统短路并使船/船间的电位差降低到软管中或输送臂中电流可以被忽略的程度,此外也有静电泄放的目的存在。但是,这实际上不是一种有效的技术措施。
    对于泄放船舶静电,泄放静电所要求的国际公认的接地电阻值上限1MΩ。而实际上由于海水(或河水)的导电性,加上至少有轴系与螺旋桨,防船体腐蚀锌板保证钢质的LNG动力船和加注船可以取得地电位,此泄放静电通路的电阻值远远小于1MΩ。同时,防雷、电气保护、电磁屏蔽等的接地系统的接地电阻值,对于满足静电接地的要求已是足够了,因此无论是加注船还是受注船,船舶上的静电完全可以通过船体泄放至大地,无需通过(或者不主要通过)跨接电缆泄放静电。
    该跨接电缆对中断杂散电流也无实际作用。若通过跨接这根电缆的办法来解决杂散电流危害问题,就必须增大其截面积,使其成为杂散电流主要通路,达到使流过输送管路的杂散电流减小至不会产生引燃或引爆可燃气体火花的目的。但这也不可能做到,以20m长、内径为φ150mm输油软管为例,该输油管电阻值为0.0018Ω(厂家资料),若取同样长度的跨接电缆的电阻为该软管的十分之一,即0.00018Ω,则其铜导体的截面积至少为1888.9mm2,即铜导体直径为近50mm。另据资料,实测某油码头使用直径250mm的输油钢管,长15m,其电阻值为786×10-6Ω,其使用的直径16mm,长15m的跨接电缆,其电阻值是0.016Ω。这也说明实际上跨接电缆对中断杂散电流毫无作用。
    从防止杂散电流危害角度讲,跨接电缆增加了杂散电流通路。应当注意到,有些地区的规则仍然强制要求连接跨接电缆。在此建议,如果坚持使用跨接电缆,则应首先使跨接电缆的连接点远离管汇区域,并应通过防爆开关连接到码头方,且防爆开关的类型适合在1类危险区域使用,重要的是还应确保跨接电缆机械和电气的完好性并且跨接电缆连接或断开之前开关始终处于“关闭”位置。国内目前的做法,几乎从未见到过该跨接电缆是可靠连接的,相当多的码头未设置防爆开关,更有将跨接点设置在输油设施距离很近的位置,跨接点选择在加注管路附近,会造成一定的安全隐患,反而人为的增加了风险。
    除LNG充装管路以外,杂散电流的通路还有:导电类型的系泊缆绳; LNG动力船船体与加注船金属物之间的接触;金属的舷梯或跳板;两船直接接触。这些意外的杂散电流通路,同样应予以杜绝。
    根据前述分析,在LNG加注系统的防静电和防杂散电流方面,中国船级社建议采用以下措施:
    1、确保加注系统的装置、储罐和管路与船体之间的可靠电气连接。
    2、加注船和受注船通过各自的船体作为泄放静电的接地已经足够,两者之间的跨接电缆不是必须的;如使用跨接电缆,电缆连接点应远离管汇区域和危险区域,且跨接电缆应通过防爆开关连接到加注船的接地点。
    3、加注船和受注船的加注管系中应有一段非绝缘构件,可以是绝缘法兰或非导电软管。但从防静电的角度来考虑,该绝缘段向受注船的一侧金属件应于受注船船体保持连续的导电性,向加注船的一侧应于加注船船体保持连续的导电性。
    4、应有措施防止加注船和受注船的其他杂散电流通路,如采用绝缘的护舷、非导电系泊缆绳以及非导电的人员登乘通道(两船之间)。

CCS武汉规范研究所   陈立剑 吴顺平

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