液化氣船液艙氮氣置換方案探究

華光源海國際物流集團股份有限公司  羅永平

提要 本文主要論述、比較了采用不同的氮氣置換方案所耗用液氮數量的不同，為廣大液化氣船東在選擇氮氣置換方案時提供了依據，具有重要的指導意義。

關鍵詞 氮氣置換  液氮  艙容  液相管  氣相管  氧含量

氮氣置換指的是用純度很高的液氮將液化氣船舶貨艙中的貨物蒸汽(烴類氣體)或空氣全部替換成氮氣的過程。這是船舶進廠修理、塢修出廠或更換貨種前必須進行的一項工程。由于液氮價格較高，所以液氮的用量會直接影響置換工程的總費用。因此，科學、合理采用置換方案，對每一個液化氣船舶運輸公司都具有重要的意義。

下面我們假設一種情況，來分析和比較采用不同置換方案所消耗的液氮數量。

假設有一艘LPG船舶，總艙容2000m3，共有2個液艙，分別命名為1#液艙和2#液艙，每個液艙艙容為1000m3。要求置換后，艙內氧含量小于0.2%（裝載丁二烯的要求）,并對每個罐體進行1.4MPa的強度和氣密性試驗。

氮氣置換中需要用到的參數：a.常態(tài)下，1立方米的液氮完全氣化后可以產生647立方米的氣態(tài)氮；b.大氣中氧氣含量為21%。

一、分艙逐步置換法

分艙逐步置換法指的是對每個液艙逐步進行置換的方法。下面我們以上述假設為例，詳細闡述該置換方法的原理及過程。

1. 向1#液艙內沖入液氮，使艙內壓力逐步升高到我們要求的強度和氣密實驗壓力1.4MPa。注意在充裝液氮的過程中要使壓力逐步升高，例如可以使壓力由0.2MPa→0.4MPa→0.6MPa→0.8MPa→1.0MPa→1.2MPa→1.4MPa逐步升高，直至達到要求值。每達到上述一個值后，保壓30分鐘后再繼續(xù)充裝液氮，這樣做的目的是讓艙內液氮充分氣化并分散均勻。當艙內壓力達到1.4MPa時，若其艙內氮氣與空氣混合完全均勻，這時艙內含氧量理論上應降至1.5%(理論算法，21%/14=1.5%，下同)。

2. 連通1#和2#液艙液相管線，讓1#液艙內的氮氣通往2#液艙。若兩罐體及管線完全氣密，當達到穩(wěn)定后，兩個液艙艙內壓力理論上應為0.7MPa，但實際值通常會小于0.7MPa，因為管線中也會殘留一部分氮氣，同時也不排除部分管線、閥門處有輕微泄露的現象。這時2#液艙內氧含量理論上降至3.0%，但實際通常會略高于這個值。

3. 關閉連接1#和2#液艙的管線閥門，將1#液艙內氮氣排出后繼續(xù)通入液氮，每次通入液氮1.6m3(理論上應為1.546m3，理論算法：1000/647=1.546)，這時1#液艙理論上壓力上升大于0.1MPa，艙內氧含量理論上為0.75%。但此時對該艙而言，我們關心的不再是壓力問題了，而是艙內氧含量。按照上述方法如此反復通入液氮3次，每次通入1.6m3，待艙內氣樣穩(wěn)定后，理論上1#艙內氧含量應為0.188%(滿足我們的要求，小于0.2%)。至此，1#液艙定壓實驗和艙內氧含量測試已完成。

4. 向2#艙內通入液氮，使艙內壓力逐步升高到14KG，切記要逐步升高，每上升0.2MPa，保壓30分鐘后再繼續(xù)充裝液氮。當該艙內壓力達到1.4MPa時，艙內氧含量理論上應降為0.43%。

5. 2#液艙定壓試驗完成后，將艙內氮氣排出一部分，使其壓力下降，以免后續(xù)通入氮氣時艙內壓力過高而造成危險。

6. 當2#液艙內壓力降至安全值時，再次向艙內通入液氮，每次通入1.6m3，方法同“步驟3”。如此反復進行2次，罐內氧含量理論上會降至0.107%(滿足我們的要求，小于0.2%)。

7. 至此，1#和2#液艙定壓試驗和艙內氧含量指標均已達標，其中1#液艙內氧含量理論值為0.188%，2#液艙內氧含量理論值為0.107%。

現在我們來計算采用分艙逐步置換方案所需的液氮總數量，其中“步驟1”消耗液氮21.64m3(理論算法：1000/647×14=21.64)，“步驟3”消耗液氮4.8m3(算法：1.6×3=4.8)，“步驟4”消耗液氮10.82m3(理論算法：1000/647×7=10.82)，“步驟6”消耗液氮3.2m3(算法：1.6×2=3.2)，理論上總計消耗液氮40.46m3。

二、同步置換法

同步置換法指的是對所有液艙同時進行置換的方法。下面我們同樣以上述假設為例詳細闡述該置換方法的原理及過程。

1. 同時向1#和2#液艙內沖入液氮，使兩液艙內壓力逐步升高到1.4MPa。在一定時間段內觀察兩液艙內壓力是否下降，以斷定強度及氣密性試驗是否達標。這時，兩液艙艙內氧含量理論值為1.5%。

2. 打開1#和2#液艙氣相閥，將艙內氮氣排出，使艙內壓力下降，等壓力下降至一定值時(一般為0.4-0.5MPa)，再向兩艙內通入液氮，每次向每個艙通入液氮約1.6m3。如此反復通入液氮3次，待艙內氣樣穩(wěn)定后，理論上兩液艙艙內氧含量應為0.188%(滿足我們的要求，小于0.2%)。

3. 至此，1#、2#液艙強度及氣密性試驗完成，艙內氧含量達標。兩液艙艙內氧含量理論值均為0.188%。

現在我們來計算采用同步置換方案所需的液氮總數量。其中“步驟1”消耗液氮43.28m3(理論算法：2000/647×14=43.28)，“步驟2”消耗液氮9.6m3(算法：1.6×3×2=9.6)，理論上總計消耗液氮52.88m3。

綜上，我們不難發(fā)現，采用分艙逐步置換方案比同步置換方案能夠節(jié)省更多的液氮，從而大大降低置換總費用。下表給出兩種置換方案的優(yōu)缺點：

在實際的置換工程中，由于受當時置換環(huán)境因素(環(huán)境溫度會影響液氮氣化率)、船舶和置換服務商的設備(閥門、管線的密封性以及管線的長度直接影響液氮的用量)等因素的影響，實際使用液氮量一般會大于上述理論計算值。在此建議廣大液化氣船東在選擇上述方案置換時，要多預備3—5m3的液氮，以保證置換的徹底性。

近年來，隨著技術的不斷進步，水置換也不斷被成功運用。相比氮氣置換，水置換更大幅降低了置換總費用，具有很高的經濟效益。但是，由于水置換受限制因素較多，所以實際運用沒有氮氣置換普遍。各液化氣船東在進行置換前，可以根據本企業(yè)和船舶的實際情況，充分論證、綜合比較，選擇最經濟有效的置換方案。

作者簡介：羅永平，男，漢族，甲類無限航區(qū)三副，主要從事航運企業(yè)安全管理工作，在安全與防污染管理體系的建立、運行和監(jiān)控方面有豐富的經驗。

羅永平/DPA

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