化学品船载运环氧丙烷时系统的特殊性分析

常规化学品船通常不装载低沸点货品环氧丙烷(Propylene Oxide,PO)，但随着化工行业的不断发展，环氧丙烷海上贸易运输量不断增加，越来越多的化学品船船东要求载运环氧丙烷。因此,需对其低沸点高挥发性、易燃有毒等物理化学性质进行分析研究，并结合规范规则的要求和实船设计经验，阐明其所需的特殊系统设计，以便能更好地保证化学品船的安全营运。考虑以化学品船货品中比较特殊的货品环氧丙烷为研究对象，分析其在船舶载运时所需的特殊的系统设计。

1 环氧丙烷的性质

一般条件(25 ℃，100 kPa)下，环氧丙烷性质见表1。

表1 PO性质

在常温常压下，环氧丙烷为低沸点高挥发性易燃液体，无色透明，有毒，对人体粘膜和皮肤有刺激性[1]。

环氧丙烷主要用于生产聚醚多元醇(PPG)等。聚醚多元醇是生产聚氨酯泡沫、保温材料、弹性体、胶粘剂和涂料等的重要原料，还可用作表面活性剂[2]。

由于环氧丙烷低沸点、易燃、易爆的特性，需储存在低温通风的环境下，并应隔绝火源。

2 载运环氧丙烷的特殊系统设计

鉴于上述环氧丙烷的物理化学性质及其重要的化工性能，为保证船舶载运环氧丙烷的安全运输，《国际散装运输危险化学品船舶结构和设备规则》(IBC)，船级社和美国海岸警备队(USCG)等都对化学品船载运环氧丙烷有特殊要求，主要涉及方面有：装载该货品的液货舱的布置和压力设计、冷却系统(温度控制)、水雾系统、货舱周围环境控制和装卸货集管处阀门控制等[3-5]。

由于载运环氧丙烷需配置特殊系统，所以在化学品船设计之初就应该规划好装载环氧丙烷的液货舱的位置和数量。为营运灵活，船东通常要求指定部分货舱兼装环氧丙烷。所谓兼装，是指在通常航次，该液货舱载运常规货品，启用常规液货系统；在载运环氧丙烷的航次，该液货舱载运环氧丙烷，除了启用相关常规系统外，还需启用环氧丙烷特殊系统。

2.1 液货舱布置和压力设计

兼装环氧丙烷的货舱一般在远离人员居住区域集中布置，这样液货管路也能集中布置，以方便装卸货时操作。以38 000 t级化学品船为例，在最初设计阶段就已确定好兼装环氧丙烷的液货舱为位于艏部的2、3、4、5(左中右)共13只货舱舱。见表2。环氧丙烷货舱布置见图1。

每个货舱设置的压力传感器，可在货控室调整压力设定值：在通常航次正压为0.021 MPa，在载运环氧丙烷的航次正压为0.06 MPa。

表2 38 000 t化学品船液货舱布置及设计压力

图1 环氧丙烷货舱布置

兼装环氧丙烷的货舱安全阀(压力真空阀)的压力设定为：通常航次正压为0.021 MPa；载运环氧丙烷的航次正压为0.06 MPa。不同压力设定之间的转换通过手动操作完成。

38 000 t级化学品船采用双压力设定端型压力真空阀，见图2。载运环氧丙烷的航次需锁住正压为0.021 MPa的压力设定端，0.06 MPa的压力设定端正常工作。

图2 双压力设定端型压力真空阀

2.2 冷却系统

IBC规则要求环氧丙烷液货舱的设计压力小于0.06 MPa表压力时应设置冷却系统。对于环氧丙烷液货舱的结构设计压力为0.065 MPa(表压)的舱，因已满足IBC 规则对液货舱的结构安全要求，不需要配置冷却系统。但船东为了保证运输过程中的安全性，降低运输时液货舱内的蒸气压力，并尽量减少货物挥发损失，要求配置液货冷却系统[6]。

冷却系统应配备至少两套自动调节舱内温度变化的冷却机组，使舱内温度保持低于货舱维护压力下的沸点温度。每个冷却机组的能量都能足以保持液体货物的温度。

设定38 000 t级化学品船兼装环氧丙烷的货舱维护为正压0.06 MPa、负压0.003 5 MPa，冷却系统能在周围大气温度35 ℃、海水温度32 ℃环境下保温货物在25 ℃。

冷却系统一般有两种设计方案，一种为货舱内冷却器方案，系统的组成为：每个货舱内冷却器+冷却机组+冷却介质环路管系,见图3。

图3 冷却系统-货舱内冷却器

38 000 t级化学品船就采用这种冷却系统，生产厂家FRAMO。冷却机组布置在甲板区域房间内(危险区域)，电气设备需为防爆型。冷却器浸没在液货舱中，冷却器端部设有水力透平，冷媒水同时驱动水力透平实现液货在舱内的循环冷却，在舱内形成有效对流，使货舱内货物温度分布均匀并维持在安全温度运输。

货舱内冷却器方案成本较高，但冷却效率高。也有船东出于成本的考虑采用另一种货舱冷却共用加热盘管方案，其冷却系统的组成为：每舱加热盘管+冷却机组+冷却介质环路管系,见图4。

图4 冷却系统-货舱共用加热盘管

该系统利用原液货舱中已有的为常规货品设置的加热盘管，在载运环氧丙烷时作为冷却盘管使用，不设置独立的舱内液货冷却器。冷却系统与加热系统的切换通过操作位于甲板上的截止阀和双孔法兰完成。此系统成本低，但冷却效果差，还需要通过启动液货泵和舱外管路来强制循环。舱外管路循环增加了货物泄漏的风险。

冷却系统制冷介质采用不与货物反应的乙二醇水溶液。冷却介质输送管路需外包绝缘。

2.3 水雾系统

载运环氧丙烷的液货舱，需设置具有足够能量的水雾系统。其货舱装载集管的周围区域以及露天甲板上的货物透气管路等都要能被该水雾系统有效地覆盖。系统布置应能均匀喷洒水雾，USCG46CFR153要求喷洒率为0.175 L/(m2·min)(0.004 3 gal/ft2sec)。可根据集管处布置的温度传感器信号(左右舷各一)对该水雾系统进行就地操作或遥控。遥控手动操作装置设置在上层建筑前面，以便在受保护区域发生火灾时遥控起动水雾系统的供水泵和遥控阀。

38 000 t级化学品船水雾系统计算如下。

覆盖面积约550 m2；

喷洒率0.175 L/m2min；

所需水量为347 m3/h。

水雾系统原理见图5。

图5 水雾系统原理示意

2.4 货舱周围环境控制

货舱周围环境控制是指装载环氧丙烷的货舱的周围液货舱，压载舱和隔离空舱等应装载相容的货物或充装惰性气体使其惰性化。周围的压载舱和隔离空舱要备有压力真空阀或带关闭装置的特殊空气管头和惰性气体接管，以便在装载环氧丙烷航次，这些舱的含氧量保持在2%以下。含氧量的监测可通过便携式设备完成。

38 000 t级化学品船采用带关闭装置的特殊空气管头，见图6。

图6 带关闭装置的特殊空气管头

在通常航次，该特殊空气管头拉杆抬升到打开位置⑤作为空气管头,空气自由流通；在载运环氧丙烷的航次需锁定拉杆到水平关闭位置⑥，在舱内通入惰性气体后作为压力真空阀安全阀工作。

2.5 装卸货时阀门的遥控

装载PO的货舱的集管布置除了满足OCIMF[7]的要求外，每个装载环氧丙烷的货物集管软管接头处，都应配备一个在货物驳运时能控制关闭速率的遥控截止阀。遥控截止阀可以是采用固定安装，也可以采用可拆卸安装，即在使用的时候把该遥控截止阀装上去，接上驱动管路后在货控室内远程操控。

3 结论

建议化学品船舶设计工作者除了常规系统设计外，还需要关注船舶载运低沸点货品环氧丙烷的特殊系统，继而保证承接和设计实际化学品船项目时，能够在技术上走在前面，提前做好技术储备工作，真正满足化学品船载运环氧丙烷安全营运的要求，避免或减少在未来设计和建造中不必要的改造。