液氮液氧在海军舰艇上的应用进展

杜 平，于开录，吕东方，岳 强

（1.海军驻保定地区航空军事代表室，河北保定071000；2.中船重工第七一八研究所，河北邯郸056027）

液氮液氧在海军舰艇上的应用进展

杜 平1，于开录2，吕东方2，岳 强2

（1.海军驻保定地区航空军事代表室，河北保定071000；2.中船重工第七一八研究所，河北邯郸056027）

海军舰船和潜艇需要大量N2和O2，氮氧以液氮液氧形式储存和使用，具有储存设备重量轻、空间小、使用方便、安全性高等特点。本文阐述了液氮液氧在海军舰船和潜艇上的供给模式，使用和管理情况，以及安全性分析。

液氮；液氧；海军舰艇；安全；管理

海军大型水面舰船需要使用普通N2（99%）、普通O2（95%）、高纯N2（99.999%）和高纯O2（99.5%），普通O2和高纯O2用于航空呼吸用氧、医疗用氧、发动机补氧和金属切割等领域，普通N2和高纯N2用于喷气燃料惰化、航空用氮、弹药保护、果蔬存储等领域[1]。

1 氮氧简介

氮氧有两种存在方式，气态和液态，都能够在舰船上稳定储存。N2和O2在常温常压下为气态，密度分别是1.25和1.43kg·m-3，必须加压储存。气瓶容积一般为130L，储存压力一般为20和35MPa。当氮氧温度分别低于-196和-183℃时，就转变为液氮和液氧，常压下密度分别为810和1140kg·m-3。由于液氮液氧温度低，必须保温储存，为防止液氮液氧快速挥发，储存压力一般为0.8MPa[2]。

由于液氮液氧与N2、O2的密度相差约800倍，因此，储存相同的氮氧，液氮液氧储罐的体积大大低于氮氧气瓶。5m3液氮相当于72个130L气瓶（35MPa），5m3液氧相当于88个130L气瓶（35MPa）。根据美国海军舰船技术手册550章，同样储存6500和4500kg的氮氧，液氮储罐的重量仅是气瓶的1/5，设备容积是气瓶的1/4[3]。因此，大型海军舰艇上，适合储存液氮液氧，能够满足舰艇对氮氧的需求。

液氮液氧的低温性和易挥发性，容易让人产生畏惧感。而在国防业和工业等领域，液氮液氧得到广泛应用，美国海军等在航空母舰、医疗船和潜艇补给舰上使用和管理液氮液氧已经长达60多年，其安全性也得到了广泛认可[4，5]。本文将详细介绍液氮液氧在海军舰艇上的应用现状、供给方式和发展趋势，并着重阐述液氮液氧的安全管理。

2 供给方式

根据海军舰艇的空间、功率和使用量等因素，液氮液氧的供给分为以下两种方式[1]。

2.1 直接携带

顾名思义，这种方式就是在码头上或者海洋上，通过充注管道向舰艇上输送液氮液氧，例如AIP潜艇和使用液氧作为氧源的常规潜艇。对于液氮液氧需求量非常小的海军舰艇，其液氮液氧罐是可移动式，补给液氮液氧时，直接更换液氮液氧罐。这种补给方式的优势是不占用舰艇上任何资源，直接接受补给；缺点是携带量受限，需要经常补给。美国海军的潜艇补给舰配置了液氮液氧生产装置，能够随时为潜艇补给液氮液氧。

2.2 现场制备

对于液氮液氧需求量大的航空母舰、海军医疗船和潜艇补给舰等大型水面舰船来说，在舰船上安装一台低温精馏制氮制氧装置，直接生产液氮液氧。低温精馏技术是应广泛用的氮氧制备技术，它的原理是：液体空气在蒸馏时，N2的沸点低（-196℃），更容易挥发进入气相中，O2的沸点高（-183℃），大多留在液相中，经过多次蒸馏（即精馏），将空气分离为N2和O2。

3 使用与管理

图1是美国大型水面舰船上，液氮液氧生产、储存、输送、充瓶和使用等过程的示意图。

图1 海军舰船上氮氧生产与使用流程Fig.1 Production and utilization of nitrogen and oxygen in US navy

空压机将空气压缩到1.3MPa，经过预处理净化后进入冷箱。空气在冷箱中的精馏塔内分离为液氮和液氧，分别储存在若干个大型低温液体储槽（6m3）内。图1中压缩气化单元主要包括液体压缩泵和加热器，液体压缩泵将液氮液氧压缩到20MPa，然后高压液氮液氧在加热器中被加热到25℃左右，最后充入高压气瓶中。N2属于惰性气体，可以通过高压环网，输送到全舰各个部位。

O2属于危险性气体，不适合建立全舰的高压氧气环网，因此，美国海军在全舰建立了若干个液氧站，通过液氧车将液氧从总站输送到各个分站。液氧在分站可以直接分装，也可以压缩气化，就地充瓶。这种液氧输送与使用方式，避免了高压O2输送和充瓶可能引发的危险。

图2是液氧站的工艺流程图，液氧站主要由液氧储罐、液氧增压泵、气化器及管道阀门等组成。由于液氧温度极低，液氧储罐采用双层结构，液氧储存在内部容器中，中间夹层处于真空状态，避免冷量通过气体传导。为了减少冷量通过热辐射传导，夹层中间通常填充珠光砂等多孔材料，或者在内部容器周围包裹多层反射隔热材料。夹层连接一个机械真空泵，随时保证夹层的真空度。

图2 液氧站的工艺流程图Fig.2 Diagram of liquid oxygen station

液氧增压泵的类型是柱塞泵，能够将液氧压缩到35MPa以上。气化器就是水浴式电加热器，将液氧从-183℃加热升温到25℃，而压力保持不变，直接充入钢瓶中。

从安全使用的角度考虑，液氧储罐上设置了多个管道和阀门。阀门V1控制流经增压盘管的液氧流量，该盘管置于大气环境中，液氧直接气化，能够增加液氧储罐的气相压力；阀门V2控制液氧的充注和排放；阀门V3和V4控制高压氧气的出口方向；阀门V5控制液氧增压泵的液氧供给开关和调节；阀门V6控制液氧储存的最高液位。阀门V7～V13涉及液氧储罐的安全性设计，为了防止液氧过度蒸发而形成超高压，液氧储罐通过压力调节阀V10与外界相通，当压力高于设定压力后，多余氧气通过该阀排放出去，降低罐内压力。同时气相管道设置了安全阀和爆破片，避免极端情况下发生的超高压状况，另外液氧站也可以通过阀门V11，以极快的速度将液氧排放出去。

液氧储罐采取了严格的保温措施，但仍然存在一定的冷量泄漏[6]。通常情况下，液氧储罐的蒸发损失率应该低于1%。通常情况下，超压的O2直接排放到大气中；在美国海军医疗船上，这部分O2直接进入供氧管道中；在AIP潜艇上，这部分O2直接供给到舱室内。

4 安全性分析

4.1 生理伤害

生理伤害主要分为冻伤和窒息。液氮液氧的温度为-196和-183℃，当与人体组织大面积接触时，会引起严重冻伤。主要防护措施是穿戴防护服、手套、皮靴、透明面罩、围裙等，所有物品必须禁油。当液氮或液氧泄漏时，操作人员处于N2或O2氛围内，容易引起窒息或肺部损害。因此，在狭小空间作业时，需要2名操作人员，同时携带O2分析仪，并保持舱室完全通风。

4.2 爆炸

爆炸都需要3个因素：氧化剂、燃料和激发源。O2是常见的氧化剂；燃料包括各种可燃性物质，如油脂、铁屑和纺织物等；激发源包括机械或放电火星、燃烧、撞击、加热、摩擦和化学反应等。氧气系统容易发生爆炸，因此，相关的政策、法律法规、标准和体系文件非常多，预防氧气系统爆炸的核心就是避免氧气与可燃性物质的接触。液氧系统的防范措施与氧气系统类似，这里不详细描述。

美国海军为了避免O2在运输过程中发生爆炸，没有建立高压氧气环网，而是通过液氧车进行输送，大大降低了氧气爆炸的概率。

4.3 气化超压

液氮液氧的密度分别是N2、O2的650倍和800倍，也就是说，密闭容器内超压液氮液氧完全气化后，容器内部压力将提高650倍和800倍，容易造成容器损害。常见的防护措施是在液氮液氧系统中，设置安全阀、爆破片和紧急排放管道；同时在操作过程中，避免在两个关闭阀门间残留低温液体。

4.4 材料适应性

低温会造成金属材料或非金属材料的性能变化，如变脆、延展性差等，因此，低温系统对材料选择有严格要求，通常采用奥氏体不锈钢、铝、铜等金属，碳钢等低合金严禁使用。为防止液氮液氧泄漏对船体造成损害，舱室地板必须覆盖不锈钢板。非金属材料也禁止使用，管道密封多采用螺纹密封和金属垫片密封。

金属在常温和低温下的形变可以达到0.4%，容易引起管道拉裂等现象。因此，在管道和容器设计中，多增加弯管、软管和膨胀节。不同金属具有不同的收缩率，两种金属焊接点在温变过程中会受到拉扯，因此，要求焊料具有很强的应力。

学业基础不扎实是职高学生的一个通病，一来他们原先的学习基础不理想，二来自我约束能力不足，同时又缺乏学习兴趣和积极性。

4.5 抗冲击能力

液氮液氧具有流动性，必须加强液氮液氧储罐的抗冲击能力，这方面国内已经做了大量工作[7]。国内对某型潜艇上液氧罐的抗冲击进行了技术设计，在分析确定了液氧罐冲击环境的基础上，研究确定了抗冲装置的布置形式和参数指标，并对抗冲装置关键元件——隔振器进行大量振动和冲击试验，了解了隔振器的冲击性能，以及与振动性能、静态性能之间的关系，为抗冲击设计与计算提供了试验依据，为隔振器性能指标的合理确定打下了基础。

5 应用现状

5.1 航空母舰

美国航空母舰上氮氧系统由低温精馏装置、液氮液氧储罐、低温液体泵、气化器、氮氧充注站、工艺管道与控制阀组等组成（见图3），在舰首和舰尾的左右外舷各分布一套，二者的高压氮气管道相互联通，在全舰组成环状网络。

图3 美国海军不同时期使用的低温液体储存、压缩与气化装置Fig.3 Storage,compassion and vaporization apparatus of low temperature liquid of US Navy

低温精馏装置、液氮液氧储罐、低温液体泵、气化器、氮氧充注站均布置在机库甲板上的相邻舱室内，与机库仅有一墙之隔。系统与外舷很近，便于为航空系统提供N2和O2，同时也便于排放工艺废气和废液。低温精馏装置产品是液氮和液氧，产量是40～80Nm3·h-1（折合为气体），纯度均为99.5%，液氮和液氧平时储存在1～6m3的低温液体储罐中。液氮和液氧的纯度和组成分别满足BB-N-411（N2技术指标）和MIL-O-27210（液态或气态航空呼吸用氧）的要求。液氮转化为高压N2后，通过管网输送到全舰；液氧既可以在原地压缩充瓶，也可以通过液氧车输送到其它需要O2的部门。

航空母舰上间歇生产液氮液氧，舰艏和舰艉低温精馏装置交替工作。当液氮和液氧储罐储量低于1/4时，就开机生产，一般连续工作3D能够充满储罐。美国海军十分注重对氮氧系统人员的技术培训，在弗吉尼亚州专门建立深冷学校，只有在该校取得了相关资质证书的舰员才允许在航空母舰上操作和处理氮氧设备。

5.2 潜艇补给舰

潜艇补给舰是美国海军为潜艇补给专门建造的军舰，为潜艇提供燃油、食品、淡水和液氧等物资。舰上液氧系统包括低温精馏装置、液氧储罐、低温液体泵、气化器、氮氧充注站、工艺管道与控制阀组等，生产与管理方式与航空母舰基本相同。

5.3 海军医疗船

美国海军医疗船包括Mercy（仁慈号）和Comfort（舒适号），O2来自船上的2台低压液氧生产装置，液氧产量为20gal·h-1，储存在2个500gal的液氧储罐中。医疗用氧采用集中供氧方式，液氧经过气化后（压力低于1.6MPa），直接经过管道输送到全船168个接口，包括急救室、ICU和主要病房。船上也另外配置了增压泵、气化器和充灌汇流排，能够生产瓶装高压氧气。

5.4 AIP潜艇

AIP潜艇是指配置了不依赖空气的动力装置的潜艇，动力系统包括能量储存供给装置、能量转换装置、废气处理装置、辅助装置和控制装置等。目前，AIP系统中能量转换装置主要包括斯特林发动机、闭循环柴油机、闭循环汽轮机和燃料电池等。氧是主要的能量储存物质，包括氧气和液氧。目前，AIP潜艇主要携带液氧，它具有储存压力低（安全性高）、设备重量和体积小等优势。液氧储存与供给装置包括液氧储罐、气化器、增压泵、工艺管道和控制系统等。

6 结语

液氮液氧设备以其储存方便、储存重量和空间小等优势，广泛应用于海军水面舰船和潜艇，国内在这方面比较少。出于水下供氧和不依赖空气的动力供给的需要，国内某些潜艇上安装了液氧罐。在液氧罐的设计加工、调试、使用和安全管理等方面，积累了大量的技术规范和实践经验。这些经验积累有助于液氮液氧设备在水面舰船上的快速推广和应用，能够更好的满足舰船对氮氧的需求。

［1］郑卫东，于开录，李海平，等.水面舰船氮氧制备技术与装备［J］.舰船科学技术，2013，35（7）：134-141.

［2］李化治.制氧技术［M］.北京：冶金工业出版社，2009.

［3］美国海军舰船技术手册［J］.第550章:工业气体发生、输送和储存.

［4］A.Kunkle.Improvements made to oxygen/nitrogen producers［J］. Wavelengths Excerpt,October,1997.

［5］谭小生，李煊，任欣.加强储液直供式机场航空供氧保障系统建设［J］.低温与特气，2010，28（3）：10-12.

［6］殷合香，王炳忠，李映颖.低温液体储运技术及其蒸发率的计算［J］.低温与特气，2002，20（3）：8-11.

［7］胡刚义.液氧罐抗冲装置设计［C］.船舶结构力学学术会议，2005.

海南开展酵素生物降解地膜实验

海南省塑料行业协会相关人士日前表示，酵素生物降解塑料母粒可能会为塑料行业带来技术革命。

2013年以来，英国IQON公司携带其专利产品酵素生物降解塑料母粒与海南省塑料行业协会接触，做了3次吹膜试验。其酵素生物降解塑料母粒可直接与传统的化学塑料PE等共混使用，在自然环境中酵素首先发挥作用切断分子链，这些酵素的繁殖群微生物将化学塑料分解为水和CO2，使化学塑料成为自然界中碳素循环的一个组成部分。

另据了解，来自英国的酵素生物降解塑料母粒已在海南开展吹膜试验，目前正开展全生物酵素降解地膜、液态生物酵素实验。

从上世纪末开始，海南企业开始进入生物塑料领域。“海南对生物塑料制品的需求主要集中在农业、药品食品、旅游餐饮等领域及人们日常生活，每年约需2.5万t。”该人士说。

Utilization of liquid nitrogen and liquid oxygen in navy ships

DU Ping1，YU Kai-lu2，LV Dong-fang2，YUE Qiang2
（1.The Office of Navy Representative in Baoding District,Baoding 071000，China；2.The 718th Research Institute of CSIC, Handan 056027，China）

Nitrogen and oxygen is necessary for navy surface ship and submarine.The storage and utilization of nitrogen and oxygen in liquid status,is characterized by the light and small storage equipment,easy to use,high safety.In this paper,the supply mode,utilization and management of liquid nitrogen and oxygen on navy surface ship and submarine are discussed.

liquid nitrogen；liquid oxygen；navy ships；safety；management

TQ116.1

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20151241

2015-09-15

杜平（1974-），男，汉族，毕业于海军工程大学本科，作战指挥与火力控制专业，研究方向：船舶机电。