蒸汽推进装置主蒸汽闸阀故障原因及措施建议

洪汇勇 耿庆波 舒炳林

【摘 要】 为避免因蒸汽推进装置主蒸汽闸阀发生故障，以某大型液化天然气（LNG）船为例，从产品是否是经专业机构认证的合格产品、船员是否操作不当、产品是否存在设计缺陷等方面分析事故直接原因和间接原因，提出改进措施：加强船员培训和公司管理；改进设备，在阀杆上装设限位器和指示灯。建议：加装防止人员误操作主蒸汽阀的保护装置；增加对关键设备操作人员的岗前培训和定期培训次数；增加对主蒸汽闸阀等关键设备的维护保养要求。

【关键词】 LNG船舶；蒸汽阀；阀杆断裂；应力

0 引 言

某大型液化天然气（LNG）船舶在某日航经Lombok海峡时，透平主机突然停止工作，船舶失去动力。经检查发现，主蒸汽闸阀阀杆断裂，闸阀处于关闭位置。对大型LNG船舶来说，一旦因失去动力而发生碰撞、搁浅等事故，就会导致货物泄漏甚至爆炸，由此造成的人員伤亡及经济损失都难以估量。因此，该船舶运输公司除了对事故船舶主蒸汽闸阀进行详细检查外，对公司其他LNG船主蒸汽闸阀也进行了全面检查。结果发现，其他LNG船主蒸汽闸阀阀杆的相同位置均出现不同程度受损，存在断裂隐患。

目前，全球LNG船超过470艘，其中有近一半的LNG船的动力系统是采用蒸汽推进装置的。根据以往LNG船事故统计分析发现，多起事件皆是由于蒸汽推进装置主蒸汽闸阀故障诱发的。主蒸汽闸阀故障已经成为装有蒸汽推进装置的LNG船安全的一大威胁。

1 原因分析

蒸汽阀是蒸汽轮机的一个关键设备，通过开关阀门控制锅炉蒸汽走向，从而为透平主机、透平副机、锅炉给水泵运转提供动力，其重要性不言而喻。事故船上蒸汽闸阀总共有12个：左右锅炉各1个总阀，2台透平副机各2个阀，2台锅炉给水泵各1个阀，透平主机2个主蒸汽阀，左右锅炉过热蒸汽去往透平主机的管路上各有1个隔离阀。由于主蒸汽阀经常开关（船舶靠港完车时关闭，开航备车时开启），所以更容易受损。此次出故障的就是透平主机主蒸汽闸阀（5 V），其一旦发生故障关闭，将导致透平主机因没有蒸汽推动而停车。该蒸汽闸阀故障一般由以下3种原因引起。

1.1 产品是否是经专业机构认证的合格产品

经调查，该公司所有LNG船的蒸汽闸阀均采用法国SNRI公司制造的阀门。SNRI公司生产的阀门主要应用于低温及LNG、能源、工程建设、气体、化工及食品行业，产品素以高质量著称，在LNG船用蒸汽阀门领域具有相当高的地位和市场占有率。此次发生故障的主蒸汽闸阀是经ABS检验认证过的合格产品，符合现有规范和有关要求。

1.2 船员是否操作不当

LNG船上的蒸汽阀属于闸阀的一种，闸阀的启闭件是闸板，闸板的运动方向与流体方向垂直，闸阀只能作全开和全关动作，不能调节和用于节流。在开启阀门，闸板提升高度与阀门通径1∶1时，流体的通道完全畅通，但在运行时此位置是无法检视的。在实际使用时，阀门全开状态以阀杆升至顶点（即开不动的位置）作为其全开位置标志。考虑温度变化出现锁死及阀盖对阀杆的应力作用，船上通常做法是每次将蒸汽阀开到顶点位置后，再回关1/2～1圈，作为全开阀门的位置。据调查，该公司所有LNG船均存在部分船员在开启蒸汽闸阀到顶点位置而没有作回关动作的问题，存在应力集中现象，长时间这样操作可能会引起故障。

1.3 产品是否存在设计缺陷

事故发生后，SNRI公司对损坏的阀杆进行了形态分析、显微照相检查、硬度测试，得出结论为此次故障是由于应力腐蚀造成的，即因阀杆与阀盖上的后阀座长期接触，形成的应力长期作用在接触面上，导致阀杆损坏并最终断裂。蒸汽阀应力作用见图1。对于蒸汽轮机动力船来说，蒸汽阀需要在520 ℃、60 MPa压力下工作。一旦船员将阀门开到开不动位置，阀盖后阀座会对阀杆产生巨大的应力作用，在高温高压高应力的持续作用下，尤其是在高应力的作用下，就很容易造成阀杆受损而引发故障。在开启阀门时，操作者无法观察到阀门何时到达全开位置，因此会将阀门开启到顶点位置。这种不当操作情况是一种普遍现象，其他公司其他船舶同样也会出现。此种阀门虽符合现有规范要求，但存在设计缺陷。

1.4 结 论

综上所述，该LNG船采用的蒸汽阀是经过专业机构认证的合格产品，符合现有规范要求，导致事故的直接原因是部分船员操作不当，间接原因是产品本身存在设计缺陷。

2 改进措施

根据此次事故的直接原因，除了加强船员培训和公司管理外，需要对设备进行改进。培训不足、船员素质不高及产生疲劳等因素都会引起船员操作不当，因此对于主蒸汽阀这种船上关键性设备，重点是要对设备本身进行改进、对相关操作程序进行完善，让设备随时处于安全使用状况。

SNRI公司在对阀杆断裂原因进行深入分析后，对阀杆进行了改进，填补起始裂纹下的圆弧型沟槽，让应力通过阀杆向下传递，从而减少沟槽水平面的应力集中。蒸汽阀阀杆改进见图2。

这一改进虽然可以减少阀杆的应力集中、降低阀杆的断裂风险，但并不能完全消除阀盖后阀座对阀杆的应力作用。因此，在进行充分研究论证后，提出了在阀杆上装设限位器和指示灯的改进措施：在阀杆顶部的适当位置装设1个螺帽，当阀门完全打开而阀杆尚未接触阀盖后座前，因为螺帽的限制而使阀杆无法继续上升，从而可以避免阀盖后阀座对阀杆的应力作用；同时装设一个开关指示灯，当阀门到达完全开启状态时绿灯亮，当阀门到达完全关闭状态时红灯亮，如此可使操作者直观地知道阀门当前所处的位置，避免误操作。整个工程花费不到200美元，非常经济实用。从2014年改造至今，该公司6艘LNG船的蒸汽推进装置主蒸汽阀运行良好，再没有发生故障。

3 相关建议

主蒸汽阀本身的缺陷和人员的操作不当，已经严重威胁到蒸汽动力LNG船舶的安全。因此，建议在《国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则》（《IGC规则》）中增加蒸汽推进装置主蒸汽闸阀开关限位装置的规定。建议具体要求以下3个方面：（1）加装防止人员误操作主蒸汽阀的保护装置，如限位器和指示灯或等效装置；（2）增加主蒸汽闸阀等关键设备的培训要求，要求对船上关键设备操作人员进行岗前培训和定期培训，从而减少人员操作不当的情况发生；（3）提高对主蒸汽闸阀等关键设备的维护保养要求，定期对关键设备进行保养。

《IGC规则》作为散装运输液化气体船舶构造和设备的主要规范，对散装运输液化气体船舶的残存能力、船舶布置、货物系统、环境控制、电气设备、消防、人员防护等方面进行了详细的设置和规范，但对液化气体船舶的蒸汽推进装置没有明确的要求。笔者建议，我国海事部门可以组织国内LNG船造船厂、船舶运输公司等LNG运输产业链相关单位对LNG船舶蒸汽推进装置这一领域进行深入研究，编写相关提案，推动国际海事组织（IMO）对《IGC规则》进行修改和完善，以便提升LNG船的安全水平。