LNG 运输船/ LNG 燃料动力船应急切断（ESD）阀的应用

林 蓁 郑志敏 杨梦婕

（1. 中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011； 2. 沪东中华造船（集团）有限公司 上海 200129）

0 引 言

LNG 运输船是一种储存、运输及处理液态天然气的船舶，其主甲板，穹顶甲板及部分通道区域都属于危险区域。LNG 燃料动力船虽有不同，但危险区域同样很多。为保证安全性，两型船的燃气系统部分的阀门遥控系统通常采用液压型式或气动型式。

应急切断（Emergency Shutdown，ESD）系统由ESD 阀、加压油泵、油管路、操作控制装置和失压报警装置组成，其中ESD 阀是阀门遥控系统中执行模块中较特殊的一种。它主要应用于IGC Code（LNG 运输船）或者IGF Code（使用气体或其他低闪点燃料为动力，如LNG 燃料动力船）。 ESD 阀是指一种在正常状态下可以远程控制阀门打开或关闭，而当ESD 系统被触发后，又能自动快速关闭的阀件。

ESD 系统触发后，阀门能快速响应自动关闭。阀门关闭是通过独立阀控系统外的途径进行实现，这也是ESD 阀与其他常规遥控阀的最大区别。此外，IGC 和IGF 对ESD 阀还有其他一些要求，两者大致相同，某些参数及适用范围上存在一定差异。对这些功能要求，需要一些特殊设计来实现。

1 ESD 阀应急关闭时间要求

ESD 阀的关闭时间需要区分正常关闭和应急关闭这2 种工况。正常关闭工况时，ESD 阀的关闭时间与常规遥控阀相比没有差异；而应急关闭工况时，IGC 和IGF 要求相同，即“液体管系中的ESD阀应在启动30 s 内平稳关闭……”。即通常概念中，一旦触发ESD 系统后，要求ESD 阀件关闭时间不能＞30 s。而常被忽视的是，对于加注站的ESD 阀，IGC 及IGF 都有额外要求，见表1。

表1 LNG 船/双燃料船 ESD 阀应急关闭时间要求

当岸上或者加注船对船舶进行LNG 加注作业时，如果大舱液位已经达到某一高位报警，触发ESD 系统，开始关闭ESD 阀。由于阀门关闭需要一定时间，此时加注作业会继续进行。因此需对加注站的ESD 阀门关闭时间进一步要求，避免在继续加注的30 s 内，大舱超过其极限液位。

以某大型双燃料集装箱船为例：大舱装载率ESD系统触发报警值为95%舱容，容积为6 393.1 m。大舱允许最大装载率为95.3% 舱容，容积为6 412.7 m，与95%舱容的差值为19.6 m。系统设计最大加注速率为1 600 m/h。

根据IGF Code 16.7.3.7 可以计算得到：

式中：为ESD 阀收到关闭信号时，大舱此刻液位至极限液位之间的容积，m；为船岸或者船与船之间约定的最大加注速率，m/h。

从计算结果可以看出：其所要求时间＞30 s，不需要对阀件关闭进行调整；如果计算＜30 s 时，则阀件关闭时间应调整至计算结果值。

对于双燃料船来说，IGF 同一章节还要求阀件最终所需关闭时间应根据公式（1）结果与5 s 进行比较，然后取较小者，即加注站ESD 阀的最短关闭时间≤5 s。

在较大流量情况下，阀门快速关闭极易导致水锤现象，使管路局部应力过大而造成阀件或者管路功能损坏。挪威船级社双燃料船规范第6 部分/第2 章/5.3.3.2 节中，“除非考虑到压力波动（pressure purge）需要更长的关闭时间，阀件从报警触发到完全关闭的时间不能超过5 s”。IGF 中也有相同要求，但描述较为晦涩难懂。因此，如提供的计算结果表明， 过快的阀件关闭速度导致管路应力过大，则可适当延长阀件关闭时间，但无论如何阀件关闭时间都不能＞30 s。

当调整阀门关闭时间超过30 s 却仍然无法满足应力计算要求时，应与加注方协调，降低加注速率，使阀件关闭时因冲击造成的应力被限制在可承受范围内。

对于LNG 船来说，其加注站的ESD 阀关闭时间，IGC Code 18.10.2.1.4 中同样有如式（1）所示的计算要求，但没有＜5 s 的要求；并且因为LNG 船液货舱舱容通常较大，触发ESD 后的所剩舱容也相对较大，其所要求的时间冗余较多，不易出现问题。

2 ESD 阀自动关闭实现型式

ESD阀的应急（故障）自动关闭功能有两种实现型式：一种通过驱动头之外力矩推动，例如液压油驱动或者压缩空气驱动，即双作用式驱动头；另外一种，其力矩来自驱动头自带的驱动单元，比如弹簧作用，即单作用式驱动头。

2.1 双作用式驱动头

双作用式驱动头是指阀门遥控系统在发生故障时，驱动头保持最终状态不变，即最终状态为打开时，其仍保持打开状态。因此双作用式驱动头实现自动关闭功能，需通过来自于主动力源之外的能源来实现。

以液压型式为例，1个常规的液压阀门遥控系统通常包括以下几个部分：

（1）控制指示模块（控制面板和控制台）；（2）液压动力模块（2台互为备用的液压泵，以及蓄能器等）；

（3）电磁阀箱（滤器和电磁换向阀等）；

（4）执行模块（液压驱动头、阀体和阀门启闭指示）；

（5）应急操作单元（便携式手摇泵以及驱动头上的应急接头）。

液压阀门遥控系统故障通常有“液压泵故障”/“电磁阀故障”和“系统失电”等。所有的意外情况都应有相应措施，使ESD阀仍然可以实现自动关闭。

2.1.1 液压泵故障

液压泵出现故障，阀件自动关闭动力源显然不能来自液压泵站，而应当来自其他动力，一般通过设置蓄能器来驱动ESD阀执行关闭动作。蓄能器是一种高压容器，内部含有气囊（通常充注高压氮气）。泵站正常工作时，液压油会被注入到蓄能器气中，气囊被压缩到设计的压力值；当泵站发生故障，管路压力降低，蓄能器中气囊膨胀输出压力，驱动液压油对系统进行补压。该蓄能器不同于液压泵站上蓄能器。泵站蓄能器是用于补充整个阀门遥控系统压力，而它仅用于ESD阀。ESD阀蓄能器的容积可以通过计算得到，参见下页表2。

表2 ESD 阀专用蓄能器容积计算

以某LNG 船1 个ESD 阀的蓄能器为例进行计算。氮气气囊在最大压力时和最小压力时体积之间的形变为蓄能器所能容纳的液压油体积，这个体积也应是驱动器油缸的容积。计算出触发ESD后，气囊完全释放后的容积，即可得到蓄能器的净容积。

需要注意的是，双作用ESD 阀的蓄能器应布置在靠近ESD 阀的电磁阀箱，这样一方面可减少液压管路长度、降低意外破损风险，另一方面也能提高阀件响应速度。

2.1.2 电磁阀故障

电磁阀的功能是用来切换液压油管路流向，驱使驱动头关闭或打开阀件。当电磁阀发生故障，此时如果系统触发ESD，阀门就无法执行正确动作。因此ESD 阀应设置有专用电磁阀，通过专用电磁阀来执行动作ESD 命令。

由于ESD 触发动作时，其关闭速度要求快于正常关闭速度，这需要管路中更大的液压油流量进行驱动。因此专用电磁阀需配置有流量调节阀，在调试阶段预先设定好较大流量，以加快阀件关闭速度。

2.1.3 系统失电

当阀门遥控系统失电时，会影响到液压泵站马达工作，此时电磁阀切换油路，并将遥控阀信号反馈给IAS 系统等。为保证阀门遥控系统的正常，阀控系统通常接有主电源和应急电源。 主电源失电时，自动切换至应急电源上；当应急电源仍然无法供电时，液压泵站马达停止工作，液压管路油压无法保持，电磁阀无法动作。此时，ESD 阀自动关闭，仍需要通过蓄能器和电磁阀来实现。蓄能器无需电源，仍可为管路提供足够的压力。电磁阀应是特殊型式电磁阀，其动力不能来自电源，而是通过电磁阀自带的弹簧驱动闭合导向，使液压油路切向并将液压油输送至驱动头以实现阀门关闭。因此2.1.2节中所述的备用电磁阀应为特殊型式电磁阀。

2.1.4 液压管路破损

由于遥控阀及相应液压管路分散布置全船区域，如果液压管路发生破损，液压泵站及泵站上的蓄能器均无法提供动力给ESD 阀。因此如前所述，ESD 阀通常配有专用蓄能器，驱动头上应有独立ESD 接头，来构成专用的ESD 液压管路。

2.2 单作用驱动头

单作用驱动头是指驱动头内部布置有弹簧执行机构，当系统发生报警触发ESD 后，驱动头上弹簧直接执行命令，驱动阀门关闭。单作用驱动头实现ESD 功能，相较双作用驱动头更为简便，不需要布置蓄能器及专用电磁阀等。单一ESD 阀件故障也不会影响到其他ESD 阀的工作，双作用式蓄能器故障则可能影响到关联ESD 阀工作。但单作用驱动头成本较高，如果系统中ESD 阀数量较多，专用蓄能器容积及专用电磁阀数量所需的成本与采用单/双作用式驱动头之间的差价，达到平衡，则建议采用单作用式驱动头。

3 LNG 运输船/ LNG 燃料动力船ESD 阀适用范围

对于ESD 阀的设置原则，IGC 和IGF 并未设单独的章节进行明确描述，通常以下处所或功能的阀件应适用于ESD 阀。

3.1 加注站遥控阀件

IGC 5.5.1.2、18.10.2.2中明确要求船岸连接、船船连接时，集管区域的每根总管需设置有1 个ESD 阀件。

IGF 中没有明确写明加注站阀件需为ESD 阀。如第一部分所述，在8.5.3/8.5.8中要求加注站阀件需满足一系列关闭时间的要求，因此双燃料船加注站集管区域的遥控阀也应为ESD 阀。

3.2 与大舱相连接遥控阀

IGC 5.5.1.2 中提到ESD 系统启动时，切断的设备包括装卸货时的集管阀、驳运货物的泵或压缩机等、液货舱阀（如液货舱释放阀的最大允许设定值MARVS 超过0.07 MPa 时）。因此对最常见的薄膜型液货舱LNG 船，其MARVS 通常不会超过0.07 MPa，大舱注入阀或排出阀、挥发气管阀均可以不设置为ESD 阀。

IGF 9.4.1 中明确要求，当安全系统（即ESD系统）被触发时，燃料舱上，用气设备操作和燃料加注操作所涉及的阀门，应能够自动操作。因此不论采用何种型式的大舱，双燃料船的燃料舱进出口的挥发气管阀、大舱注入阀和排出阀等都应设置为ESD 阀。

3.3 燃气主阀

燃气主阀指的是输送天然气至用气设备（如发电机、锅炉等）管路上带手动操作功能的遥控阀，用于连通或阻断供气。其位置应布置在燃气设备处所之外。

IGC Code 16.4.3、16.4.6 中要求：

（1）当双壁管采用充惰气正压型式，发现惰气失压时，燃气主阀应自动关闭；

（2）当双壁管采用通风型式，发现空气流量无法满足要求要求时，燃气主阀应自动关闭；

（3）当双壁管发现可燃气体泄漏或者其他故障时，燃气主阀应自动关闭。

基于以上要求，不论是船厂的常规设计，还是法国GTT 公司提供的相关文档，通常都将燃气主阀设置为ESD 阀。然而，ESD 并不是唯一实现阀件自动关闭的路径。当燃气系统探测到相关报警后，报警信号传输到自动化系统，处理后并发出指令给阀门遥控系统，对燃气主阀进行关闭，也可以达到自动关闭的目的。自动关闭阀，并不等于自动关闭ESD 阀。ESD 阀的自动关闭是即使在阀门遥控系统失效的情况下，仍可以实现自动关闭，但IGC 的以上要求中并没有提到这一点。

通过对两者进行比较，得出自动化系统的响应流程和时间都相对较长，因此国际气体运输与码头经营者协会（The Society of International Gas Tanker and Terminal Operators，SIGTTO）组织推荐将燃气主阀设置为ESD 阀。但仅从满足规范本身而言，燃气主阀不设置为ESD 阀仍能满足IGC Code 和船级社的要求。

但在IGF Code 中，9.4.2 中明确要求，当安全系统（即ESD 系统）被触发时，燃气主阀应自动切断以停止燃气供气，即燃气主阀应是ESD 阀。

IGC 和IGF 关于ESD 阀适用场景，参见图1。

图1 ESD 阀适用场所

4 其 他

ESD 阀 都 有 手 动 功 能 要 求，IGC 和IGF 的要求也仍存在一定区别。IGC 仅要求就地关闭（be capable of local manual closure），但IGF则要求能够进行就地操作（a combined manually and automatically operated valve），而不仅是关闭。

如前文所述，ESD 阀配有专用电磁阀用于ESD 触发时使用。如对加注站的ESD 阀，触发时，通常加注站所有的ESD 阀应同时关闭，此时可以多个ESD 阀共用1 个专用电磁阀。但是对于燃气主阀（如燃气主阀为ESD阀时）而言，触发ESD 时，不论是IGC 还是IGF 均要求，切断1 个处所燃气设备不能影响其他燃气设备正常运行或导致不可接受的动力损失。显然，多个燃气主阀不能共用1 个专用电磁阀。

5 结 语

不论是IGC 还是IGF，对ESD 阀都有一系列要求，并且存在一些差异，如对加注站ESD 阀关闭时间要求、ESD 阀适用范围以及对ESD 阀手动操作要求的区别等，这些差异在设计过程中往往极易被忽视，需要特别注意，避免混淆而造成差错。