《天然气燃料动力船舶规范》

2014-09-20

船舶标准化工程师 2014年1期

[背景]受部海事局委托，中国船级社武汉规范研究所完成了《天然气燃料动力船规范》的编制工作，并于2013年9月1日生效，替代CCS《气体燃料动力船检验指南》（2011）。该规范旨在满足国内LNG燃料动力船的建造和改装等发展需要，是国内首部以天然气燃料作动力的船舶技术规范。该规范是在CCS《气体燃料动力船检验指南》（2011）的基础上，按照目标型标准（GBS）和风险评估理念而制定的针对以天然气燃料（CNG/LNG）作动力的钢质船舶规范。

（续上期）

第3章系统与管路设计

第1节动力系统布置

3.1.1 一般要求

3.1.1.1 对于本章规定外的任何新型动力系统布置，应进行风险分析。对于因使用气体燃料发动机而产生的影响船舶结构强度和完整性的任何风险，应予识别，对在安装、操作和维护过程中可能产生的任何故障造成的危险均应予以考虑。风险评估应采用公认的方法，评估报告应经本社认可。

3.1.1.2 含有天然气燃料动力系统（包括双燃料动力系统）的机器处所应按下述要求布置:

（1）本质安全机器处所:机器处所的布置应使得机器处所在任何情况下（正常或异常情况）均处于气体安全状态。或:

（2）ESD防护式机器处所:机器处所的布置使得该处所在正常情况下被认为处于气体安全状态，但在某种异常情况下可能变为气体危险区域。当出现气体燃料泄漏等异常情况时，非合格防爆设备（着火源）和机械应自动关闭，只允许合格防爆型设备和机械运行机制。或:

（3）增强安全机器处所:其主要通过加强机器处所通风、增加可燃气体探测覆盖、机器处所内供气管路采用全焊透对接焊等措施增强机器处所的安全水平。

3.1.2 本质安全机器处所

3.1.2.1 机器处所内的所有供气管路应进行气密环围，如采用双壁管。

3.1.2.2 如果因供气管路内的气体泄漏而必需切断气体供应时，则应用另一套辅助的独立燃料供应系统可用；如果设有多台发动机推进装置，且每台发动机的供气系统独立设置，则可不设辅助的燃料供应系统。

3.1.3 ESD防护式机器处所

3.1.3.1 机器处所若满足下列要求，其内部的供气管路可不设气密环围:

（1）产生推进功率和电力的发动机布置在2间或多间机舱内，且任何一间机舱内的燃料供应被切断时，其余机舱应能维持至少40%的推进功率和正常的电力供应以用于航行。

（2）机器处所内尽可能少地容纳仅为维持气体燃料发动机正常工作所需的设备、部件和系统，焚烧炉、惰性气体发生器和燃油锅炉等不应布置在ESD防护式机器处所内。

（3）机器处所内供气系统的压力小于1MPa。

（4）机器处所内供气管路的设计压力不小于1MPa。

（5）应安装气体探测装置，并能自动切断气体供应

（若使用双燃料，还应切断燃油供应）和断开所有非防爆设备或装置。

3.1.4 增强安全型机器处所

3.1.4.1 对于内河航行货船，如采用双燃料气体发动机，则在满足下列要求的情况下，机器处所内供气管路可不设气密环围或机器处所布置可不采用分舱的形式，机器处所内电气设备（除抽风机、可燃气体探测器、火灾探测器、报警器和照明装置外）的安全等级可按一般货船机器处所的电气设备的安全要求配置。

（1）机器处所内供气系统的压力应小于1MPa。

（2）机器处所内供气管路的设计压力应不小于1MPa。

（3）机器处所内通向发动机的供气管路上所有阀件和可能产生泄漏的部件应布置在气体阀件单元处所内。供气管路的连接应采用对接焊全焊透型式，并100%进行射线检测，如确不可行，本社可允许采用法兰接头，但接头应布置在气体阀件单元处所内，该处所内的通风和气体探测应满足本规范第7章第4节和第10章第3节的相关要求。

（4）机器处所内的供气管路及气体燃料发动机应能被两套相互独立的固定式气体探测装置覆盖，气体探测器的安装位置应满足产品性能要求，并能确保其快速有效地探测可能泄漏的气体。

（5）在启动气体燃料发动机之前，应确认机器处所和气体阀件单元处所内的气体探测装置处于正常工作状态。

（6）气体探测必须连续进行，其听觉和视觉警报应布置在驾驶室或机器处所控制室内。当探测到机器处所和气体阀件单元处所内可燃气体浓度达到20%LEL时，应有听觉和视觉报警，且同时切断通往机器处所的气体燃料供应，双燃料发动机应自动转换为燃油模式。

（7）由于控制阀自动关闭而停止气体燃料供应时，双燃料发动机应自动转换为燃油模式。在确定供气停止的原因并采取必要的措施之后，方可重新启动气体燃料供应及气体燃料发动机的燃气模式。

（8）机器处所应安装有效的抽吸式机械通风系统，且具有每小时至少换气30次的换气能力，风机的数量和功率应满足:无论风机电动机由主配电板或应急配电板设独立线路供电还是由主配电板或应急配电板设公用线路供电，当其中的一组风机失效时，其他组风机仍能满足机器处所规定换气能力的要求。抽风机应采用不会产生火花的结构型式。

（9）机器处所机械通风应与双燃料发动机实现燃气模式运行联锁，即当抽风机开启至少10min以后，发动机才能采用燃气模式运行，当风机因故关停时，发动机应能自动转换为燃油模式。

（10）应设有快速探测机器处所内供气管路破裂的措施，一旦探测到供气管路破裂，应自动切断通往机器处所的气体燃料供应，双燃料发动机应自动转换为燃油模式。

（11）机器处所内的可燃气体探测器、火灾探测器、报警器和照明装置应为合格防爆型。

第2节管路设计

3.2.1 一般要求

3.2.1.1 管系的布置，应考虑热变形以及气罐和船体构件的移动而引起过大应力的影响。

3.2.1.2 应防止膨胀接头的过度膨胀和压缩，对其邻接管路应适当支撑和固定。对于波纹管路膨胀接头，应防止其遭受机械损伤；对于法兰接头，应设有防止螺母松动的措施（如防松垫圈等）。

3.2.1.3 当在气罐或管路与船体结构之间采用绝缘隔离时，则对管路和气罐均需采取电气接地措施。对所有具有密封垫片的管接头和软管接头也均需作电气连接。所有具有填料的管接头和软管接头应有电气接地措施。

3.2.1.4 供气管路上应尽量少使用软管、法兰，不应使用滑动式膨胀接头。

3.2.1.5 气体管系距离船体外板应不少于800mm。

3.2.1.6 气体管系的安装应有足够的挠性。

3.2.1.7 所有气体管系应采用统一的颜色标识。

3.2.1.8 如果气体燃料中含有某些会在系统中凝结的较重的成分，则应安装气液分离罐或收集液体的类似设施。

3.2.1.9 对于内河过闸船舶，被隔离管路内含有液态气体燃料时，该气体燃料应能被有效回收；对于其他船舶，可能被隔离的含有液态气体燃料的所有的管路应安装压力释放阀，其排出口应通往开敞区域。

3.2.1.10 应设有对气体充装管路和供应管路进行惰性气体吹扫的装置。

3.2.2 管壁厚度

式中:t0为理论的厚度，mm，

（其中:P为设计压力，MPa，见本章3.2.3的规定；D为管子外径，mm；[σ]为许用应力，N/mm2，见本章3.2.4的规定；e为效率系数，对无缝钢管，以及由认可制造厂供应的纵向焊或螺旋焊的焊接管子，其焊接按公认的标准，经无损检测认为与无缝钢管等效者，则此系数为1.0，其他情况的效率系数，按照认可的标准，根据制造工艺提出具体要求。）；b为弯曲余量，mm，对b值的选取，应使仅受内压的弯曲部分的计算应力不超过材料的许用应力，如未做出此种证明，则b值应为 b =（其中r为平均弯曲半径，mm）；c为腐蚀余量，mm，如预计有腐蚀或浸蚀，则管壁厚度应比其设计要求的值有所增加，此余量应和预计的管子寿命相一致；a为厚度制造负公差，%。

3.2.2.2 为防止由于支持构件、船舶变形或其他原因所产生的附加载荷造成管的损坏、破断和过度下垂或失稳，而需要一定的机械强度时，管壁厚度应比本章3.2.2.1要求的值有所增加。

3.2.2.3 气体燃料管系的最小壁厚应满足本社相关规范的规定。

3.2.3 设计压力

3.2.3.1 本章3.2.2计算式中的设计压力P系指该系统在工作中可能承受的最大表压力；

3.2.3.2 对于管路、阀件和附件，当适用时，应采用下列设计情况中的较大压力:

（1）对于可能与其压力释放阀隔离并可能含有一些液体的气体管系或附件，应为45℃时的饱和蒸气压力。然而，对于航行于限制航区或在限制期限内航行的船舶，考虑其保持在一定环境温度航区内航行，经本社同意，也可为较高或较低的压力；或

（2）对于可能与其压力释放阀隔离并在任何时候仅含有气体的管系或附件，应为45℃时的过热蒸气压力。对于航行限制航区或在限制期限内航行的船舶，考虑其保持在一定环境温度航区内航行，经本社同意，也可为较高或较低的压力。此时，假定系统中饱和蒸气的初如状态是处于该系统的工作压力和工作温度；或

（3）气罐和燃料系统的压力释放阀的最大允许调定值（MARVS）；或

（4）相关的泵或压缩机的压力释放阀的调定压力；或

（5）燃料加装管系的最大总压头；或

（6）管路系统的压力释放阀的调定压力；

（7）设计压力应不小于1MPa（表压），但对管端敞开的管路，其设计压力应不小于0.5MPa（表压）。

3.2.3.3 法兰、阀件和其他附件等应按本章3.2.3.2的规定考虑设计压力，并应符合本社认可的标准；不能满足本社认可标准要求的法兰，需经本社同意。

3.2.3.4 管路中的阀和附件，其型式试验应参照《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》相关要求进行。

3.2.4 许用应力

3.2.4.1 本章3.2.2计算公式中所考虑的管子的许用应力，应取下列计算值的较小者:Rm/2.7或Re/1.8，式中:Rm为室温下材料最低抗拉强度，N/mm2；Re为室温下材料最低屈服应力或0.2%非比例延长屈服应力，N/mm2。

3.2.5 应力分析

3.2.5.1 当设计温度为-110℃或更低时，对管系的每一分支应提交一份完整的应力分析资料。该分析应考虑到由于管的重量（包括较大的加速度载荷）、内部压力、热收缩以及船舶运动引起的载荷等所产生的所有应力。当设计温度高于-110℃时，应力分析资料的内容可为诸如管系的设计或刚度，以及材料的选择等。在任何情况下，即使无需要提交计算书，也应考虑热应力。

3.2.6 管路连接

3.2.6.1 无法兰管段直接连接可采用下列方式:

（1）根部完全焊透的对接焊接头，可适用于各种情况:

（2）带有套筒的套装焊接接头只能用于外径小于或等于50mm和设计温度不低于-55℃的端部敞开的管路；

（3）螺纹连接只能用在外径小于或等于25mm的辅助管路和仪表管路。

3.2.6.2 采用法兰连接时，法兰接头应为颈焊、套焊或插入焊等型式。对于所有管系（除端部敞开管路以外）应符合下列规定:

（1）设计温度低于-55℃时，只能采用颈焊法兰；

（2）设计温度低于-10℃时，对于公称尺寸大于100mm者，不应采用套焊法兰，而对于公称尺寸大于50mm者，不应采用插入焊法兰。

3.2.7 焊后热处理

3.2.7.1 对碳钢、碳锰钢和低合金钢钢管的所有对接焊缝均应进行焊后热处理。且应满足本社《材料与焊接规范》的有关要求。本社根据管系的设计温度和设计压力可以免除对壁厚小于10mm的管子进行消除热应力的要求。

第3节管系试验

3.3.1 一般要求

3.3.1.1 对气体管路应进行焊接工艺试验，并满足如下试验要求:

（1）拉力试验:焊缝金属的抗拉强度一般不应低于相应母材的最低抗拉强度。若焊缝金属的抗拉强度低于母材的抗拉强度，则本社可要求焊缝的横向抗拉强度应不低于该焊缝金属的抗拉强度。在每种情况下，均应提供试样破断位置报告以供备查。

（2）弯曲试验:除本社特别要求和特别同意外，试样经直径为4倍试样厚度的弯芯弯曲180°后，不应断裂。

（3）夏比V型缺口冲击试验:应对连接母材在规定的温度下进行冲击试验。焊缝金属冲击试验的结果，其最小平均冲击能量（E）应不低于27J。焊缝金属小尺寸试样和单个冲击能量，应按本社《散装运输液化气体船舶结构和设备规范》第6章的相关规定。熔合线和热影响区的冲击试验结果的最小平均冲击能量（E）应符合母材横向或纵向要求（视适用而定），而小尺寸试样，最小平均冲击能量（E）应满足本社《散装运输液化气体船舶结构和设备规范》第6章的相关要求。如果材料的厚度不允许截取全尺寸试样或标准小尺寸试样，则试验方法和验收标准应符合公认的标准。对于厚度小于6mm的管路不要求进行冲击试验。

3.3.1.2 除在焊接前和焊接期间进行正常控制以及对完工焊缝进行目视检查以外，还应进行下列试验:

（1）对设计温度低于-10℃且内径大于75mm或壁厚大于10mm的管系的对接焊接头，应要求作100%射线检查。对增强安全型机器处所内气体燃料管系的对接焊接头，应要求作100%射线检查；

（2）当管路截面的此种对接焊接头系在管制造车间用自动焊接程序焊接时，经特别许可，射线检查的范围可逐渐减少，但在任何情况下，均不能小于所有接头的10%。如发现有缺陷，则应进行100%检查，其中还应包括以前已经被认可的焊缝。关于特别许可，只能在证明制造商通过质量保证体系具备生产合格的焊接产品的能力时才能被授予；

（3）对于其他管的对接焊接头，由本社根据其用途、位置和材料决定是否应进行抽样射线检查或另外的无损探伤。一般应至少对10%的管对接焊接头进行射线检查。

3.3.1.3 在装船后，应对所有气体管路进行至少为1.5倍设计压力的静水压力试验。但是，当完成对管系或系统部件的制造并对其配备所有附件时，可在其被装船之前对其进行静水压力试验。对在船上焊接的接头应进行至少1.5倍设计压力的静水压力试验。如果管路内不允许有水，且在管路被投入使用之前不能对其进行干燥，则应将采用其他试验液体或试验方法的建议提交认可。若采用气压试验，其试验压力应至少为1.25倍的设计压力。

3.3.1.4 对于每一气体管系，在船上将其安装完工之后，均应使用空气、卤化物或其他适当介质进行密性试验。试验压力不低于最高工作压力。

3.3.1.5 在投入正常运行以前，应对所有气体管系，包括用于输送气体的阀，附件或附属设备进行正常工作状态下的功能试验。

3.3.1.6 如果通风导管内设有高压管路，则导管应进行至少为1MPa的压力试验。

3.3.1.7 拟用于工作温度低于-55℃的每种尺寸和每种型式的阀，应在最低设计温度（或更低）和不低于阀的设计压力下进行密性试验。在试验期间，应确认阀具有良好的工作性能。

3.3.1.8 拟用于气体管路的波纹膨胀接头应进行下述原型试验:

（1）过压试验。未经预先压缩的波纹管元件应经受不小于5倍设计压力的压力试验而不破裂，试验持续时间应不少于5min。

（2）对于带有所有附后（法兰、拉杆、铰接件等）的原型膨胀接头，应在制造厂推荐的最大位移条件下，使其经受2倍设计压力的压力试验。试验不应产生永久变形。根据材料可要求在最低设计温度下进行这种试验。

（3）循环试验（热运动）。对完整的膨胀接头应进行该试验，在压力、温度、轴向运动、旋转运动和横向运动等条件下，完整的膨胀接头应能良好地承受至少为与实际使用中所遇到的同样多的循环次数。保守情况下允许在室温下进行试验。

（4）周期性疲劳试验（考虑船体变形）。对完整的膨胀接头应在无内压的情况下进行试验，即用模拟相当于补偿管段的波纹管运动的方式，在不高于5Hz的频率下，至少进2×106次次循环。但只有当由于管路的布置实际上会经受船体变形载荷作用时，才要求进行这种试验。

3.3.1.9 如果提供完整的文件以确认膨胀接头适于承受预计的工作条件，则可不必进行本章3.3.1.8中规定的试验。当最大内部压力超过0.1MPa时，上述文件应包括足够的试验资料，以验证所用设计方法的合理性，特别是关于计算和试验结果之间的相互关系。

3.3.1.10 气体燃料系统中使用的软管，应按本社《散装运输液化气体船舶结构与设备规范》中对货物软管的相关要求进行试验。

第4章气体燃料供应

第1节一般规定

4.1.1 一般要求

4.1.1.1 对于单一气体燃料动力系统，从气罐至用气设备的气体燃料供应系统布置应满足如下要求，保证当气体燃料供应系统发生泄漏时，不会导致主推进、发电和其他主要功能的丧失:

（1）采用两个或多个尺寸相近的气罐储存燃料，气罐分别布置在不同的处所；

（2）对于C型LNG气罐，如果设有两个完全独立的气罐连接处所，则可接受仅设置一个气罐。

4.1.1.2 气罐的每一气体燃料供应出口应设置一个气罐主阀和一个手动截止阀，且应尽量靠近气罐。

4.1.1.3 警示牌

（1）当气体燃料供应由于自动截止阀动作而中断时，应在查明原因并采取相关措施之后方可重新恢复气体燃料供应。应在供气管路控制处所的显见位置张贴有关警示牌；

（2）当气体燃料供应由于气体泄漏而中断时，应在查明泄漏并进行处理后方可重新恢复气体燃料供应。应在气体燃料发动机机舱的显见位置张贴警示牌；

（3）当发动机运行时，不应进行可能损害供气管路的任何操作。应在气体燃料发动机舱内的显见位置张贴有关警示牌。

第2节供气阀

4.2.1 一般要求

4.2.1.1 每台或每组气体燃料发动机的主供气管路上应设有1个手动截止阀和1个主气体燃料阀，两阀串联连接，或设置1个自动和手动操作组合阀。主气体燃料阀应位于机器处所外，并尽可能靠近热交换器（如设有）。

4.2.1.2 主气体燃料阀应能按本规范第10章表10.4.1.1（2）所规定的情况自动切断供气管路，并能从机舱、驾驶室、控制站等位置对其进行关闭。

4.2.1.3 通往每台气体燃料发动机的供气管路上应安装一套互锁气体阀，其布置应能满足如下要求:

（1）3只阀中的2只串接在通向发动机的气体燃料管路上，第3只安装在处于2只串接阀之间的气体燃料透气管上，该透气管应通向露天的安全位置；

（2）当发生本规范第10章表10.4.1.1（2）所述的有关故障时，能自动关闭2只串接阀并自动打开透气阀；

（3）2只串接阀中的1只阀和透气阀的功能可以组合在同一个阀体中，当发生本规范第10章表10.4.1.1所述的有关故障时，应能自动切断气体燃料供应，并自动进行透气；

（4）上述3只阀应能人工复位；

（5）串接的2只气体燃料阀应为故障关闭型，透气阀应为故障开启型；

（6）互锁气体阀还应用于发动机的正常停车。

4.2.1.4 对于高压气体燃料发动机，当主气体燃料阀自动关闭时，主气体燃料阀至互锁气体阀间的供气管路以及互锁气体阀至发动机气体喷射阀之间的供气管路应能自动透气；当发动机正常停车时，互锁气体阀至发动机气体喷射阀之间的供气管路应能自动透气。

4.2.1.5 在互锁气体阀上游通向每台气体燃料发动机的供气管路上应设有1个手动操作的截止阀，以确保在发动机维修期间能进行安全有效的隔离。

4.2.1.6 如果每台气体燃料发动机设有单独的主气体燃料阀，则主气体燃料阀和互锁气体阀的功能可以进行组合，即主气体燃料阀可以作为互锁气体阀中的一个截止阀用于切断气体燃料供应。单台发动机系统和多台发动机系统的供气阀布置示例如图4.2.1.6(1)和图4.2.1.6(2)所示。

图4.2.1.6(1) 单台发动机系统的供气阀布置方法示例

图4.2.1.6(2) 多台发动机装置系统的供气阀布置方法示例

第3节机器处所内的供气系统

4.3.1 本质安全机器处所的供气系统

4.3.1.1 本质安全机器处所内的供气管路应采用双壁管，双壁管可设计成如下两种形式之一:

（1）由内管和外管组成的同心管，内管含有气体燃料，内、外管之间的空腔充满压力高于内管气体压力的惰性气体。当此空腔内惰性气体压力降低时，应有适当的报警予以警示。当内管中含有高压气体时，此管路系统应布置成当主气体燃料阀关闭时，位于主气体燃料阀和发动机之间的管路可自动进行惰性气体吹扫。

（2）供气管路安装在通风导管内，供气管路和通风导管之间的空间安装独立的机械式抽风机，并满足本规范第7章第6节的要求。

4.3.1.2 供气管路与气体喷射阀的连接应设置双壁管，其布置应能使得方便地对气体喷射阀和气缸盖进行更换和/或检查。发动机本体上的供气管路同样应采用双壁管，直至气体进入气缸。如果气体在低压状态下通过发动机空气进气总管/进气支管进入气缸，且在发动机上方设有至少1个气体探测器，则对发动机空气进气总管/进气支管可免除双壁管的要求。

4.3.1.3 同心管外管的设计压力应不低于内管中气体的最大工作压力。

4.3.1.4 对于高压供气管路，通风导管的设计压力应为下列压力中的大者:

（1）最大累积压力:供气管路破裂时，气体在通风导管内流动产生的静压；

（2）管路破裂时局部瞬时峰值压力p*，按下式计算: