LNG運輸船(LNGC)是國際公認的技術含量高、建造難度系數大、附加值高的船舶。目前，在航最主流的LNG船包括MOSS型和薄膜型。近年來，薄膜型LNG船所占比例逐年增加。截至2023年第3季度，全國所有LNG接收站總共到港1080艘(包含裝船和卸船)，其中MOSS型186艘，占比17.2%；薄膜型883艘，占比81.8%；自支撐型11艘，占比1.0%。不難看出，薄膜型LNGC占有絕大部分LNG市場份額。2024年將有89艘LNGC(總量14.9億m³)交付，同比3年前的2021年10.1億m³高48%。

由于所承運貨物為極低溫的液態天然氣，在標準艙壓下，其沸點為-163℃，極易蒸發。在蒸發氣(BOG)不斷生成下，貨艙內及主次絕熱層壓力不穩定。為保證貨艙安全，分析各操作過程貨艙壓力、絕熱層壓力要求或引起壓力變化的原因，總結出操作注意事項。

主體艙型分類

法國GTT公司擁有MARK系列和NO.96系列兩種薄膜型液貨圍護技術，在LNG液貨圍護領域占據了全球90%以上的市場份額。根據其采用的屏壁結構、絕熱材料以及焊接等工藝的不同可分為3種形式：No.96型、Mark III型和CS-1型，其中CS-1型僅在小范圍內開發和應用，主流的形式為兩種：No.96型、Mark III型。

No.96型艙的貨物圍護系統于1983年研發推廣沿用至今，性能穩定為行業領域公認。該系統主要包括主、次屏壁和主、次絕熱層。其液貨艙主屏壁和次屏壁均為一層僅0.7mm厚的殷瓦鋼板(Invar)。其在極低溫度條件下仍然保持微小的收縮量。通過連續焊接形式將殷瓦鋼板逐次焊接，形成閉環，主、次屏壁建立，蒸發率約為0.15%/d左右。

Mark III型液貨圍護系統與No.96型類似，包括主、次屏壁和內壁空間、絕熱層等。Mark III型船的液貨艙主屏壁是1.2mm厚的波紋狀不銹鋼，波紋結構可以吸收由于溫度降低產生的收縮和船體彎曲運動引起的變形；次屏壁是3層板，厚度約0.6mm，兩邊是玻璃纖維布，中間夾著一層鋁箔組成。空間填充物為以聚氨酯為主要材料的絕緣板和上橋板，隔熱效果較好，蒸發率達0.085%/d左右。

IAS系統控制原理

以江南造船(集團)有限責任公司建造的某型LNGC為例，該船采用Mark III Flex型薄膜艙，其貨物圍護系統裝配結構如圖1所示。

圖1 貨物圍護系統裝配結構示意圖

整個液貨控制系統IAS由貨艙操作系統CHS和燃氣處理系統GMS兩部分組成，此控制系統除了滿足FGSS的日常功用還要滿足船舶LNG液貨的裝卸、駁運，以及貨艙的日常維護處理。由于LNG極具易揮發特性，LNG艙壓會隨時間推移而逐漸升高，這意味著艙內揮發出的BOG要及時消耗掉，從而保證艙壓力的平穩。消耗BOG的用戶主要有3部分，即船用雙燃料主機、船用主發電機、輔鍋爐。圖2為IAS控制系統原理圖。

圖2 IAS控制系統示意圖

IAS對于主、次絕緣層氮氣壓力自動控制來說，控制邏輯為：空間壓力低于設定值時系統注入閥打開，接近目標值閥開度關小，到達目標值閥門完全關閉；空間壓力高于設定值時排出閥打開，接近目標值閥開度關小，達到目標值閥門全部關閉。然而，由于MARK Ⅲ薄膜艙的特殊性，傳感器感應存在一定的延時。為此，主、次絕緣層的氮氣注入和氮氣平衡的控制尤為重要，邏輯控制要根據不同情況有針對性的合理控制。

實船壓力平衡控制問題

以江南造船(集團)有限責任公司建造的LNG船為例，當IAS系統氮氣控制功能完備，主、次絕緣層進、排氣閥能夠實現自動控制功能該船的控制系統采集主、次絕緣層壓力傳感器的壓力，由于注入口與傳感器相距35m壓力擴散速度因氮氣注入控制有所延時，邏輯控制相對難度較大。圖3為氮氣控制系統示意圖。

圖3 IAS(氮氣平衡控制系統示意圖)

在建船只碼頭加注主要分為惰化、置換、冷艙以及加注氮(Loading)4個階段，整個過程中始終保持主絕緣層壓力：0.5KPag≤PIBS≤1.0KPag，次絕緣層壓力在PIBS+0.2KPag與PIBS+0.7KPag之間。當主、次絕緣層壓力低于設定值時，氮氣注入閥會打開，根據壓力提升速率自動調節氣動控制閥(PCV)開度；當主、次絕緣層壓力高于設定值時，相應的排氣PCV閥根據控制邏輯自動打開到合適開度。當壓力繼續升高到3.0KPag，主絕緣層安全閥(PSV)起跳；3.5KPag時，次絕緣層安全閥PSV起跳。

各階段壓力平衡問題分析

惰化階段，旨在用氮氣將艙內的空氣置換掉，利用氮氣與空氣密度差進行分層，以及氣體“活塞效應”的特性，采取“頂進底出”的形式，在惰化階段對頂部、中部、底部的氣體取樣監測，O2≤2%Vol，標志著貨艙惰化完成，本階段主、次絕緣層壓力基本穩定，氮氣消耗相對較低。

氮氣置換階段，是在貨艙惰化結束后，進行的常溫燃氣置換艙內的常溫氮氣，同樣利用燃氣與氮氣密度差進行分層以及氣體的“活塞效應”，采取“頂進底出”的形式。此階段主、次絕緣層壓力一樣經由IAS自動控制，氮氣氣源同樣由氮氣發生器供氣，由于艙室溫度變化不大，氮氣負荷消耗相對較低。圖4為氮氣壓力控制系統。

圖4 主、次絕緣層壓力傳感器箱內部布置圖

冷艙階段,LNG經由液貨艙噴淋管對大艙進行噴淋，期間按照GTT工藝規范的溫降曲線控制各時段的冷艙速率，直至艙內溫度從頂、中、底平均溫度降到-130℃以下，冷艙工作結束。由于液貨艙變冷，致使主次絕緣層內氣體分子間距變小，壓力降低且溫度降低，故需大量氮氣注入相應空間內。此階段氮氣需求量較大。圖5為主次絕緣層溫度分布示意圖。

圖5 主絕緣層溫度傳感器布置圖

加注階段，是冷艙結束后進行LNG加注，LNG槽車將LNG經由加注站液相管——噴淋管路——液相管路的方式進行加注。此階段液貨艙和主絕緣層的溫度都會繼續降低，氮氣注入量較惰化和置換階段較大。

此外，壓力傳感器為表壓傳感器，其量程為-5Kpa～+5Kpa，因此在密性試驗時處于超量程狀態，整個過程中壓力傳感器管路均需插有盲板法蘭進行保護，而一旦盲板插錯或漏插，將導致壓力傳感器線性發生偏移甚至損壞的風險，會造成主、次絕緣層壓力不穩，甚至壓差出現負值，對整個圍護系統的安全造成隱患。如圖6，主絕緣層壓力表試驗過程中出現了負壓情況。

圖6 主絕緣層壓力表

各階段處理問題方式方法

建議根據圍護系統特殊建造的方式大致分為3個階段：

1、主、次絕緣層完成到封艙階段；

2、燃氣系統系泊試驗階段；

3、船舶航行試驗以及日常維護階段。

第1階段主要是常溫下各屏壁完整后，進行響聲試驗(Sounding Test)、PBGT、SBTT后的主、次絕緣層的氮氣注入工作。該階段由于空間內壓力相較標準大氣壓力所呈現是負壓狀態，IAS系統中壓力傳感器在負壓條件下無法實現壓力監測的作用。為此，此階段的IS、IBS壓力監測工作由密性實驗團隊(SGS)負責，氮氣注入由氮氣瓶組或者船上氮氣發生器提供。

試驗操作人員根據監測的壓力上升速率合理設定氮氣注入流量，最終平穩完成主、次絕緣層負壓回至常壓(AP.)的狀態。調試人員通過與SGS團隊10分鐘一次的數據溝通，根據壓力回升的速率，合理調整主、次絕緣層進口閥開度，最終完成負壓回常壓的工作。待到船舶航行試驗前，最后一次SBTT回常壓結束后，將臨時管路和盲板法蘭拆除，管路、傳感器全部復位，然后進行常壓到正常壓力的狀態。此狀態最為關鍵，如若將IAS系統調成自動模式,主、次絕緣層壓力傳感器采集的壓力均為常壓0kpag，系統會自動將進口閥開度調到100%，緩沖罐壓力設定為43kpag,壓力梯度會沿著整根注入管一直延伸，傳遞到注入管的進口局部區域，導致局部超壓，甚至將次屏壁粘貼薄弱處撕裂。

為此，此階段應該在IAS系統中設定一個特定邏輯，將主、次絕緣層注入閥的開度設到最大值60%，即系統自動的情況下，降低氮氣注入流量，更加穩定的保證氮氣注入速率，從而保證主、次屏壁的型變量可控。直到主、次絕緣層壓力達到正常值。

第2階段主要是液貨艙系泊試驗階段，該階段分為4個步驟，即惰化、置換、冷艙、加注。在這4個步驟中，第1、2步開始時會監測主、次絕緣層露點和含氧量，根據絕緣材料的特殊性，致使參數不太穩定，要反復吹掃。為此，IAS主、次絕緣層氮氣控制系統要設定自動吹掃控制邏輯模式。選擇吹掃模式時，主、次絕緣層出口閥開度設定50%，進口閥根據壓力控制開度，最大開度均為60%，這樣既能保證壓力的穩定可控，又能平穩的將空間內的空氣進行有效置換，最終達到露點≤-30℃，O2≤3%Vol的目標值為后續貨艙試驗等工作如期進行提供保證。

第3步、第4步由于貨艙溫度變化較大，對主、次絕緣層氮氣注入量變化要求更高。在此情況下，如果一直保持大流量注入，來補充由于溫度降低而導致的主絕緣層壓力下降，同樣會導致局部超壓的情況。此外，由于主、次絕緣層之間有一層上橋板（TBP）隔熱，次絕緣層的溫度不會由于主絕緣層的溫降而有明顯降溫，但是由于主絕緣層壓力降低，主、次絕緣層之間的壓差會增大，致使次屏壁向主絕緣層側鼓起現象，次絕緣層空間變大，此空間的氮氣壓力也會降低，但幅度明顯小于主絕緣層。

第3階段為船舶航行試驗以及日常維護階段。由于液貨艙艙壓、溫度基本上穩定，不需要過多關注。隨著時間推移，絕緣層內的空氣還有可能再次析出累積，造成露點升高，此狀態時主、次絕緣層均是低溫狀態，一旦露點溫度升高，會有結冰風險。建議在此安全穩定階段設定每天一小時的小流量吹掃程序。排氣閥開度10%，進口閥自動狀態，能保證在壓力波動不大的前提下，進口閥頻繁開關，使壓力擴散脈沖，將角角落落的殘余空氣稀釋推動，最終排出到大氣中。

根據上述現象，可在IAS控制系統中針對此情況設定個小程序，將主絕緣層的注入閥開度設定最大值60%，由于主絕緣層壓力降低而造成主、次絕緣層壓差過大的情況下，控制邏輯應先打開次絕緣層出口閥進行排氣。這樣既能保證主絕緣層壓力穩步上升，又能保證主、次絕緣層壓差可控。待到整個試驗結束后，恢復到正常控制邏輯。在第2階段實驗過程中時刻監測主絕緣層壓力，一旦低于0.25KPag,且呈繼續降低態勢，立即降低LNG的噴淋流量(整個試驗階段溫度下降幅度以GTT工藝文件的溫度曲線為準)。直到壓力趨于穩定可控，進行適當的加大流量，在保證整個試驗安全、平穩的前提下，縮短試驗時間，從而降低材料成本，為接下來的船舶燃氣模式航行試驗順利進行保駕護航。