A型LNG罐完整次屏蔽密性试验及验收标准

王 飞，王永强，周磊磊

（招商局重工（江苏）有限公司，江苏南通 226116）

0 引言

液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）运输船被公认为是具有高附加值、高技术含量、高建造难度的产品[1-2]。LNG 是在-162 ℃低温下运输液化气的专用船舶，其液货舱由冷、热两层绝热绝缘和相应的两道主次屏蔽组成。冷、热绝缘层起到有效的隔热作用，以在运输途中保持舱内货物的温度。由于装载极低温的LNG，货舱的泄漏不仅会造成巨大的经济损失，还会使船舶陷入危险的境地。为确保安全，LNG 船的完整次屏蔽密性试验是对液货围护系统制造与装配质量的全面校核，是对整个货舱区域的完整性做最后一道检验，是保障LNG 船航运安全的关键环节[3-4]。

本文对A型舱次屏壁粘接后系统孔隙度的试验方法以及不同次数的热循环对次屏壁气密性的影响进行分析，并确定独立A 型LNG 液舱次屏壁粘接后系统孔隙度的验收标准。

1 密性试验模型设计

1.1 结构设计

完整次屏壁的整体密性试验模型需要建立冷屏壁空间和绝缘空间之间的压力差，利用真空泵在绝缘空间内产生真空压力。在真空泵关闭时，记录真空度的衰减曲线。

衰减速率的影响因素包括温度、测试气体校正系数、次屏壁的面积、绝缘空间的气体容积和测试压力比等。次屏壁系统孔隙度的测试结果应符合预先确定的验收标准。

试验模型的设计应满足几何相似原则，即模型与原型在几何尺寸上保持一定比例。为全面模拟实船的完整次屏壁密性试验，将试验模型设计为气密的矩形结构。在绝缘系统安装完成后，次屏壁层与模型结构间形成封闭空间，这构成了试验的基础条件。密性试验模型原理图见图1。

图1 密性试验模型原理图

试验模型尺寸（长×宽×高）为4.0 m×2.6 m×0.4 m，模型内部铺设绝缘板，四周用高约25 mm 的挡板围住，挡板内圈设有保温绝缘，顶部盖一层保温绝缘板封盖，用于在试验时对液氮蒸发气进行保温以保证足够的升温时间。为确保密性试验的完整性，模型顶部封盖采用钢板焊接封死。在0.01 MPa 的压力下测试模型的气密性。在试验结束后，将临时的顶部封盖拆除。

1.2 板式绝缘及次屏壁安装

A 型舱绝缘系统包括上、下两层预制绝缘层和1 层完整的次屏壁。将上、下绝缘层预先分割成多块绝缘板，通过不锈钢螺杆将各块绝缘板固定在船体结构上。相邻绝缘板之间通过填充低温海绵和泡沫来吸收绝缘板的位移。在上绝缘板的表面贴有一层次屏壁，并将单独的次屏壁粘在相邻两块上绝缘板上，使其形成一个凹槽，以便次屏壁膜进行收缩和膨胀。根据相关规范设计次屏壁，使其满足完整密封的要求。板式绝缘层及次屏蔽组成图见图2。

图2 板式绝缘层及次屏蔽组成图

根据实船安装情况，在试验模型上安装板式绝缘和次屏壁，次屏壁与模型结构间形成封闭空间。为真实模拟实船绝缘安装时存在的船体结构变形和安装误差，在模型内安装绝缘时在绝缘板底部布置一个20 mm 厚的垫板，即将模型内绝缘板整体抬高20 mm，增大了次屏壁密封空间内的实际容积。

在试验模型内安装若干温度传感器，用于记录各个位置的温度，以及检查次屏壁密封性验证过程中的异常情况。温度传感器的安装位置见图3。

图3 温度传感器在试验模型中的布置

1.3 模型试验辅助设备的配置

为真实模拟实船完整次屏壁系统的配置情况，需要为模型配置辅助系统。

1）钢结构界面绝缘

试验模型四周的挡板内圈安装有隔热块，用于保持冷却试验期间钢结构的温度。钢结构采用泡沫绝缘保温板减缓模型的降温速率，使测试模型有足够的冷却时间以记录相关试验数据。保温绝缘封盖使试验模型具备了模拟实船低温环境的条件。

2）船上LNG 储罐的支撑结构

通常情况下，次屏壁与支撑LNG 储罐的木头支撑之间连接比次屏壁与次屏壁之间更加紧密。因此，通常认为储罐的支持硬木不会增加次生屏障的孔隙度。

3）测试单元控制系统和设备

在进行试验时，为保证模型内次屏壁两侧的压力差，需要用真空泵将次屏壁与模型结构之间的空间抽成真空环境。通过法兰将真空泵连接至试验模型，并用截止阀切断控制开关。

各温度传感器通过信号电缆将温度信号传递给仪器。试验模型附近布置有液氮瓶，氮气管路穿过临时的保温绝缘盖为次屏壁上方的空间输送低温氮气，以制作低温环境。通过源源不断地输送低温氮气，可以使氮气冷凝为-196 ℃的液氮，以模拟船上液化天然气泄漏的工况。

2 密性试验工况设计

2.1 试验方法

1）进行5 次完整的热循环，完整的热循环包括2 个步骤：（1）将次屏壁外部的环境温度冷却至-160 ℃；（2）缓慢升温至常温。

2）在热循环的间隔中进行4 次完整的整体密性试验。

本试验的目的是以循环的方式来获得稳定的孔隙度。在次屏壁的孔隙度稳定后，用液氮浸过次屏壁以验证次屏壁孔隙度的液密性。

2.2 试验工况

本试验在常温条件下计算次屏壁的孔隙度。在试验过程中，试验模型安装有临时封盖以减少热传递，进而降低试验过程中温度变化的速率。

通过计算次屏壁与模型结构之间的密闭绝缘空间的内部容积，估算绝缘空间的自由体积，进而计算出绝缘系统的体积以及绝缘空间内的自由体积。在此基础上，采用标准化次屏壁孔隙度计算的测试气体校正因子进行修正，测试气体校正因子随温度变化情况见图4。

图4 测试气体校正因子随温度变化

3 整体气密试验结果及分析

3.1 热循环

完整的热循环包含冷却和升温这2 个步骤。冷却步骤模拟如下过程：在实船装载货物后，次屏壁表面温度与LNG 的温度相一致，通过控制液氮瓶释放氮气的速率使低温氮气均匀分布在次屏壁上，次屏壁的温度在5～6 h 后达到-160 ℃。升温步骤模拟如下过程：在实船卸货后，货舱温度逐渐升温到常温水平，不增加试验模型的强制对流，使次屏壁温度自然升温至-20 ℃，随后移除保温绝缘盖。

3.2 次屏壁液密性验证试验

在进行次屏壁的液密性试验时，通过持续输送低温氮气使液氮浸没次屏壁，浸没液位约3.5 cm 并持续一段时间。

在液氮持续浸没次屏壁的过程中，利用温度传感器和热敏探头对次屏壁下的温度进行监测以检查任何潜在的泄漏迹象。

3.3 完整热循环

建立完整热循环的目的是模拟实船货物操作时LNG 液货舱不停进行冷却升温的工况，以便确定稳定的次屏壁孔隙度。一个热循环的定义为从常规温度（20 ℃）降温至-160 ℃的过程。

次屏蔽热循环温度曲线见图5。

图5 次屏蔽热循环温度曲线图

3.4 整体密性试验

3.4.1 试验方法

在每一次热循环前后均进行次屏壁的密性试验，主要包括以下步骤：

1）通过真空泵使绝缘空间内达到-0.025 MPa的真空压力。

2）当绝缘空间达到真空压力时，使真空泵保持低流量运行状态。

3）关闭真空泵，以及连接真空泵与绝缘空间的阀门。

4）对绝缘空间的压力上升过程进行记录和监测。

在试验过程中，次屏壁上方空间应与大气直接相连，同时温度应尽可能保持恒定。

3.4.2 真空衰减速率计算

记录绝缘空间压力从-0.025 MPa变化到-0.050 MPa所需的时间，并通过式（1）计算真空衰减率（Vacuum Decay Rate，VDR）：

式中：P1和P2分别为绝缘空间的初始压力值和终止压力值；t1和t2分别为压力初始时间点和压力终止时间点。

3.4.3 次屏壁孔隙度计算

本文通过孔隙度（Normalized Porosity，NP）来评价次屏壁的密性，计算公式为

式中：VIS为估算的绝缘空间容积；ASB为次屏蔽的面积；CG为气体在特定温度下绝缘空间内的活性因子。

3.4.4 试验结果

为获得准确的NP 数据，在每一次热循环之后进行4 次密性试验的操作，取试验数据的平均值。第一次热循环之前的密性试验定义为TC0，第1 次热循环到第5 次热循环之后的密性试验分别定义为TC1～TC5。由试验结果可知，次屏壁的系统孔隙度会随着完整热循环的次数逐渐增大，在3 次热循环之后，系统的孔隙度逐渐稳定在一个固定值。多次热循的环孔隙度计算值分布情况见图6。在使用液氮来验证次屏壁液密性之后，系统的孔隙度上升了约5%。

图6 多次热循的环孔隙度计算值分布

4 次屏壁液密性验证结果

次屏壁液密性验证试验的目的是验证稳定孔隙度下次屏壁的液密性。次屏蔽泄漏后次屏蔽附近温度记录情况见图7。试验中次屏壁的平均冷却速率约为50 ℃/h。

图7 次屏蔽泄漏后次屏蔽附近温度记录

大约4.4 h 后，次屏壁上方被液氮淹没。部分温度传感器安装在次屏壁和模型结构之间的绝缘空间内，用于记录绝缘空间和结构的温度。若这些传感器记录到了-196 ℃即液氮的温度，则证明次屏壁发生了泄漏事故。次屏蔽泄漏后主船体结构附近温度记录情况见图8，未发现异常。

图8 次屏蔽泄漏后主船体结构附近温度记录

在试验过程中，次屏壁被液氮淹没，并未检测到此屏壁下方的结构温度有异常，所有结构表面的温度均在9～13 ℃范围内被观察到，未发现任何冷凝现象，有力证明了次屏壁的液密性。

5 结论

通过A型液化天然气完整次屏壁密性试验研究，可以得出如下结论：

1）次屏壁孔隙度的经验数据受热循环凑数的影响较大，系统孔隙度与热循环次数之间具有一定的正比函数关系。

2）次屏壁孔隙度在第1 次热循环之后变化较大，后续变化率较小。整体的系统孔隙度会在第3 次热循环之后逐渐保持稳定.

3）由于次屏壁的系统孔隙度不受机械载荷的影响，对于次屏壁系统的验收标准需要基于热循环函数获得的经验孔隙率数据来定义。

4）次屏壁系统孔隙度的验收标准是根据本试验中获得的最高孔隙度数据建立的，由于次屏壁液密性试验过程中增加的系统孔隙度实际并不影响液密性，可以认为根据试验结果而建立的验收标准是相对保守的。