飽和潛水系統試驗氣體估算方法

朱傳美， 樊 斌， 陳 超

(中船黃埔文沖船舶有限公司， 廣東 廣州510715)

0 引 言

為確保潛水員生命安全，在飽和潛水系統安裝后須分別進行氣體泄漏試驗和功能試驗以檢測系統的可靠性，在此過程中需用到大量氦氣、氮氣、氧氣等氣體。其中，氦氣是一種昂貴的不可再生氣體，我國可開發的氦氣氣源很少，只能供應少量的科研項目使用，其他氦氣都需從國外進口，價格較高，且試驗用氣體因氦氣混合了其他氣體，分離氦氣需要專業廠家和專業設備操作，分離成本非常高，船廠潛水系統試驗用氣在試驗結束后氦氣往往基本不再回收利用。對于船廠來說，試驗用氦氣的購買是必須考慮的建造成本之一。

1 試驗要求及試驗項目

根據船級社規范[1-3]和廠家的試驗程序[4-7]，在潛水系統調試期間，主要有下列幾項試驗需用到大量氦氣：氣體泄漏試驗和環境控制系統、自動飽和系統、氣體回收系統的功能性試驗等。

以某船24人雙潛水鐘300 m飽和潛水系統為例,具體分析潛水系統試驗用氣的估算。

常壓下的氣體體積計算公式為

Q=Qe·P

(1)

式中：Q為1個標準大氣壓下的氣體體積， m3；Qe為存放氣體設備的容積， m3；P為氣體存放設備的工作壓力，bar (1 bar=0.1 MPa)。

2 氣體泄漏試驗

2.1 試驗要求

根據DNV-OS-E-402 J303[1]要求：最大允許工作壓力下進行氣體儲存、居住生活壓力艙、過渡艙、潛水鐘和生命支持等裝置的氣體泄漏試驗，試驗在溫度不變的前提下， 在24 h內壓降不超過1%即為合格(氣體溫度變化與壓力變化有對應關系，此處不作贅述)。試驗氣體要求含10%的氦氣，氣體泄漏試驗最少需要保持壓力6 h。

結合DNV規范要求和氣體成本，船廠選擇使用10%氦氣+90%氮氣組成的混合氣體作為泄漏試驗氣體。

在氣體泄漏試驗中，主要有下列項目需要檢驗：

(1) 潛水鐘、居住生活壓力艙和過渡艙泄漏試驗。

(2) 潛水系統儲氣瓶泄漏試驗。

(3) 氣體管路泄漏試驗。

根據廠家設備資料[8-9]和飽和潛水系統氣體原理圖[10]，需要充氣進行泄漏試驗的潛水設備容積如表1和表2所示。

表1 飽和潛水設備容積

表2 氣體儲存裝置

2.2 試驗所用氣體估算

(1) 潛水鐘、居住生活壓力艙和過渡艙泄漏試驗氣體估算

根據設備廠家提供的飽和潛水系統氣體泄漏試驗程序[4]，選擇試驗程序中單次試驗所需氣體最多的試驗設備(過渡艙+逃生通道+救生艇對接筒體+救生艇)來計算試驗氣體用量，如圖1所示。

圖1 飽和潛水系統氣體泄漏試驗

根據表1和圖1，單次泄漏試驗設備總容積計算公式為

Qt=2Qe1+2Qe2+2Qe3+2Qe4

(2)

式中：Qt為單次泄漏試驗設備總容積， m3；Qe1為過渡艙容積， m3；Qe2為逃生通道容積， m3；Qe3為救生艇容積， m3；Qe4為救生艇對接筒體容積， m3。

根據表1的設備容積，計算總容積Qt=2×38.0 m3+2×5.7 m3+2×16.0 m3+2×0.8 m3=121.0 m3。

根據DNV船級社規定的氣體泄漏試驗的氣體混合比例及式(1)可知，在標準大氣壓下所需氦氣及氮氣的計算式為

Qh= 10%Qt·P·(1+K)

(3)

Qn= 90%Qt·P·(1+K)

(4)

式中：Qh為標準大氣壓下氦氣容積， N·m3；Qn為標準大氣壓下氮氣容積, N·m3；K為試驗氣體余量及耗損因數，可以根據公司自身狀況考慮因數大小。

根據表1的工作壓力和式(2)，考慮10%的氣體余量和15%的氣體耗損，在標準大氣壓下：所需氦氣用量Qh=10% ×121.0 m3×32 bar×1.25=484 N·m3;所需氮氣用量Qn= 90%×121.0 m3×32 bar×1.25=4 356 N·m3。

(2) 潛水系統儲氣瓶泄漏試驗氣體估算

由于氣體泄漏試驗用到的氣體成分和混合比例相同，為節約成本，可將上述試驗氣體回收至儲氣瓶儲存起來用于儲氣瓶的氣體泄漏試驗。氣體泄漏試驗回收氣體所需儲氣瓶個數計算式為

N1=(Qh+Qn)·(1-K)/Q

(5)

式中：N1為儲氣瓶個數。

根據表2的儲氣瓶容積和工作壓力，單個儲氣瓶可儲存最大標準氣體Q=2.9 m3×200 bar =580 N·m3。

根據式(5)可計算出所需儲氣瓶數量N1= (484 N·m3+4 356 N·m3)×(1-0.25)/580 N·m3≈7瓶。

由于儲氣瓶的工作壓力為200 bar，在沒有專用的高壓大功率充氣工裝時，一般利用潛水系統配置的2臺專用高壓氣體壓縮機(工作壓力為200 bar)和氣體增壓泵(最大工作壓力為300 bar)進行氣瓶充氣。根據實踐，使用高壓氣體壓縮機和氣體增壓泵充滿1個儲氣瓶(壓力達200 bar)約需4～6 h，如果檢驗工具足夠(需不間斷檢測氣體是否泄漏最少6 h)，最多可使用3個儲氣瓶同時進行氣體泄漏試驗，因此，用于潛水鐘、居住生活壓力艙和過渡艙氣體泄漏試驗的混合氣體足夠完成儲氣瓶的氣體泄漏試驗，不需再多考慮氣體估算。

(3) 氣體管路泄漏試驗

由于氣體管路泄漏試驗氣體與上述泄漏試驗氣體相同，且氣體管路泄漏試驗所需氣體量較小，因此在進行氣體估算時可不考慮氣體管路泄漏試驗用氣量。

3 系統功能試驗

根據船級社規范和廠家試驗程序要求，在單個設備安裝調試后，需模擬實際最大工作水深時所用的氦氧混合氣體進行環境控制系統功能試驗、自動飽和系統功能試驗和回收系統功能試驗，所用試驗氣體為98%氦氣+2%氧氣的氦氧混合氣體[5-7]。

潛水系統功能試驗所需氦氧混合氣體容積計算式為

Qf= (Q5+Q6+Q7)·F

(6)

式中：Qf為標準大氣壓下功能試驗所需氦氧混合氣體容積, N·m3；Q5為環境控制系統功能試驗所需氦氧混合氣體容積, N·m3；Q6為自動飽和系統功能試驗所需氦氧混合氣體容積, N·m3；Q7為氣體回收系統功能試驗所需氦氧混合氣體容積, N·m3；F為同步因數，為加快試驗周期，可以選擇功能試驗同時進行或部分同時進行或單獨進行，根據試驗經驗，同步因數取值為0.8。

3.1 環境控制系統功能試驗氣體估算

環境控制系統功能試驗為模擬300 m水深的潛水員的工作環境，試驗最壞情況下環境控制設備對潛水員居住生活壓力艙內的溫度、濕度、二氧化碳去除等環境控制功能。單次試驗涉及1個居住生活壓力艙、2個環境控制單元及加熱器、制冷器和系統管路。

根據表1的居住生活壓力艙設備容積和工作壓力，參照式(1)，可計算出在標準大氣壓下單個居住生活壓力艙所需氦氧混合氣量Qo= 38.0 m3×32 bar=1 216 N·m3；單個儲氣瓶所能容納標準氣量Q=2.9 m3×200 bar=580 N·m3；單個居住生活壓力艙試驗氣體所需儲氣瓶數量N2=1 216 N·m3/580 N·m3≈3瓶。

根據飽和潛水氣體系統原理圖，試驗時儲氣瓶中的混合氣體殘留壓力為60 bar，單個儲氣瓶殘留氣體容量Qc= 2.9 m3×60 bar=174 N·m3。

根據上述計算結果，考慮5%的管路氣體余量和15%的氣體耗損，環境控制系統功能試驗所需氦氧混合氣體容積Q5=(1 216 N·m3+3×174 N·m3)×(1+5%+15%)≈2 086 N·m3。

3.2 自動飽和系統功能試驗氣體估算

自動飽和系統功能試驗為模擬飽和系統如居住生活壓力艙、過渡艙、逃生通道、救生艇及其他飽和系統相關設備在300 m工作水深下的各項功能測試。該項功能試驗氣體計算過程和用氣量與環境控制系統功能試驗相同，即自動飽和系統功能試驗所需氣體用量Q6為2 086 N·m3。

3.3 氣體回收系統功能試驗

氣體回收系統功能試驗為模擬300 m工作水深下氣體回收系統各設備功能運行試驗，根據試驗程序要求，試驗前需對氣體回收裝置充氣。根據表2的氣體回收裝置儲氣瓶容積和工作壓力，參照式(1)，可知其充氣量QI= 0.5 m3×250 bar=125 N·m3。

考慮到15%的氣體耗損，氣體回收系統功能試驗所需氣體Q7= 125 N·m3×1.15≈144 N·m3。

3.4 潛水系統功能試驗用氣總量

根據式(6)和上述各功能試驗所需氣體計算結果，潛水系統功能試驗所需氦氧混合氣體總容積Qf=(Q5+Q6+Q7)·F=(2 086 N·m3+2 086 N·m3+144 N·m3)×0.8≈3 453 N·m3，其中氦氣容積Qh=0.98×3 453 N·m3≈3 384 N·m3。

另外，在進行飽和潛水系統海上試驗時，同樣需用98%氦氣+2%氧氣的氦氧混合氣體模擬額定水深下的潛水鐘下放試驗和潛水鐘內通信系統試驗[1]，但用氣量不會超過上述最大單一系統功能試驗氣體用量，因此，海上試驗時可再次利用上述功能試驗氣體，不需額外再增購海上試驗氣體。

4 其他試驗氣體

飽和潛水氣體試驗除了第2節和第3節提及的不同比例及成分的混合氣體外，試驗中還需用到其他氣體。

4.1 純凈氮氣

用途：(1)氣體管路清潔試驗后的干燥試驗；(2)居住生活壓力艙消防滅火試驗；(3)潛水鐘氣體回收試驗。

根據廠家試驗程序要求，約需氮氣總量為 5 000 N·m3。

4.2 純凈氧氣

用途：(1)氣體回收系統功能試驗；(2)飽和系統功能試驗；(3)潛水鐘充氣板、救生艇充氣板功能試驗。

根據廠家試驗程序要求，約需氧氣總量為30 N·m3。

4.3 校驗氣體

(1) 純凈氦氣(非回收氦氣)。

(2) 氦氣、氧氣、二氧化碳混合氣體(含氧量10%～30%，含二氧化碳100～5 000 mg/L)。

(3) 參考氣體：純凈氮氣。

(4) 一氧化碳校準氣體：含20.9%氧氣，含5 mg/L 的一氧化碳的氮氣。

根據廠家試驗程序要求，上述校準氣體每種需準備至少各1個10 L和50 L、最大工作壓力為200 bar 的儲氣瓶。

5 結 論

根據試驗要求和計算結果，潛水系統氣體泄漏試驗所需氦氣約484 N·m3，所需氮氣約4 356 N·m3，功能試驗所需氦氣約3 384 N·m3，其他用氮氣約5 000 N·m3。整個飽和潛水系統試驗需要購買氦氣量約3 868 N·m3，氮氣及其他氣體約 10 000 N·m3。估算結果表明,潛水系統試驗階段所需氦氣等試驗氣體用量巨大、成本較高。針對飽和潛水支持船，通過實船驗證，介紹飽和潛水系統氣體試驗項目并給出試驗氣體計算方法，可作為潛水支持船的成本評估或試驗氣體準備的參考。