收稿日期：2015-09-15作者简介：杜平（1974-），男，汉族，毕业于海军工程大学本科，作战指挥与火力控制专业，研究方向：船舶机电。DOI：10.16247/jki.23-1171/tq.20151241Sum243No.12化学工程师ChemicalEngineer2015年第12期综述海军大型水面舰船需要使用普通N2（99%）、普通O2（95%）、高纯N2（99.999%）和高纯O2（99.5%），普通O2和高纯O2用于航空呼吸用氧、医疗用氧、发动机补氧和金属切割等领域，普通N2和高纯N2用于喷气燃料惰化、航空用氮、弹药保护、果蔬存储等领域[1]。1氮氧简介氮氧有两种存在方式，气态和液态，都能够在舰船上稳定储存。N2和O2在常温常压下为气态，密度分别是1.25和1.43kg·m-3，必须加压储存。气瓶容积一般为130L，储存压力一般为20和35MPa。当氮氧温度分别低于-196和-183℃时，就转变为液氮和液氧，常压下密度分别为810和1140kg·m-3。由于液氮液氧温度低，必须保温储存，为防止液氮液氧快速挥发，储存压力一般为0.8MPa[2]。由于液氮液氧与N2、O2的密度相差约800倍，因此，储存相同的氮氧，液氮液氧储罐的体积大大低于氮氧气瓶。

5m3液氮相当于72个130L气瓶（35MPa），5m3液氧相当于88个130L气瓶（35MPa）。根据美国海军舰船技术手册550章，同样储存6500和4500kg的氮氧，液氮储罐的重量仅是气瓶的1/5，设备容积是气瓶的1/4[3]。因此，大型海军舰艇上，适合储存液氮液氧，能够满足舰艇对氮氧的需求。液氮液氧的低温性和易挥发性，容易让人产生畏惧感。而在国防业和工业等领域，液氮液氧得到广泛应用，美国海军等在航空母舰、医疗船和潜艇补给舰上使用和管理液氮液氧已经长达60多年，其安全性也得到了广泛认可[4，5]。本文将详细介绍液氮液氧在海军舰艇上的应用现状、供给方式和发展趋势，并着重阐述液氮液氧的安全管理。2供给方式根据海军舰艇的空间、功率和使用量等因素，液氮液氧的供给分为以下两种方式[1]。2.1直接携带顾名思义，这种方式就是在码头上或者海洋上，通过充注管道向舰艇上输送液氮液氧，例如AIP潜艇和使用液氧作为氧源的常规潜艇。对于液氮液氧需求量非常小的海军舰艇，其液氮液氧罐是可移动式，补给液氮液氧时，直接更换液氮液氧罐。这种补给方式的优势是不占用舰艇上任何资源，直接接杜平1，于开录2，吕东方2，岳强2（1.海军驻保定地区航空军事代表室，河北保定071000；2.中船重工第七一八研究所，河北邯郸056027）摘要：海军舰船和潜艇需要大量N2和O2，氮氧以液氮液氧形式储存和使用，具有储存设备重量轻、空间小、使用方便、安全性高等特点。

本文阐述了液氮液氧在海军舰船和潜艇上的供给模式，使用和管理情况，以及安全性分析。关键词：液氮；液氧；海军舰艇；安全；管理中图分类号：TQ116.1文献标识码：AUtilizationofliquidnitrogenandliquidoxygeninnavyshipsDUPing1，YUKai-lu2，LVDong-fang2，YUEQiang2（1.TheOfficeofNavyRepresentativeinBaodingDistrict,Baoding071000，China；2.The718thResearchInstituteofCSIC,Handan056027，China）Abstract：Nitrogenandoxygenisnecessaryfornavysurfaceshipandsubmarine.Thestorageandutilizationofnitrogenandoxygeninliquidstatus,ischaracterizedbythelightandsmallstorageequipment,easytouse,highsafety.Inthispaper,thesupplymode,utilizationandmanagementofliquidnitrogenandoxygenonnavysurfaceshipandsubmarinearediscussed.Keywords：liquidnitrogen；liquidoxygen；navyships；safety；management受补给；缺点是携带量受限，需要经常补给。

美国海军的潜艇补给舰配置了液氮液氧生产装置，能够随时为潜艇补给液氮液氧。2.2现场制备对于液氮液氧需求量大的航空母舰、海军医疗船和潜艇补给舰等大型水面舰船来说，在舰船上安装一台低温精馏制氮制氧装置，直接生产液氮液氧。低温精馏技术是应广泛用的氮氧制备技术，它的原理是：液体空气在蒸馏时，N2的沸点低（-196℃），更容易挥发进入气相中，O2的沸点高（-183℃），大多留在液相中，经过多次蒸馏（即精馏），将空气分离为N2和O2。3使用与管理图1是美国大型水面舰船上，液氮液氧生产、储存、输送、充瓶和使用等过程的示意图。图1海军舰船上氮氧生产与使用流程Fig.1ProductionandutilizationofnitrogenandoxygeninUSnavy空压机将空气压缩到1.3MPa，经过预处理净化后进入冷箱。空气在冷箱中的精馏塔内分离为液氮和液氧，分别储存在若干个大型低温液体储槽（6m3）内。图1中压缩气化单元主要包括液体压缩泵和加热器，液体压缩泵将液氮液氧压缩到20MPa，然后高压液氮液氧在加热器中被加热到25℃左右，最后充入高压气瓶中。N2属于惰性气体，可以通过高压环网，输送到全舰各个部位。

O2属于危险性气体，不适合建立全舰的高压氧气环网，因此，美国海军在全舰建立了若干个液氧站，通过液氧车将液氧从总站输送到各个分站。液氧在分站可以直接分装，也可以压缩气化，就地充瓶。这种液氧输送与使用方式，避免了高压O2输送和充瓶可能引发的危险。图2是液氧站的工艺流程图，液氧站主要由液氧储罐、液氧增压泵、气化器及管道阀门等组成。由于液氧温度极低，液氧储罐采用双层结构，液氧储存在内部容器中，中间夹层处于真空状态，避免冷量通过气体传导。为了减少冷量通过热辐射传导，夹层中间通常填充珠光砂等多孔材料，或者在内部容器周围包裹多层反射隔热材料。夹层连接一个机械真空泵，随时保证夹层的真空度。图2 液氧站的工艺流程图Fig.2 Diagram of liquid oxygen station液氧增压泵的类型是柱塞泵，能够将液氧压缩到35MPa 以上。气化器就是水浴式电加热器，将液氧从-183℃加热升温到25℃，而压力保持不变，直接充入钢瓶中。从安全使用的角度考虑，液氧储罐上设置了多个管道和阀门。阀门V1 控制流经增压盘管的液氧流量，该盘管置于大气环境中，液氧直接气化，能够增加液氧储罐的气相压力；阀门V2 控制液氧的充注和排放；阀门V3 和V4 控制高压氧气的出口方向；阀门V5 控制液氧增压泵的液氧供给开关和调节；阀门 V6 控制液氧储存的最高液位。

阀门V7~V13 涉及液氧储罐的安全性设计，为了防止液氧过度蒸发而形成超高压，液氧储罐通过压力调节阀V10 与外界相通，当压力高于设定压力后，多余氧气通过该阀排放出去，降低罐内压力。同时气相管道设置了安全阀和爆破片，避免极端情况下发生的超高压状况，另外液氧站也可以通过阀门V11，以极快的速度将液氧排放出去。液氧储罐采取了严格的保温措施，但仍然存在一定的冷量泄漏[ 6 ]。通常情况下，液氧储罐的蒸发损失率应该低于1%。通常情况下，超压的O2直接排放到大气中；在美国海军医疗船上，这部分O2直接进入供氧管道中；在AIP 潜艇上，这部分O2直接供给到舱室内。4 安全性分析4.1 生理伤害N2 用户高压N2 环网安全阀V12超压爆破片液氧储槽O2液氧压力调节阀低压O2 排放超压爆破片安全阀V13安全阀V14液氧排放高压液氧缓冲罐液氧增压泵液氧储槽增压盘管液氧充注口高压O2 出口保温层气化器高压O2 出口高压O2杜 平等：液氮液氧在海军舰艇上的应用进展 42 2015 年第12 期生理伤害主要分为冻伤和窒息。液氮液氧的温度为-196 和-183℃，当与人体组织大面积接触时，会引起严重冻伤。主要防护措施是穿戴防护服、手套、皮靴、透明面罩、围裙等，所有物品必须禁油。

当液氮或液氧泄漏时，操作人员处于N2或O2氛围内，容易引起窒息或肺部损害。因此，在狭小空间作业时，需要2 名操作人员，同时携带O2分析仪，并保持舱室完全通风。4.2 爆炸爆炸都需要3 个因素：氧化剂、燃料和激发源。O2是常见的氧化剂；燃料包括各种可燃性物质，如油脂、铁屑和纺织物等；激发源包括机械或放电火星、燃烧、撞击、加热、摩擦和化学反应等。氧气系统容易发生爆炸，因此，相关的政策、法律法规、标准和体系文件非常多，预防氧气系统爆炸的核心就是避免氧气与可燃性物质的接触。液氧系统的防范措施与氧气系统类似，这里不详细描述。美国海军为了避免O2在运输过程中发生爆炸，没有建立高压氧气环网，而是通过液氧车进行输送，大大降低了氧气爆炸的概率。4.3 气化超压液氮液氧的密度分别是N2、O2的650 倍和800倍，也就是说，密闭容器内超压液氮液氧完全气化后，容器内部压力将提高650 倍和800 倍，容易造成容器损害。常见的防护措施是在液氮液氧系统中，设置安全阀、爆破片和紧急排放管道；同时在操作过程中，避免在两个关闭阀门间残留低温液体。44 材料适应性低温会造成金属材料或非金属材料的性能变化，如变脆、延展性差等，因此，低温系统对材料选择有严格要求，通常采用奥氏体不锈钢、铝、铜等金属，碳钢等低合金严禁使用。

为防止液氮液氧泄漏对船体造成损害，舱室地板必须覆盖不锈钢板。非金属材料也禁止使用，管道密封多采用螺纹密封和金属垫片密封。金属在常温和低温下的形变可以达到0.4%，容易引起管道拉裂等现象。因此，在管道和容器设计中，多增加弯管、软管和膨胀节。不同金属具有不同的收缩率，两种金属焊接点在温变过程中会受到拉扯，因此，要求焊料具有很强的应力。4.5 抗冲击能力液氮液氧具有流动性，必须加强液氮液氧储罐的抗冲击能力，这方面国内已经做了大量工作[ 7 ]。国内对某型潜艇上液氧罐的抗冲击进行了技术设计，在分析确定了液氧罐冲击环境的基础上，研究确定了抗冲装置的布置形式和参数指标，并对抗冲装置关键元件—— —隔振器进行大量振动和冲击试验，了解了隔振器的冲击性能，以及与振动性能、静态性能之间的关系，为抗冲击设计与计算提供了试验依据，为隔振器性能指标的合理确定打下了基础。5 应用现状51 航空母舰美国航空母舰上氮氧系统由低温精馏装置、液氮液氧储罐、低温液体泵、气化器、氮氧充注站、工艺管道与控制阀组等组成（见图3），在舰首和舰尾的左右外舷各分布一套，二者的高压氮气管道相互联通，在全舰组成环状网络。图3 美国海军不同时期使用的低温液体储存、压缩与气化装置Fig.3 Storage, compassion and vaporization apparatusof low temperature liquid of US Navy低温精馏装置、液氮液氧储罐、低温液体泵、气化器、氮氧充注站均布置在机库甲板上的相邻舱室内，与机库仅有一墙之隔。

系统与外舷很近，便于为航空系统提供N2和O2，同时也便于排放工艺废气和废液。低温精馏装置产品是液氮和液氧，产量是40～80Nm3·h-1（折合为气体），纯度均为 99.5%，液氮和液氧平时储存在1~6m3的低温液体储罐中。液氮和液氧的纯度和组成分别满足BB-N-411（N2技术指标）和MIL-O-27210（液态或气态航空呼吸用氧）的要求。液氮转化为高压N