冰區(qū)加強型油輪電氣配置特殊性研究

楊 森，顧洪彬

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

俄羅斯油氣資源豐富，近年來其對周邊地區(qū)的石油開采進度明顯加速，伴隨著全球氣候變暖，北方航道的通航天數(shù)逐年增加，大大刺激了國際市場對冰區(qū)加強型油輪的需求。冰區(qū)加強型油輪相對于常規(guī)油輪，從船體結(jié)構(gòu)、船舶推進到設(shè)備配置方面，都存在很多差異，本文主要從電氣角度研究其特殊性。

1 航區(qū)環(huán)境的風險因素

目前世界上主流的冰區(qū)加強型油輪一般選用芬蘭-瑞典冰級 FSICR 1A（相當于IACS PC7）或FSICR 1A Super（相當于IACS PC6）[1,2]，航區(qū)主要集中在波羅的海、北方航道（主要有巴倫支海、喀拉海、拉普捷夫海、東西伯利亞海和楚科奇海等海域），再經(jīng)由白令海峽到達鄂霍次克海（見圖1中實線），航行時段僅限夏秋兩季，黃金通航期在8～9月，約60d左右?；谏鲜銮闆r，電氣配置方面需考慮以下幾點風險因素：低溫環(huán)境；船上結(jié)冰；海冰；高緯度；極晝極夜。

圖1 北方航道（實線）和傳統(tǒng)航道（虛線）

2 環(huán)境風險的影響、分析及應(yīng)對措施

2.1 低溫環(huán)境下的設(shè)備

波羅的海北部是波的尼亞灣，地處芬蘭和瑞典之間，1月份平均氣溫約-5 ～ -10℃，7月份平均氣溫約15 ～ 17℃。北方航道，冬季海面的平均氣溫在-20 ～ -40℃之間，夏季海面的平均氣溫在2℃左右，最高氣溫能達到19℃，最低氣溫約-3℃左右，其中東西伯利亞海相對最冷，平均氣溫在-1℃左右。通過上述資料可以看出，這段航區(qū)一般都處在低溫環(huán)境下，船上的電氣設(shè)備，特別是安裝在室外（比如露天甲板）的電氣設(shè)備，需要能夠適應(yīng)這種低溫環(huán)境，比如設(shè)備材料應(yīng)耐低溫、設(shè)備在低溫環(huán)境下應(yīng)能正常運作以及便于人員操作等，否則需配有相應(yīng)的保溫措施。目前，油輪上安裝在室外的電氣設(shè)備通常有通信導航用的天線、航行信號燈、投光燈、氣笛等，這些設(shè)備在-25 ～ 45℃的環(huán)境溫度下一般都可以正常工作，不僅如此，一些設(shè)備廠家還能夠提供在-40 ～ -50℃環(huán)境溫度下使用的航行信號燈、投光燈以及通信導航用的天線以滿足極地航行的需要。

2.2 結(jié)冰的影響和防凍處理

對電氣設(shè)備而言，船上結(jié)冰才是最大的考驗（見圖2）。雖然空氣溫度低對電氣設(shè)備的影響不是很大，但它卻是導致結(jié)冰的重要因素。為什么會結(jié)冰？空氣中存在水分，特別是遇到雨、雪、霧天氣時水分更多，而且船舶在航行過程中會不可避免地接觸大量的海水水霧，再加上長年低溫的氣候，船上露天的設(shè)備會很容易結(jié)冰。結(jié)冰會導致設(shè)備性能下降、運轉(zhuǎn)故障或操作困難，甚至無法運轉(zhuǎn)和操作。比如，航行信號燈燈罩結(jié)冰會影響其透光性，能見距離減??；雷達天線（掃描單元）結(jié)冰會影響其旋轉(zhuǎn)，從而無法探測船舶周圍 360°的物體情況；氣笛結(jié)冰，如果堵住其出氣口會發(fā)不出聲音，導致一些重要的聲音報警或信號無法傳遞。由于這些設(shè)備的失效會嚴重影響船舶航行的安全，所以一些船級社推出了相應(yīng)的船級符號，提出了防冰除冰的要求或措施，如挪威船級社（DNV）的WINTERIZED BASIC、WINTERIZED COLD（t1，t2）、WINTERIZED ARCTIC（t1，t2）和DEICE[3]，美國船級社（ABS）的CCO（TDST，TMAT）、CCO（TDST，TMAT）+、CCO-POLAR（TDST，TMAT）、CCO-POLAR（TDST，TMAT）+和DE-ICE[4]，船東可以根據(jù)船舶實際的運營情況來選取合適的符號。

圖2 船上結(jié)冰

現(xiàn)依據(jù)挪威船級社（DNV）的防凍處理（WINTERIZATION）要求，從船級社的角度去了解所關(guān)注的船舶極地航行安全問題，著重介紹在嚴寒氣候環(huán)境下船舶設(shè)備及系統(tǒng)的防護要求和措施。

DNV WINTERIZED系列的符號分為BASIC、COLD、ARCTIC三級，級別由低到高，防冰除冰措施分為兩大類：Ⅰ類和Ⅱ類。

2.2.1 Ⅰ類措施

通常采用加熱或加護罩的方式防止結(jié)冰，使設(shè)備或區(qū)域一直處于無冰狀態(tài)， 適用范圍主要有：通信導航、操舵、船舶推進、錨系、救生等相關(guān)設(shè)備，以及逃生通道。

通信導航設(shè)備主要是針對安裝在室外的部件，以天線居多，一般都安裝在羅徑甲板上，這類處所很容易結(jié)冰，所以雷達掃描單元、DGPS以及衛(wèi)星通信的天線需配備電加熱裝置，保持無冰狀態(tài)，從而保證系統(tǒng)的正常運行。值得一提的是，大部分天線均為鞭狀天線，這類天線可以不用配備加熱裝置。

對于航行信號燈，如果采用的是白熾燈，通常認為其自身發(fā)出的熱量可以防止結(jié)冰，但在舷邊以及艏部較低位置的航行信號燈仍會結(jié)冰，故需配備電加熱裝置；如果采用的是LED（發(fā)光二極管）燈，其為冷光源，發(fā)熱量很少，不足以對抗結(jié)冰，故內(nèi)置電加熱器也是必要的。

此外，還有一些具體的設(shè)備或區(qū)域需要防止結(jié)冰，比如氣笛、駕駛室窗戶、駕駛室至兩翼通道、冷卻海水箱（與主推進有關(guān)）、消防管路、壓載艙和淡水艙的透氣管頭、貨油艙減壓閥、機艙通風進口、應(yīng)急發(fā)電機室通風進出口、救生救助艇及艇架、救生筏、逃生出口及門、裝有救生設(shè)備和除冰設(shè)備的存儲柜、加熱甲板或區(qū)域的排水孔等。

2.2.2 Ⅱ類措施

設(shè)備或區(qū)域已經(jīng)結(jié)冰，但能夠在一定時間內(nèi)（通常 4～6h）除冰，可以采用手動或加熱方式，適用范圍主要有：露天甲板、走道梯道、直升機甲板、上建、扶手、室外管路、絞盤、甲板照明燈具。

加熱在防冰除冰措施中是一種比較有效的手段，通常可以分為電加熱和蒸汽/熱水加熱兩類。電加熱以敷設(shè)電伴熱電纜的形式為主（圖3～6），均勻布置在需加熱的設(shè)備或區(qū)域附近，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，故需設(shè)立一個專門的分電箱用作電加熱裝置的饋電，并配備一個功率表或電流表顯示實際總負荷，同時標注每一分路的負荷。分電箱內(nèi)每一分路均有接地故障監(jiān)測，一旦發(fā)生問題，能自動斷開并報警，另外還配有通電指示、短路保護和過載保護。蒸汽/熱水加熱需要安裝盤管或其他形式的管路，通過蒸汽/熱水等介質(zhì)的熱傳遞達到加熱的效果，管路上的閥應(yīng)有開關(guān)指示并標明用途，比如用于哪些設(shè)備、哪些區(qū)域的加熱。需要注意的是，當蒸汽/熱水加熱作為 I類措施時，輸送熱介質(zhì)的泵應(yīng)至少配兩套。關(guān)于加熱量，挪威船級社（DNV）的最低要求見表1，由于這些加熱引起的額外電能消耗和蒸汽消耗，DNV也給出了計算原則：作為Ⅰ類措施時以100%計算，作為Ⅱ類措施時以50%計算。

圖3 內(nèi)置電伴熱電纜的聚酯墊（用于室外甲板走道）

圖4 電伴熱電纜（用于室外梯道）

圖5 電伴熱電纜（用于欄桿扶手）

圖6 電伴熱電纜（用于船體結(jié)構(gòu)）

表1 不同區(qū)域的加熱量要求[3]

上述主要是DNV WINTERIZED BASIC符號的要求，適用于在嚴寒氣候環(huán)境下短期運營的船舶。而WINTERIZED COLD（t1，t2）和WINTERIZED ARCTIC（t1，t2）符號則適用于在嚴寒氣候環(huán)境下長期運營的船舶，這里的t1代表材料設(shè)計溫度，t2代表極端設(shè)計溫度，單位都以℃計。與船級社簽訂入級合同時，這兩個設(shè)計溫度需要由用戶（船東）確定。材料設(shè)計溫度應(yīng)反映船舶航區(qū)的最低日平均氣溫，而極端設(shè)計溫度，如果沒有相關(guān)運營區(qū)域的氣候信息，可以設(shè)定為比最低日平均氣溫（或材料設(shè)計溫度）低20℃。

若要獲取WINTERIZED COLD（t1，t2）符號，還需要考慮水管、壓載艙、淡水艙、液壓油系統(tǒng)、燃油儲存艙以及燃油輸送管路的防凍措施；重要的場所需要作封閉或半封閉處理，如駕駛室兩翼需全封閉（見圖7），救生艇區(qū)域、錨鉸機區(qū)域、應(yīng)急拖帶區(qū)域、集管區(qū)需半封閉，到艏部需有遮蔽通道等；機械處所內(nèi)重要設(shè)備應(yīng)能在最低室內(nèi)溫度下正常運作，并且當全船失電30min后能順利啟動，應(yīng)急發(fā)電機應(yīng)能在極端設(shè)計溫度（t2）下正常運轉(zhuǎn)，否則均需配備加熱裝置；駕駛室頂部需配海冰探照燈，并在駕駛室內(nèi)配該燈的遙控裝置；考慮船上結(jié)冰增加的重量對船舶穩(wěn)性和水密完整性的影響；暴露在低溫環(huán)境下的設(shè)備材料應(yīng)能適應(yīng)材料設(shè)計溫度（t1），電纜應(yīng)滿足最新版本的加拿大CSA標準C22.2 No. 0.3章節(jié)中-35℃下沖擊試驗要求和-40℃下彎曲試驗要求；救生艇、救生筏、室外的通導設(shè)備需要在極端設(shè)計溫度（t2）下做操作試驗。

圖7 全封閉式駕駛室橋翼

WINTERIZED ARCTIC（t1，t2）符號級別最高，除需滿足BASIC和COLD要求外，還要求推進器采用柴油機驅(qū)動可調(diào)螺距槳的形式，或電力驅(qū)動（定距槳或可調(diào)螺距槳）的形式；主發(fā)電機及其輔助設(shè)備需布置在分開的兩個機械處所內(nèi)，其中一處失火或進水不會影響另一處，且任一處的主發(fā)電機容量都能夠滿足船舶的正常操作以及船員的生存需求，即主發(fā)電機容量的冗余，相當于兩個獨立的主電站，而對于主推進器容量，并未要求冗余；重要處所及上層建筑區(qū)域的加熱設(shè)施（包括加熱源和加熱器）要求冗余，相互獨立，用于同一處所加熱的兩個熱介質(zhì)傳輸回路盡量分開敷設(shè)，當一路加熱源喪失或加熱器故障，應(yīng)有備用加熱源和加熱器保證該區(qū)域的加熱；另外，還要考慮北極圈內(nèi)不利的環(huán)境因素：海冰、高緯度和極晝極夜。

2.3 極地周邊環(huán)境的不利因素及應(yīng)對方案

航行船舶在服務(wù)航區(qū)內(nèi)會遇到不同程度的海冰，故需配備能接收和顯示冰況圖像的設(shè)備，比如具備增強型冰況探測能力的雷達，該雷達可以是SOLAS要求中之一，也可以是一臺獨立的雷達。另外，如果計程儀和測深儀的換能器凸出船體下部，則應(yīng)裝有防冰保護裝置。

整段航程主要分布在高緯度海域，其中北波羅的海在 60°N～66°N之間，北方航道和白令海峽在66°N～80°N之間（已處于北極圈內(nèi)），而鄂霍次克海緯度相對較低，但也在45°N～60°N之間，高緯度地區(qū)由于衛(wèi)星覆蓋率低，常規(guī)的海事衛(wèi)星收發(fā)設(shè)備通信不暢甚至無法使用，大大影響了通信效率，不利于航海信息的及時獲取。所以，需配備一些特殊的通信設(shè)備，如銥星電話、121.5～123.1MHz對空通信設(shè)備以及滿足A4海區(qū)的無線電設(shè)備。另外，高緯度地區(qū)距離極地較近，地球磁場強度會大幅變化，導致磁羅徑誤差太大不能使用，即使是電羅徑也存在一定誤差，需要校正后才能獲得比較準確的艏向信號。

進入北極圈也就是66°34'N以北的區(qū)域，會出現(xiàn)極晝極夜現(xiàn)象，其中70°N的區(qū)域在一年內(nèi)的極晝時間有72d，極夜時間有53d；而75°N的區(qū)域在一年內(nèi)的極晝時間達到108d，極夜時間達到93d。這與該型船的航行時段有一定的重合，所以不得不考慮該現(xiàn)象對船舶航行安全的影響。極晝時會遇到長時間斜陽的情況，這會造成直射或反射的眩光，影響駕駛員的視線；極夜時，航行中的船舶一直處于黑暗中，故需安裝必要的探照燈，同時還要考慮搜救直升機的夜降問題，比如安裝直升機降落平臺信號燈。

3 結(jié) 語

從冰區(qū)加強型油輪的航區(qū)環(huán)境分析入手，圍繞船舶航行安全這個宗旨，針對其環(huán)境特性導致的風險因素，提出應(yīng)對方案或措施，從而說明冰區(qū)加強型油輪上電氣配置特殊性之所在，為該型船的電氣開發(fā)設(shè)計提供指導。

[1] Finnish-Swedish Ice Class Rules 2010 [S]. Finnish Transport Safety Agency, 2010.

[2] IACS UR I Requirements Concerning Polar Class[S]. IACS, 2006.

[3] Rules for Classification of Ships, Part 5 Chaper 1 - Ships for Navigation in Ice [S]. Det Norske Veritas AS (DNV), 2012.

[4] ABS Notations and Symbols [S]. American Bureau of Shipping, 2013.