極地甲板運(yùn)輸船輪機(jī)設(shè)計(jì)

謝智康李輝

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

極地甲板運(yùn)輸船輪機(jī)設(shè)計(jì)

謝智康李輝

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

隨著北冰洋水域通航安全性的提高，極地航線的商機(jī)日益顯露。該船具備破冰能力，滿足極地環(huán)境冬季作業(yè)，是運(yùn)輸建設(shè)亞馬爾半島天然氣工廠所需模塊的關(guān)鍵船型。根據(jù)極地氣候及水域環(huán)境對(duì)船舶航行的影響，分別對(duì)船舶推進(jìn)、防凍系統(tǒng)和壓載水系統(tǒng)進(jìn)行介紹，提出了極地航行船的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可供日后類似的船型輪機(jī)設(shè)計(jì)參考。

極地甲板運(yùn)輸船；極地航行；推進(jìn)系統(tǒng)；防凍系統(tǒng)；壓載水系統(tǒng)

0 前言

隨著全球變暖，北冰洋海冰區(qū)域變小，使得船舶航行于極地水域的安全系數(shù)大幅增加。據(jù)英國(guó)勞氏船級(jí)社統(tǒng)計(jì)：2010年僅4艘破冰型/冰區(qū)加強(qiáng)型運(yùn)輸船經(jīng)由北冰洋東北航道運(yùn)輸貨物；2011年和2012年，分別增至34艘和43艘，運(yùn)送貨物分別達(dá)82萬t和126萬t，東北航道對(duì)航運(yùn)的商機(jī)日益突顯。相比傳統(tǒng)航道，北冰洋航道的優(yōu)勢(shì)在于航程縮短，節(jié)約了運(yùn)輸時(shí)間和成本，降低了經(jīng)由高敏感地區(qū)帶來的風(fēng)險(xiǎn)。例如：一艘散貨船運(yùn)送41 000 t鐵礦石從挪威北部港口希爾克內(nèi)斯經(jīng)由東北航道送至我國(guó)，相比經(jīng)由蘇伊士運(yùn)河及印度洋的傳統(tǒng)航線節(jié)約了15天。雖然低等級(jí)冰區(qū)加強(qiáng)型船（IACS B類船）在俄羅斯破冰船護(hù)航下可在夏季實(shí)現(xiàn)季節(jié)性通航，但是通航周期、額外的破冰船護(hù)航費(fèi)及延誤率等問題也使得全天候極地破冰運(yùn)輸船成為順應(yīng)市場(chǎng)需求的船型。

極地甲板運(yùn)輸船的使命是在北冰洋水域進(jìn)行模塊運(yùn)輸。位于北極圈的亞馬爾半島地區(qū)，已探明有大量的天然氣儲(chǔ)備。目前開采權(quán)限可至2045年底，預(yù)計(jì)年產(chǎn)量1 650萬t。由此誕生了“亞馬爾項(xiàng)目”，將建設(shè)液化天然氣工廠和其他設(shè)施，需要建造許多大型模塊。這些模塊由普通半潛船運(yùn)送到比利時(shí)的模塊堆場(chǎng)，然后必須依靠適航于極地條件的模塊運(yùn)輸船將模塊運(yùn)送到亞馬爾半島的薩貝塔港進(jìn)行組裝。該船正是因此誕生，成為了世界首創(chuàng)的具有破冰能力的極地甲板運(yùn)輸船。

1 主要參數(shù)

根據(jù)船東需要，該船運(yùn)輸?shù)淖畲竽K尺寸為：長(zhǎng)40 m、寬39 m、高40 m，重量可達(dá)10 000 t/個(gè)，最多裝運(yùn)2個(gè)。由此確定了船舶的主尺度如下：

總長(zhǎng)～206.3 m

垂線間長(zhǎng)193.8 m

船寬43.0 m

型深13.5 m

設(shè)計(jì)吃水7.5 m

夏季載重線吃水8.0 m

最大壓載吃水（港內(nèi)）12.0 m

服務(wù)航速（設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)）13 kn

破冰航速（1.5 m冰厚，設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)）2 kn

該船入挪威船級(jí)社（DNV），滿足亞馬爾半島水域全年氣候作業(yè)。該水域的冰定義為全年在第二年冰齡狀態(tài)下，可包括多年夾冰。船級(jí)符號(hào)如下：

+1A1，General Cargo Carrier，DK（+），PC-3，E0，NAUT-AW，CLEAN，BWM-T，BIS，TMON

由于該船主要航行于俄羅斯內(nèi)部水域，除了滿足以上的船級(jí)符號(hào)，需額外滿足俄羅斯船級(jí)社（RMRS）的Arc-7附加標(biāo)志設(shè)計(jì)。Arc-7的要求與PC-3比較見表1。

表1Arc-7與PC-3對(duì)比表

針對(duì)極地冰級(jí)開展設(shè)計(jì)是船舶輪機(jī)專業(yè)的一個(gè)重點(diǎn)。結(jié)合該船的作業(yè)及船型特點(diǎn)，下文分3大方面介紹輪機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

2 船舶推進(jìn)

2.1 推進(jìn)型式

該船采用柴油-電力推進(jìn)方式。由2臺(tái)推進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)2套軸系及定距螺旋槳。軸系布置圖見圖1。

圖1 軸系布置圖

采用常規(guī)軸槳的電力推進(jìn)船舶的主推進(jìn)軸系一般可分為兩種：低速電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)軸系及螺旋槳、中速電動(dòng)機(jī)通過減速齒輪箱驅(qū)動(dòng)軸系及螺旋槳。在極地甲板運(yùn)輸船上采用的是低速電動(dòng)機(jī)配置。2種型式的主推進(jìn)系統(tǒng)配置對(duì)比見表2。

需要注意的是，由于主推進(jìn)系統(tǒng)與船舶安全密切相關(guān)，所以規(guī)范對(duì)于螺旋槳在水中可能受到的冰塊撞擊進(jìn)行了充分考慮,主要包括以下方面：

1）浸沒在海水的部件材料（包括槳葉、槳轂）滿足特殊強(qiáng)度要求；

2）冰載荷對(duì)于螺旋槳產(chǎn)生額外的阻力和扭矩，同時(shí)也作用于整個(gè)軸系部件；

表2 推進(jìn)型式對(duì)比表

3）槳葉失效載荷；

4）疲勞分析。

從安全設(shè)計(jì)的角度而言，越是簡(jiǎn)單的系統(tǒng)可靠性越高。齒輪箱內(nèi)部的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)也會(huì)與中間軸一樣受冰載荷影響，另外還需要對(duì)每對(duì)齒之間的嚙合工作情況進(jìn)行校核，故在動(dòng)力裝置配置時(shí)傾向于減少傳動(dòng)設(shè)備數(shù)量而采用低速電機(jī)與獨(dú)立推力軸承的組合，提高整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)可靠性。

2.2 推進(jìn)功率

按照俄羅斯船級(jí)社規(guī)范要求，對(duì)于破冰船，傳遞至主推進(jìn)螺旋槳軸的最小功率Pmin按式（1）計(jì)算。

式中：f1——定距螺旋槳時(shí)，取1.0；用于調(diào)距螺旋槳或電力推進(jìn)時(shí)，取0.9；

f2——球狀首柱時(shí)，取1.1；用于帶斜度首柱時(shí)，按式（2）計(jì)算；

f3按式（3）計(jì)算，但不小于1.0；

Δ——夏季載重水線時(shí)船舶的排水量，t；

f1f2的乘積任何情況下都不應(yīng)小于0.85；

f4和P0按表3選取。

式中：φ——首柱的斜度

式中：B——船寬，m

表3 冰區(qū)加強(qiáng)系數(shù)選取表

f1、f2、f3、f4、Δ、P0分別取值1.0、0.77、1.36、0.24、54 400、9 400代入式（1）計(jì)算。其中，因f1f2乘積為0.77小于0.85，取0.85計(jì)算。得出主推進(jìn)功率Pmin為25.99 MW。此公式適用于初期估算，最終的推進(jìn)功率需要根據(jù)設(shè)計(jì)的水域冰塊情況，進(jìn)行冰池模擬試驗(yàn)確定。該船在冰池模擬試驗(yàn)中，確定了主推進(jìn)功率2×12 MW可滿足1.5 m冰厚時(shí)以2 kn的航速破冰前進(jìn)的需求。

2.3 軸系設(shè)計(jì)

DNV的極地冰級(jí)規(guī)范對(duì)于推進(jìn)軸系需要計(jì)算的內(nèi)容有明確要求，與常規(guī)船的主要區(qū)別在于：

1）冰載荷：冰塊在水下直接與螺旋槳碰撞，產(chǎn)生額外的附加載荷作用于整個(gè)軸系，軸系上各個(gè)部件在冰載荷作用下都不應(yīng)產(chǎn)生屈服或其他形式的失效。目前被廣泛采用的是基于時(shí)域的冰載荷激勵(lì)響應(yīng)分析，計(jì)算所得的最大響應(yīng)扭矩Tpeak將作為后續(xù)軸系設(shè)計(jì)的重要外界輸入條件。

2）疲勞分析：通過建立軸系材料的疲勞極限對(duì)軸系部件的工作情況進(jìn)行校核，在冰載荷的作用下不應(yīng)產(chǎn)生疲勞失效。相應(yīng)軸系部件材料的低周期疲勞和高周期疲勞應(yīng)力上限與材料的表面粗糙度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、軸徑等因素相關(guān)。

3）合金鋼的使用：在對(duì)軸系部件進(jìn)行強(qiáng)度和振動(dòng)分析時(shí)均加入了冰載荷。如采用普通碳鋼，會(huì)造成軸徑偏大的結(jié)果。如增大軸徑受到限制，可考慮在應(yīng)力較大的軸段采用高強(qiáng)度合金鋼材料。

DNV的極地冰級(jí)規(guī)范主要是建立在IACS PC規(guī)范的基礎(chǔ)上，RMRS的規(guī)范是采用其自有的條款要求，許多計(jì)算公式和方法都與DNV不同，需要在設(shè)計(jì)時(shí)加以關(guān)注，本文不贅述。特別指出，RMRS明確規(guī)定螺旋槳軸不應(yīng)直接暴露于海水。由于該船的螺旋槳是法蘭連接形式，所以螺旋槳軸上與之配對(duì)的法蘭外需要做一個(gè)保護(hù)罩來隔離海水。

3 防凍系統(tǒng)

北極圈冬季氣溫相當(dāng)?shù)?，最低可達(dá)-50℃。為了使船上的人員適應(yīng)極端氣溫，使設(shè)備和系統(tǒng)能正常地投入工作，極地航行船舶上必須有1套完整的防凍措施。

3.1 加熱系統(tǒng)

部分或全部位于水線之上的壓載水艙需要提供加熱系統(tǒng)。常規(guī)冰級(jí)船上可以采用壓縮空氣對(duì)艙內(nèi)的水吹氣擾動(dòng)，阻止冰層形成。但對(duì)于完全位于水線上方，直接暴露于極地氣溫下的壓載水艙則必須采用蒸汽或熱油艙內(nèi)盤管進(jìn)行加熱。如果淡水艙的布置位置與外界空氣有直接接觸面，也需要滿足上述要求。不過加熱盤管可能帶來水質(zhì)隱憂，該船將淡水艙布置于無低溫接觸面的處所且與機(jī)器處所相鄰，避免了設(shè)置加熱系統(tǒng)。

對(duì)于機(jī)艙及其他重要處所，如舵機(jī)艙、推進(jìn)器艙、應(yīng)急發(fā)電機(jī)室等，要通過加熱措施使其環(huán)境溫度保持在適當(dāng)?shù)臏囟?。加熱設(shè)施可以分為兩部分：通風(fēng)預(yù)加熱器和艙室散熱器。通風(fēng)預(yù)加熱的換熱量要滿足將冬季通風(fēng)量從室外設(shè)計(jì)溫度加熱到滿足室內(nèi)通風(fēng)的溫度。通常機(jī)械處所為5℃，居住艙室或空調(diào)系統(tǒng)可按設(shè)計(jì)要求而定。艙室散熱器主要用于補(bǔ)償因熱傳遞而損失的熱量，來維持室內(nèi)溫度。

布置于露天或與環(huán)境低溫有直接接觸的管路系統(tǒng)應(yīng)保證在此溫度環(huán)境下能保持其應(yīng)有的正常功能，如：消防水管應(yīng)設(shè)置放泄措施或進(jìn)行絕熱包扎及伴熱，空氣管頭帶加熱裝置，壓縮空氣應(yīng)進(jìn)行干燥，露點(diǎn)溫度控制在環(huán)境溫度之下等。

3.2 冰水箱及海水系統(tǒng)

服務(wù)于推進(jìn)與安全系統(tǒng)的海水系統(tǒng)，包括其吸入口、冰水箱格柵等均應(yīng)能在設(shè)計(jì)環(huán)境條件下正常運(yùn)行。對(duì)于PC-3級(jí)，這樣的冰水箱至少需要設(shè)置2個(gè)，每個(gè)冰水箱的容積應(yīng)不小于每750 kW總裝機(jī)功率對(duì)應(yīng)1 m3。通常極地水域的海水以冰水混合物為主，溫度范圍2～-2℃。為了確保船上系統(tǒng)正常運(yùn)行，要注意以下幾點(diǎn)：

1）冰水箱應(yīng)能有效地隔離海面冰塊，防止其進(jìn)入船內(nèi)部管系中。該船采用的冰水箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 冰水箱示意圖

2）經(jīng)過換熱器后的高溫海水要有回冰水箱的支管，管徑不小于排舷外管的管徑。

3）冰水箱頂需高于最大載重水線，并在上方設(shè)人孔及進(jìn)入檢視通道。

3.3 除冰措施

按船上不同區(qū)域及不同設(shè)備的要求，除冰等級(jí)可以分為：無冰（ice free）、加熱融冰和人工除冰三類。通常與船舶正常運(yùn)營(yíng)及人命安全相關(guān)的設(shè)備及區(qū)域均應(yīng)為無冰型，如應(yīng)急逃生通道、救生艇登乘站、駕駛室窗、壓載水艙等。電伴熱和蒸汽盤管是實(shí)現(xiàn)無冰的主要方法。這類區(qū)域或設(shè)備應(yīng)在船舶航行時(shí)保持全天候無冰，以應(yīng)對(duì)各種可能發(fā)生的突發(fā)情況。加熱融冰的區(qū)域主要在主甲板中后部的載貨區(qū)域，這些區(qū)域甲板下面都設(shè)有蒸汽加熱盤管。根據(jù)運(yùn)營(yíng)需要，在裝卸貨前開啟融冰程序。經(jīng)過約24 h的甲板加熱以及輔助機(jī)械除冰后，裝卸貨區(qū)域達(dá)到無冰狀態(tài)，適合于進(jìn)行裝卸貨和固定等操作。同時(shí)全船各處均設(shè)有雜用蒸汽及壓縮空氣接頭，為人工除冰提供高溫蒸汽，服務(wù)于室外甲板、扶梯欄桿、錨系泊設(shè)備、通風(fēng)進(jìn)出口等區(qū)域。必要時(shí)可以采用木棒、刮刀、碎冰機(jī)等輔助工具進(jìn)行局部除冰。

針對(duì)極地冰區(qū)航行船舶的防凍系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如果船東沒有明確要求的，可以參照DNV Winterized附加標(biāo)志進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 壓載水系統(tǒng)

4.1 壓載水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

極地甲板運(yùn)輸船的作業(yè)特點(diǎn)及壓載水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與半潛船極為類似，都是通過船上大量的壓載水調(diào)駁來控制整船的吃水狀態(tài)，以達(dá)到裝卸貨的目的。不同的是，該船的裝卸貨均在港口碼頭操作，且貨物與陸地對(duì)接，并不需要將船體潛入水面以下。對(duì)于壓載水系統(tǒng)就與常規(guī)的泵壓排載半潛船系統(tǒng)無異。

全船共設(shè)有41個(gè)壓載水艙，沿船長(zhǎng)均勻分布，總裝載量約為67 000 m3。前后各設(shè)置1個(gè)壓載泵艙，每個(gè)壓載泵艙內(nèi)布置3臺(tái)排量為2 500 m3/h的變頻控制壓載水泵。壓載水總管為環(huán)形，總管上設(shè)置若干分區(qū)隔離閥，每個(gè)壓載水艙設(shè)一路吸入/注入管，達(dá)到注水、排水及調(diào)駁的目的。

4.2 壓載水處理流程

在前、后壓載泵艙各布置了1臺(tái)壓載水處理裝置，額定處理量為2 500 m3/h，采用過濾加紫外線處理形式，處理后的水質(zhì)達(dá)到IMO D-2排放標(biāo)準(zhǔn)。常規(guī)處理流程是：將海水從舷外注入船艙時(shí)進(jìn)行一次完整的處理，海水排出時(shí)再次通過紫外線處理裝置，將航行期間復(fù)活和滋生的微生物再次殺滅。對(duì)于具有半潛船特點(diǎn)的壓載水系統(tǒng)，其處理需求與其他類型的運(yùn)輸船及工程船都有較大的區(qū)別。主要有以下幾類：

1）碼頭裝載：碼頭裝載之前，船艙內(nèi)的壓載水經(jīng)過初次處理。裝載之后，這部分水被運(yùn)送到其他港口或水域，排出時(shí)需要進(jìn)行再次處理。在裝載期間于當(dāng)?shù)刈⑷氩⑴懦龅膲狠d水旁通不必經(jīng)過處理裝置，因?yàn)檫@并沒有改變當(dāng)?shù)厮虻纳鷳B(tài)環(huán)境，所以這部分水不需要處理。

2）航行運(yùn)輸：用于航行途中為滿足船舶浮態(tài)要求而注入的壓載水，這部分水被運(yùn)送到其他港口或水域，注入和排出時(shí)均要處理。

3）碼頭卸貨：碼頭卸貨之前，船艙內(nèi)所裝載的壓載水已經(jīng)過初次處理，這部分水排出時(shí)需要進(jìn)行再次處理。對(duì)于卸貨期間注入并排出的水過程與第一點(diǎn)類似。

從3種典型的工況中可以看出，大量的壓載水在裝卸貨時(shí)進(jìn)入船內(nèi)又在原地被排出，只有少量被留在艙內(nèi)的水需要處理。如果嚴(yán)格按照壓載水公約，在前、后壓載泵艙各布置滿足3臺(tái)壓載泵排量的壓載水處理裝置，既占用大量空間，又會(huì)增加建造成本。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)通過與船東及船級(jí)社的反復(fù)溝通，確定了在每個(gè)泵艙配置1臺(tái)壓載水處理裝置的方案，其能力滿足1臺(tái)壓載水泵的排量。

在裝卸貨期間，船艙內(nèi)注入了大量未經(jīng)處理的壓載水。如果船舶在離港時(shí)仍攜帶有未處理的壓載水，那這部分水將在航行過程中采用倒艙式循環(huán)進(jìn)行初次處理［1］，即通過壓載泵將1個(gè)艙內(nèi)的水泵至壓載水處理裝置，經(jīng)過處理的水注入另一個(gè)干凈的空艙，如此視為完成初次處理。如果原本空置的壓載艙在裝卸貨期間注入未經(jīng)處理的壓載水，并于當(dāng)?shù)嘏懦?，此艙?nèi)剩下少許殘余水，那在船舶航行過程中也需要采取處理措施，以防止海洋生物的生成。處理方式是：通過海水箱取水，經(jīng)過處理裝置后注入該艙，再將艙內(nèi)的混合水經(jīng)過處理后排出。

5 結(jié)語(yǔ)

北極水域航行因其航程短、經(jīng)濟(jì)性好，日益成為業(yè)界的熱點(diǎn)。低冰級(jí)船舶只能在夏季依靠俄羅斯破冰船的護(hù)航才能安全通過，限制條件較多。極地甲板運(yùn)輸船具有破冰能力，可全年航行于特定極地水域。建造適航于極地環(huán)境的高冰級(jí)破冰運(yùn)輸船，減少不可控因素，縮短運(yùn)輸時(shí)間，打破了原有局面，提供了一種全新的解決方案。以亞馬爾項(xiàng)目為例，極地航行運(yùn)輸船的應(yīng)用是項(xiàng)目配套建設(shè)的關(guān)鍵解決方案。

長(zhǎng)期以來，極地船舶的研發(fā)設(shè)計(jì)及規(guī)范制定主要由俄羅斯及北歐各國(guó)主導(dǎo)，我國(guó)船舶行業(yè)內(nèi)極少接觸到其中的核心技術(shù)。通過該船的設(shè)計(jì)，初步掌握了船舶推進(jìn)、防凍系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)，應(yīng)用了PC、Arc冰級(jí)規(guī)范。對(duì)該類船型的技術(shù)難點(diǎn)有待進(jìn)一步學(xué)習(xí)提高。對(duì)于亟需提升產(chǎn)品附加值、進(jìn)軍高端海上裝備的中國(guó)船舶行業(yè)而言，極地技術(shù)是個(gè)較有力的轉(zhuǎn)型支點(diǎn)，值得深入研究。

［1］盛衛(wèi)明，黃吉，仲偉東，等.5萬t半潛船壓載水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.船舶與海洋工程，2015，31（2）：45-46.

Machinery Design of a Polar Class Deck Carrier

XIE Zhi-kangLI Hui
（Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China）

With increased navigation safety in the Arctic Ocean，it becomes more and more economical to sail through the arctic water.Polar class deck carrier，with ice breaking capability，exactly satisfied the requirements of operation in the winter arctic environment，making the most crucial ship type of transporting modules to Yamal peninsula for LNG factory construction.Propulsion system，winterization and ballast water system were introduced in the article on the basis of the impact of arctic weather and sea environment on the navigation.The key points that were different between a polar class ship and a normal ship were listed，serving as reference for further machinery design of the similar ship type.

polar class deck carrier；navigation in arctic area；propulsion system；winterization；ballast system

U674.81

A

1001－4624（2016）02－0063－05

2016-03-01；

2016-09-01

謝智康（1985—），男，工程師，從事船舶輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。

李輝（1983—），男，工程師，從事市場(chǎng)營(yíng)銷工作。