船級(jí)社對(duì)寒冷地區(qū)航行船舶的輪機(jī)設(shè)計(jì)要求

李晚俠，陶盛山，許小紅

(中外運(yùn)長(zhǎng)航集團(tuán)金陵船廠，江蘇 南京 210015)

船級(jí)社對(duì)寒冷地區(qū)航行船舶的輪機(jī)設(shè)計(jì)要求

李晚俠，陶盛山，許小紅

(中外運(yùn)長(zhǎng)航集團(tuán)金陵船廠，江蘇 南京 210015)

摘要：考慮到寒冷地區(qū)航行的船舶越來(lái)越多，各船級(jí)社針對(duì)不同的環(huán)境條件，編制了各自的設(shè)計(jì)要求。以挪威(DNV)和勞氏(LR)船級(jí)社為例，分析船級(jí)社對(duì)寒冷地區(qū)航行要求等級(jí)的劃分方法，理清船級(jí)社對(duì)寒冷地區(qū)航行船舶輪機(jī)設(shè)計(jì)要求的思路，以期對(duì)航行于寒冷地區(qū)船舶的設(shè)計(jì)有所幫助。

關(guān)鍵詞：冰區(qū)航行;船級(jí)社;設(shè)計(jì)規(guī)范；輪機(jī)設(shè)計(jì)

0引言

隨著極地航線的開(kāi)辟，越來(lái)越多的船開(kāi)始考慮航行于寒冷地帶。船舶在寒冷地帶航行時(shí)既要考慮海水低溫甚至海水結(jié)冰的影響，又要考慮大氣低溫造成設(shè)施凍裂的影響，因而設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從各個(gè)方面全方位考慮才能保證船舶順利航行于寒冷地帶[1]。

各船級(jí)社針對(duì)船舶航行于寒冷地帶的情況，制定了各自的入級(jí)符號(hào)，從安全航行角度給出了具體要求。通過(guò)對(duì)多個(gè)船級(jí)社規(guī)范的研究，發(fā)現(xiàn)船級(jí)社對(duì)相關(guān)寒冷地帶航行的規(guī)定涉及設(shè)計(jì)方面內(nèi)容一般分為3類：與芬蘭-瑞典等同的冰區(qū)加強(qiáng)符號(hào)要求、極地航行要求和防凍(winterization)要求，至于更多考慮冰載荷撞擊的破冰船著重要求的船體強(qiáng)度設(shè)計(jì)，本文不涉及該內(nèi)容。各船級(jí)社對(duì)輪機(jī)設(shè)計(jì)的該類要求大抵相同。本文主要以常用的挪威(DNV)和勞氏(LR)船級(jí)社為例，分別從這3個(gè)方面具體分析船級(jí)社的要求。

1冰區(qū)加強(qiáng)要求

冰區(qū)加強(qiáng)等級(jí)通常依據(jù)冰層厚度劃分。因地理位置關(guān)系，芬蘭和瑞典較早制定出了冰級(jí)規(guī)則，對(duì)不同冰級(jí)提出了不同的技術(shù)要求[2]，成為了冰區(qū)航行的標(biāo)準(zhǔn)，得以被各大船級(jí)社借鑒。勞氏及挪威船級(jí)社與芬蘭-瑞典冰級(jí)規(guī)則冰區(qū)加強(qiáng)符號(hào)[3]對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

1.1芬蘭-瑞典冰級(jí)規(guī)則對(duì)輪機(jī)設(shè)計(jì)的要求

在輪機(jī)設(shè)計(jì)方面，冰級(jí)規(guī)則分別從主機(jī)、推進(jìn)軸系、起動(dòng)系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)等方面提出了要求，簡(jiǎn)單概括如下。

表1　勞氏及挪威船級(jí)社與芬蘭-瑞典冰級(jí)的對(duì)應(yīng)符號(hào)

1.1.1主機(jī)功率輸出要求

主機(jī)輸出功率不能小于計(jì)算值，不同冰級(jí)相關(guān)系數(shù)不同，計(jì)算結(jié)果也會(huì)有所差異；且至少對(duì)IA/IB/IC冰級(jí)不低于1 000 kW，對(duì)IA super冰級(jí)不低于2 800 kW。

1.1.2螺旋槳及推進(jìn)軸系要求

螺旋槳、軸及齒輪箱等都有相應(yīng)的強(qiáng)度要求，對(duì)不同冰級(jí)有各自詳細(xì)的計(jì)算公式。

(1)對(duì)于IA super冰級(jí)，如果主機(jī)為可逆轉(zhuǎn)，空壓機(jī)應(yīng)能在30 min內(nèi)充滿空氣瓶。

(2)冷卻水系統(tǒng)的要求：

①海水進(jìn)口應(yīng)盡可能位于船中線附近，并盡量靠近船艉；

②每750 kW的主輔機(jī)功率應(yīng)盡配約1 m3的海水箱容積。海水箱應(yīng)有足夠的高度，以使冰塊積聚在吸入管口以上。冷卻水排放管以同樣的管徑接至海水箱頂部。海水進(jìn)口格柵的通流面積應(yīng)不小于進(jìn)水管截面積的4倍。根據(jù)需要，海水箱上部可設(shè)加熱盤(pán)管，并按實(shí)際情況，可利用壓載水艙內(nèi)的壓載水作為備用冷卻水[4]。

1.2船級(jí)社冰區(qū)加強(qiáng)符號(hào)對(duì)輪機(jī)的設(shè)計(jì)要求

船級(jí)社的要求相對(duì)于芬蘭-瑞典冰級(jí)規(guī)則更為詳細(xì)和具體，并有各自特殊的要求。

1.2.1勞氏冰區(qū)加強(qiáng)符號(hào)的主要特殊要求

(1)主推進(jìn)系統(tǒng)部件材料為鋼質(zhì)或其他認(rèn)可的可延展材料。

(2)位于最大載重線及以下的海水進(jìn)口和出舷閥要提供低壓的蒸汽或壓縮空氣接頭用于清洗[5]。

(3)至少有1臺(tái)消防泵連接至有除冰設(shè)施的海水箱。

(4)在特定溫度下進(jìn)行材料的夏比( Charpy) 沖擊試驗(yàn)。

1.2.2挪威船級(jí)社冰區(qū)加強(qiáng)符號(hào)的主要特殊要求

對(duì)冰級(jí)1C及以上等級(jí)，水線以上的壓載艙要提供有效的防凍措施,吹泡和加熱布置均可接受[6],并特別提出按-10 ℃的環(huán)境溫度設(shè)計(jì)。其他要求與勞氏船級(jí)社基本相同。

2極地航行要求

2014年國(guó)際海事組通過(guò)了《國(guó)際極地水域船舶作業(yè)規(guī)則》將于2017年1月1日生效。極地規(guī)則適用于在北極和南極作業(yè)的船舶。根據(jù)極地所在水域分為3類：中等一年冰、薄一年冰、開(kāi)敞水域/嚴(yán)重程度不如前2類的冰況，從船舶安全作業(yè)和極地環(huán)境保護(hù)方面做出規(guī)定。

各船級(jí)社也分別制定了自己相應(yīng)的極地航行規(guī)定，以后會(huì)隨著生效的國(guó)際極地規(guī)則作適當(dāng)修訂。

2.1國(guó)際極地規(guī)則對(duì)輪機(jī)設(shè)計(jì)的主要要求

在防凍方面對(duì)輪機(jī)設(shè)計(jì)的主要要求如下：

(1)供給柴油機(jī)的空氣要滿足廠家對(duì)溫度的最低要求。

(2)供給重要設(shè)備及安全設(shè)備和系統(tǒng)的液體及滑油要滿足低溫使用。

(3)海水箱和壓載艙要避免冰塊聚集，配備合適的壓縮空氣、蒸汽或熱水沖洗設(shè)施。

(4)透氣管、注入和排放管應(yīng)設(shè)計(jì)防結(jié)冰和積雪。

(5)液體艙包括壓載艙應(yīng)考慮低溫結(jié)冰引起的損害。

(6)需要連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)，要提供結(jié)冰和積雪的吹除措施。

(7)冰區(qū)海水箱要提供有效的除冰和透氣。

(8)水線以上的海水箱、舷邊閥和附件等應(yīng)有防凍措施。

(9)所有油艙和燃油管系要保溫至燃油所需溫度范圍。

2.2勞氏和挪威船級(jí)社極地航行要求

2.2.1勞氏船級(jí)社極地航行要求

勞氏船級(jí)社極地航行符號(hào)為PC1-PC7，對(duì)輪機(jī)設(shè)計(jì)的主要要求如下：

(1)由于結(jié)冰而損壞的系統(tǒng)都要可泄放。

(2)對(duì)PC1-PC5，單推進(jìn)的船舶要能在槳損壞后能有合適的措施保證船舶的操縱。

(3)暴露于海水和低溫的材料要進(jìn)行合適的夏比(Charpy) 沖擊試驗(yàn)。

(4)水線以上的壓載艙要提供有效的防凍措施。

(5)推進(jìn)系統(tǒng)尺寸及強(qiáng)度等需重新核算。

(6)對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，防止結(jié)冰及被雪覆蓋。需連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備要提供吹除冰雪的設(shè)施。

(7)對(duì)裝有液體的艙柜防止結(jié)冰造成破損。

(8)透氣管、進(jìn)或排出管和相關(guān)系統(tǒng)要有措施防止結(jié)冰和積雪造成堵塞。

(9)對(duì)PC1-PC5，至少應(yīng)設(shè)2個(gè)冰區(qū)海水箱，每750 kW的主輔機(jī)功率應(yīng)配約1 m3的海水箱容積。

(10)水線以上的海水箱、舷邊閥和附件等應(yīng)有防凍措施。

(11)水線以上的首尾艙和兩翼艙及其他有必要的艙均要設(shè)計(jì)防凍措施。

(12)機(jī)艙和居住區(qū)通風(fēng)進(jìn)口應(yīng)在船的兩舷均有設(shè)置。

(13)居住區(qū)和機(jī)艙通風(fēng)進(jìn)口提供加熱設(shè)施。提供給設(shè)備的進(jìn)風(fēng)溫度應(yīng)適于設(shè)備運(yùn)行。

2.2.2挪威船級(jí)社極地航行符號(hào)

挪威船級(jí)社極地航行符號(hào)為PC1-PC7，破冰船的附加標(biāo)志為ICE05/10/15和POLAR10/20/30；對(duì)輪機(jī)設(shè)計(jì)主要要求類似勞氏船級(jí)社。

另外，挪威船級(jí)社特別給出了設(shè)計(jì)溫度的范圍，對(duì)PC-1到PC-5，設(shè)計(jì)溫度取-20 ℃；對(duì)PC-6和PC-7設(shè)計(jì)溫度取-10 ℃。對(duì)POLAR符號(hào)設(shè)計(jì)溫度低于-30 ℃，對(duì)冰區(qū)加強(qiáng)符號(hào)如無(wú)特殊要求則無(wú)需考慮較低的溫度。

3防凍臨時(shí)導(dǎo)則要求

防凍(winterization)等級(jí)符號(hào)大多依據(jù)大氣溫度來(lái)劃分，大多船級(jí)社作為臨時(shí)性導(dǎo)則要求。各船級(jí)社對(duì)不同防凍等級(jí)下的設(shè)計(jì)有非常詳細(xì)的要求，具體內(nèi)容參見(jiàn)規(guī)范原文，本文僅給出防凍等級(jí)符號(hào)的劃分方法和溫度低于-30 ℃的典型要求。

3.1勞氏船級(jí)社防凍符號(hào)設(shè)計(jì)要求

勞氏船級(jí)社防凍等級(jí)符號(hào)的劃分見(jiàn)表2。

表2　勞氏船級(jí)社防凍等級(jí)符號(hào)的劃分

下面以防凍等級(jí)winterization C(最低設(shè)計(jì)溫度低至-30 ℃)為例，列舉一些主要的特殊要求：

(1)所有的管件及附件盡量位于室內(nèi)，盡量少暴露于低溫和結(jié)冰區(qū)。

(2)露天甲板的設(shè)備要能在最低的外部設(shè)計(jì)溫度下運(yùn)行，并提供必要的加熱設(shè)備。

(3)供給主輔機(jī)的空氣、滑油等要滿足廠家對(duì)溫度的最低要求。

(4)海水箱防凍布置參照芬蘭-瑞典冰區(qū)加強(qiáng)要求。

(5)方位推、舵機(jī)等的電氣和液壓系統(tǒng)提供防凍設(shè)施，提供加熱布置和合適的低溫油脂和滑油等。

(6)系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮泄放，防止管系結(jié)冰，也要考慮泄放閥和支管關(guān)閉閥的合適設(shè)置。

(7)保證蒸汽系統(tǒng)的循環(huán)和凝水管防凍，采取絕熱包扎或干空氣吹洗等措施。

(8)重要用途的閥、儀表和監(jiān)控設(shè)備要有防結(jié)冰保護(hù)、除冰措施或保護(hù)罩，露天的不易接近的閥和儀表等要有保護(hù)罩或放置在加熱箱內(nèi)。重要的閥的驅(qū)動(dòng)頭、電磁和傳感器等要有加熱布置。

(9)用于遙控的液壓管路的控制閥要有加熱布置，防止機(jī)械部件被凍。

(10)露天的淡水和海水管路提供防凍保護(hù)。提供放在能加熱區(qū)域的隔離閥便于露天管段可以泄放，或者也可以提供泄放閥和空氣吹洗接頭等，或者提供加熱布置或者保持水不斷的循環(huán)等。

(11)甲板上的起動(dòng)裝置要提供防止凝水保護(hù)，露點(diǎn)接近外部設(shè)計(jì)溫度或者帶空氣干燥器或者有加熱布置等，管路最低點(diǎn)提供泄放閥。

(12)排油監(jiān)控的露天管路提供加熱布置，出舷部分提供蒸汽吹洗。

(13)機(jī)器處所和居住區(qū)域進(jìn)出風(fēng)口的百葉窗要提供防凍保護(hù)包括除冰和加熱布置等。

(14)臨近舷側(cè)，位于壓載水線以上的淡水艙和壓載水艙要有防凍保護(hù)。對(duì)于完全位于水線以上的艙，加熱盤(pán)管是有效的防凍保護(hù)。對(duì)于部分位于水線以下的艙，加熱盤(pán)管、氣泡和循環(huán)都能被認(rèn)為是有效的防凍保護(hù)。水線以上的壓載出舷管布置適當(dāng)?shù)募訜嵩O(shè)施。

(15)臨近舷側(cè)的生活污水艙及其相關(guān)管路要位于可加熱處所或者提供加熱保護(hù)。

(16)露天的透氣管頭要易于接近，盡可能位于有保護(hù)的處所，提供蓋子防止積冰。布置了加熱盤(pán)管的壓載艙，可在透氣管下方增設(shè)加熱盤(pán)管防止透氣管道結(jié)冰。

3.2挪威船級(jí)社防凍符號(hào)設(shè)計(jì)要求

挪威船級(jí)社防凍等級(jí)符號(hào)的劃分及對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)條件分別見(jiàn)表3和表4。

表3　挪威船級(jí)社防凍等級(jí)符號(hào)的劃分

表4　挪威船級(jí)社防凍等級(jí)對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)條件

挪威船級(jí)社以表格的形式列出了上述3種等級(jí)符號(hào)的具體要求。相比勞氏船級(jí)社，挪威船級(jí)社的防凍符號(hào)要求更細(xì)致具體，通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，Basic(平均設(shè)計(jì)溫度低至-10 ℃，最低設(shè)計(jì)溫度低至-30 ℃)符號(hào)的要求與winterization C類似。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上的分析可以看出，冰區(qū)符號(hào)從冰級(jí)出發(fā)，主要考慮船體強(qiáng)度方面的影響，輪機(jī)細(xì)節(jié)方面注重海水溫度對(duì)輪機(jī)設(shè)計(jì)的影響，并應(yīng)特別考慮低溫下液壓系統(tǒng)的功能，水管、水箱和水艙的防凍措施，其對(duì)環(huán)境溫度無(wú)相關(guān)定義和要求；極地符號(hào)會(huì)多少考慮低溫環(huán)境的影響，對(duì)大氣溫度亦無(wú)明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系；而防凍符號(hào)則是從大氣溫度方面考慮防凍措施，船舶的防凍設(shè)計(jì)主要是從規(guī)定的設(shè)計(jì)溫度考慮，

可參照對(duì)應(yīng)的防凍(winterization)臨時(shí)導(dǎo)則。

綜上所述，船舶航行于寒冷地區(qū)的設(shè)計(jì)要求主要從船舶環(huán)境溫度條件、冰區(qū)符號(hào)、極地符號(hào)以及防凍符號(hào)方面等對(duì)照船級(jí)社規(guī)范規(guī)定，這些條件要由船東依據(jù)航線合理提出，設(shè)計(jì)中綜合考慮才能滿足船舶航行安全等方面的要求。

參考文獻(xiàn)：

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[2]許運(yùn)秀.冰區(qū)航行船舶規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展[J].中國(guó)船檢，2010(9):38-40.

[3]關(guān)東浩. 冰區(qū)航行船舶的設(shè)計(jì)[J].廣船科技，2003(3)：32-36.

收稿日期：2015-10-12

作者簡(jiǎn)介：李晚俠(1980—)，女，工程師，工程碩士，從事船舶輪機(jī)專業(yè)設(shè)計(jì)工作。

中圖分類號(hào)：U662.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A