極地航行船舶及海洋平臺防冰和除冰技術(shù)研究進(jìn)展

謝強(qiáng)，陳海龍，章繼峰

1哈爾濱工程大學(xué)智能結(jié)構(gòu)與先進(jìn)復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150001

2哈爾濱工程大學(xué)科學(xué)技術(shù)研究院，黑龍江哈爾濱150001

極地航行船舶及海洋平臺防冰和除冰技術(shù)研究進(jìn)展

謝強(qiáng)1，陳海龍2，章繼峰1

1哈爾濱工程大學(xué)智能結(jié)構(gòu)與先進(jìn)復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150001

2哈爾濱工程大學(xué)科學(xué)技術(shù)研究院，黑龍江哈爾濱150001

極地具有氣候環(huán)境極端惡劣、海氣交換強(qiáng)烈、濕度很大等特點(diǎn)，在此航行（或冰區(qū)航行）的船舶和海洋平臺結(jié)構(gòu)表面極易形成覆冰，它不僅影響設(shè)備操作，更直接威脅到船舶和海洋平臺的安全。對國內(nèi)外極地航行船舶及海洋平臺防冰和除冰技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。首先，介紹覆冰對極地航行船舶及海洋平臺不同部位的影響和危害程度。然后，歸納和分析國內(nèi)外現(xiàn)有防冰和除冰方法與技術(shù)，包括電加熱、紅外線、超聲導(dǎo)波等主動除冰方法，以及超疏水涂層、犧牲性涂層、水潤滑涂層以及低交聯(lián)度界面滑移涂層等被動除冰方法。最后，總結(jié)現(xiàn)有防冰和除冰技術(shù)在極地航行船舶及海洋平臺上的適用性及優(yōu)缺點(diǎn)，為極地航行船舶及海洋平臺的防除冰設(shè)計(jì)提供參考。

極地船舶；海洋平臺；防冰；除冰

0 引 言

極地地區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的自然資源，是未來重要的能源和資源基地。根據(jù)美國地質(zhì)勘探局公布的評估報(bào)告顯示，北極地區(qū)探明的原油儲量為900億桶，天然氣儲量超過47萬億m3，占全球未開采石油儲量的13%和未開采天然氣儲量的30%［1-2］，除石化燃料外，北極地區(qū)還擁有豐富的漁業(yè)、森林、淡水資源以及鎳、鉛、鋅、銅、鈷等礦產(chǎn)資源。隨著全球氣候變暖，北極冰蓋逐漸融化，使北極新航道的開通成為可能。北極新航道的開通可以減少我國對常規(guī)航線的依賴，降低能源、資源運(yùn)輸?shù)陌踩L(fēng)險(xiǎn)。極地資源開發(fā)利用和新航道通航對保障我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展、保障能源運(yùn)輸安全有著重要的戰(zhàn)略意義［3］。

極地航行船舶與海洋平臺是在極地地區(qū)開展資源勘探、開發(fā)、運(yùn)輸及科考活動的載體。然而，極地氣候環(huán)境極端惡劣，長年低溫多冰。北極地區(qū)冬季時(shí)間長，溫度在-43～-26℃之間，平均氣溫為-34℃；海氣交換強(qiáng)烈、濕度很大，大部分時(shí)間相對濕度都在95%以上，表現(xiàn)為多霧、濃霧，這種極端氣候下形成的覆冰給極地航行船舶及海洋平臺帶來了極大影響［4-9］（圖1）。極地航行船舶遭受到的海水濺淋（Sea spray）是船體和甲板形成覆冰的主要原因［10］，同時(shí)大氣中的過冷液滴遇到裝備后也在結(jié)構(gòu)表面形成大量覆冰［11］，即大氣結(jié)冰，如在纜繩、救生設(shè)備、通風(fēng)口等形成的覆冰。覆冰不僅嚴(yán)重影響極地航行船舶的功能，還會增大船舶吃水深度和重心，影響船舶穩(wěn)性。海洋平臺覆冰可達(dá)數(shù)百噸，上層覆冰不僅會降低結(jié)構(gòu)穩(wěn)性、改變結(jié)構(gòu)應(yīng)力、降低結(jié)構(gòu)可靠性，還會對極地工作區(qū)域的設(shè)備造成危害，例如：凍結(jié)絞盤、起重機(jī)、閥門，覆蓋窗戶，堵住通風(fēng)口等。帶有鹽份的海水在無線電通信設(shè)備和雷達(dá)上結(jié)冰會改變其介電常數(shù)，影響信號接收。晶狀覆冰還會降低摩擦系數(shù)，威脅直升機(jī)在船舶或海洋平臺上的起降，結(jié)冰會增加人員滑倒的危險(xiǎn)，冰塊掉落還會威脅人員安全。

圖1 海洋平臺［12］（左）及極地船舶［13］（右）上的結(jié)冰Fig.1 Ice accretion on offshore platforms［12］（left）and polar ships［13］（right）

冰晶形態(tài)對裝備的威脅也存在差異。海水濺淋冰（Spray ice）是過冷的海水濺射到裝備上后迅速形成的結(jié)冰。對于極地航行船舶來說，由于存在與海水的相對速度和較低的高度，海水濺淋冰形成的結(jié)冰會比海洋平臺更嚴(yán)重。與海水濺淋冰一樣，積雪也會增加船舶或海洋平臺的重量，覆蓋在各種設(shè)備上，引起打滑。新的積雪蓬松易清除，應(yīng)及時(shí)處理，否則積雪會壓實(shí)成冰或融化后再凝結(jié)成雨凇冰（Glaze）。雨凇冰是凍雨與裝備接觸后形成的透明、致密的冰層。相較于霧?。≧ime），雨凇冰的冰層密度大，難以清除。霧凇是攜帶過冷液滴的霧與裝備表面接觸后形成的疏松、不透明的白色粒狀結(jié)構(gòu)沉積物，特點(diǎn)是比較疏松，覆蓋在設(shè)備上后清除難度相對較小。此外，還有霜（Frost）、冰雹（Sleet）等結(jié)冰量較少的結(jié)冰形式。

目前，針對極地航行船舶和海洋平臺的除冰方法按照除冰形式分為主動除冰法和被動除冰法。主動方法是指結(jié)冰后借助外力除冰，包括機(jī)械、鹽、電加熱、紅外線等除冰方法，這些方法需要一定的能源或資源。被動方法是指利用涂層材料本身的屬性阻止冰凝結(jié)到涂層或降低冰粘附強(qiáng)度（Ice adhension strength）τice，并依靠風(fēng)力或自身重力就可使冰脫離表面，這些除冰方法幾乎不消耗能源。然而，極地航行船舶和海洋平臺的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各部位對各種除冰方法的適用性不同，應(yīng)該結(jié)合各部位的特點(diǎn)選擇合適的除冰方法，使除冰效率更高、更經(jīng)濟(jì)。

1 結(jié)構(gòu)覆冰對極地海洋平臺的影響

1）整體穩(wěn)性。

大量覆冰會增加海洋平臺的重量，影響平臺的穩(wěn)性。對于浮體式平臺，覆冰重量會增加橫傾力矩，降低干舷高度［14］。由于覆冰通常發(fā)生在迎風(fēng)面，不對稱覆冰更容易導(dǎo)致海洋平臺傾斜。失穩(wěn)對海洋平臺的危害巨大，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致平臺傾覆等災(zāi)難性后果。

2）結(jié)構(gòu)完整性。

低溫環(huán)境下的材料性能，尤其是斷裂韌性將發(fā)生衰退。當(dāng)冰雪在海洋平臺上局部積累時(shí)，過大的重力會產(chǎn)生復(fù)雜的內(nèi)應(yīng)力，甚至造成結(jié)構(gòu)損壞，使整個(gè)平臺完整性喪失。局部構(gòu)件的初始設(shè)計(jì)滿足平臺在波浪和洋流作用下的外載荷振蕩應(yīng)力，而覆冰將改變平臺的慣性參數(shù)、圓形部件的直徑、風(fēng)載響應(yīng)等設(shè)計(jì)參數(shù)，造成構(gòu)件局部失效，破壞結(jié)構(gòu)的完整性。

3）防災(zāi)救援設(shè)備。

覆冰可降低海洋平臺的自救能力，如覆蓋滅火裝置、凍結(jié)滅火水槍閥門、堵塞煙氣傳感器。覆冰還可使救生筏凍結(jié)、甲板打滑，體積龐大的冰塊更會妨礙人員活動。在火災(zāi)等事故發(fā)生時(shí)，這些危險(xiǎn)因素將阻礙及時(shí)救援和逃生。

4）通信系統(tǒng)。

覆冰還會導(dǎo)致通信設(shè)備失效。例如，衛(wèi)星天線被冰覆蓋后，因海冰鹽分較高，將升高天線表面介電常數(shù)，影響信號接收［15］，覆冰融化還可導(dǎo)致電子設(shè)備短路。通信系統(tǒng)失效不會造成海洋平臺垮塌，但災(zāi)害發(fā)生時(shí)會影響海洋平臺上的人員互相溝通和對外尋求救援，危害也不容忽視。

5）直升機(jī)平臺與甲板。

結(jié)冰造成直升機(jī)起降平臺打滑，給飛機(jī)操作安全帶來風(fēng)險(xiǎn)，并可延誤受傷人員的救援、關(guān)鍵藥品的補(bǔ)給。水平甲板表面極易積累大量冰、雪、凍雨等。在風(fēng)浪海情下，甲板上會出現(xiàn)大量海水濺淋冰，如果排水管道被封堵，結(jié)冰將會更嚴(yán)重。

6）通風(fēng)口與窗戶。

通風(fēng)設(shè)備的作用是提供新鮮空氣和排放有害氣體，某些機(jī)械設(shè)備也需要空氣來運(yùn)轉(zhuǎn)及排放廢氣。通風(fēng)口的隔窗大多采用網(wǎng)狀和格狀設(shè)計(jì)，極易被覆冰和積雪封堵，將給人員健康、機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)帶來問題。窗戶被冰覆蓋后會遮擋一線作業(yè)人員的視線，一旦機(jī)械操作失誤將發(fā)生人員安全、設(shè)備損毀等事故。

7）起重機(jī)與火炬臂。

起重機(jī)力臂為框架式結(jié)構(gòu)，實(shí)際表面積大，很容易受到霧凇冰的影響。大量覆冰可以凍結(jié)鋼絲線絞盤，甚至使起重機(jī)力臂不堪重負(fù)而折斷?；鹁姹郏‵lare boom）外形類似于起重機(jī)吊臂，上面載有燃燒系統(tǒng)，如果發(fā)生覆冰導(dǎo)致火炬臂折斷或堵住油氣控制通道的事故，將可能引發(fā)燃?xì)獗ê突馂?zāi)。

8）月池。

月池是位于海洋平臺中央的一塊開放區(qū)域，鉆井設(shè)備都在此區(qū)域作業(yè)。覆冰將導(dǎo)致閥門無法工作、作業(yè)效率低下。

9）附屬設(shè)施。

階梯被雨凇冰覆蓋后表面打滑，威脅人員作業(yè)安全。欄桿上形狀不規(guī)則的霜霾覆冰會增加欄桿直徑，使人員無法抓牢欄桿引發(fā)人身安全事故。覆冰還會使閥門、手柄等操縱部位封凍而無法操作。

10）覆冰安全評估。

不同安全等級的覆冰類型對平臺部位或功能的威脅程度各不相同。相對而言，海水濺淋冰對海洋平臺結(jié)構(gòu)的安全性威脅最大；其次是積雪和雨凇冰；霧凇清理相對容易，對結(jié)構(gòu)安全性危害也低；對于結(jié)霜和冰雹類型的覆冰，前者量較少，而大質(zhì)量的冰雹發(fā)生概率較低，它們對平臺威脅程度相應(yīng)地也較小。有鑒于此，按照重要性排序分別賦予海水濺冰、積雪、雨淞冰、霧淞、霜冰雹這6種類型覆冰10，8，7，6，4，1不同標(biāo)度的危險(xiǎn)等級。同時(shí)，根據(jù)受不同類型覆冰威脅程度賦予海洋平臺功能或部位不同的風(fēng)險(xiǎn)值（RI）。表1所示為最后得到的6種類型覆冰對海洋平臺綜合威脅程度的評估情況（用RI表示），其中，RI值為70～100的紅色區(qū)域表示威脅程度最嚴(yán)重，30～69的橙色區(qū)域表示威脅一般，0～29的黃色區(qū)域表示威脅輕微。

2 結(jié)構(gòu)覆冰對極地航行船舶的影響

1）船舶適航性。

極地航行船舶大量覆冰將增加船體重量和船舶阻力，降低干舷高度，大量覆冰還會提高船舶重心、導(dǎo)致航行不穩(wěn)定，引起船身傾斜，甚至發(fā)生傾覆［14］。對于上層建筑高大、干舷高度較低的船舶，大量覆冰對穩(wěn)性影響較大。

2）通信及導(dǎo)航系統(tǒng)。

當(dāng)通信和導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，極地航行船舶相較于海洋平臺或常規(guī)船舶更容易發(fā)生事故，如遭遇冰山、擱淺或陷入冰區(qū)無法脫困。同時(shí)，發(fā)生事故時(shí)，如果通信受阻，將無法聯(lián)系救援人員或其他附近的船舶。

表1 覆冰類型和海洋平臺部位或功能對平臺安全性的綜合影響［12］Table 1 Joint safety impacts by ice type and platform component or function［12］

3）通風(fēng)設(shè)備及艙門、舷窗。

即便不看這些大的并購案，小微并購案可能在中國的物流市場每天都在發(fā)生。2018年10月24日，申通快遞發(fā)布公告稱，其全資子公司申通快遞有限公司擬以3866.85萬元收購收購貴州、昆明的兩大中轉(zhuǎn)中心。同年6月6日消息,申通快遞收購深圳、廣州等轉(zhuǎn)運(yùn)中心資產(chǎn)。“而更多的不知名的物流第三方企業(yè)因?yàn)槔麧櫹陆?，生意不好做，轉(zhuǎn)賣給同樣不知名的物流第三方企業(yè)這樣的案例會更多?！蓖醭杀硎?，不論大案例，還是小案例，都在表明這個(gè)行業(yè)正在向更高的集中度邁進(jìn)。

艙室內(nèi)的通風(fēng)暢通對極地航行船舶至關(guān)重要，冰封后的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)無法運(yùn)轉(zhuǎn)，某些可燃?xì)怏w如果不能及時(shí)排出會有爆炸危險(xiǎn)。

舷窗上的覆冰會遮擋駕駛?cè)藛T觀測海情、冰山、暗礁的視線。艙門冰封后，開啟艙門將變得十分困難，如果是雨凇冰或者海水濺淋冰，嚴(yán)重時(shí)甚至無法打開艙門，延誤人員在甲板上操作設(shè)備的時(shí)間。

4）附屬設(shè)施。

與海洋平臺一樣，極地航行船舶上的欄桿、梯子、階梯等極易被冰雪覆蓋，尤其是被雨凇冰覆蓋后會造成表面打滑，非常難以清除。受梯子或欄桿上形狀不規(guī)則的覆冰影響，人員會因無法抓緊而發(fā)生人身安全事故。

5）甲板覆冰。

海水濺淋冰是甲板形成覆冰的主要形式，它將造成甲板表面打滑，危及人員活動安全，而船體發(fā)生傾斜時(shí)危險(xiǎn)性更大。如果覆冰封堵了甲板上的排水孔，甲板積水會導(dǎo)致大量二次結(jié)冰，嚴(yán)重時(shí)會極大地增加船舶的重量并提高重心高度，影響船舶穩(wěn)性。甲板覆冰會凍結(jié)止鏈器、錨鏈保險(xiǎn)鋼絲及錨機(jī)脫排裝置等部件，使船舶無法拋錨，當(dāng)風(fēng)力較大、船舶密集時(shí)會隨風(fēng)浪飄蕩，帶來很大的危險(xiǎn)［16］。

6）結(jié)冰安全評估。

不同類型的覆冰對極地航行船舶的威脅程度與對海洋平臺的威脅程度類似，海水濺淋冰也是威脅最大的覆冰。鑒于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，船舶上的積雪量不如海洋平臺，積雪的威脅程度相較于海洋平臺小。由于極地航行船舶在航行中的危險(xiǎn)性較大，相對于海洋平臺結(jié)構(gòu)，覆冰對前者的通信系統(tǒng)、舷窗等功能性操作系統(tǒng)危害更大。因此，不同類型覆冰的危險(xiǎn)等級以及對極地航行船舶的部位或功能的威脅程度有著自己的特點(diǎn)。有鑒于此，按照重要性排序，分別賦予海水濺淋冰、積雪、雨淞冰、霧淞、霜、冰雹這6種類型覆冰10，6，4，3，2，1不同標(biāo)度的危險(xiǎn)等級。同時(shí)，根據(jù)受不同類型覆冰威脅程度賦予船舶功能或部位不同的風(fēng)險(xiǎn)值（RI）。表2所示為最后得到的6種類型覆冰對極地航行船舶綜合威脅程度的評估情況，其中，RI值為70～100的紅色區(qū)域表示威脅最嚴(yán)重，30～69的橙色區(qū)域表示威脅程度一般，0～29的黃色區(qū)域表示威脅程度輕微。

表2 覆冰類型和船舶部位或功能對船舶的安全性綜合影響［17］Table 2 Joint safety impacts by ice type and ship component or function［17］

3 極地航行船舶與海洋平臺的防冰和除冰技術(shù)

極地航行船舶與海洋平臺上的覆冰主要是海水濺淋形成的結(jié)冰，采用有效的防冰和除冰設(shè)計(jì)可顯著減少覆冰量。在保證船舶或平臺安全性及性能指標(biāo)的前提下，可通過增加甲板與水線的距離以減少海水濺淋冰。對于海洋平臺，可以將平臺的樁基設(shè)計(jì)成大直徑的，以及將甲板底部設(shè)計(jì)得更平坦以增大冰層通過自身重力而脫落的可能性，以此來有效降低海水濺淋冰量。增加光滑曲面、豎直曲面設(shè)計(jì)量、減少外露小部件數(shù)量，可降低覆冰與裝備的機(jī)械互鎖，提高除冰的便利性和覆冰脫落的可能性。圖2所示為挪威Ulstein公司設(shè)計(jì)、迪拜Polarcus公司運(yùn)營的一型可以防止海水濺淋的X型船艏極地航行船舶，該型船曾于2011年成功穿越北冰洋新航道——北海航道。

圖2 X型船艏防冰設(shè)計(jì)的極地航行船舶［18］Fig.2 Anti-icing of polar ship with X-bow design［18］

總之，在滿足船舶和海洋平臺安全性、性能指標(biāo)的前提下，應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)出最有利于降低冰雪積累的結(jié)構(gòu)型式，并結(jié)合其他有效除冰方法，達(dá)到減少極地航行船舶和海洋平臺覆冰的目的。

3.2 人工除冰

所謂人工除冰是人員利用鏟、鎬等工具將冰層剝離或擊碎后再清除。人工除冰可能會對一些精密設(shè)備造成損壞，因此，僅適用于不需要保護(hù)的區(qū)域除冰。但有些情況會造成人工除冰無法實(shí)現(xiàn)。例如：遭遇極端天氣時(shí)，人員無法登上甲板；人員無法達(dá)到的部位?？傊?，人工除冰方法效費(fèi)比低，僅可作為備用方法。

3.3 電加熱除冰法

電加熱除冰法是利用電阻絲加熱結(jié)構(gòu)表面使溫度上升到0℃以上以防止結(jié)冰或融化冰層，常用的裝置為內(nèi)埋式電阻加熱元件。在關(guān)鍵設(shè)備中設(shè)計(jì)內(nèi)埋式加熱元件可使除冰方便快捷。電加熱除冰法首先利用發(fā)動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，然后經(jīng)電阻絲轉(zhuǎn)化為熱能，因此無用功消耗過多。該方法除了能量消耗巨大外，還存在二次結(jié)冰的風(fēng)險(xiǎn)，限制了更廣泛的使用，一般僅用于天線等關(guān)鍵部位的除冰。在舷窗上也可采用電加熱的設(shè)計(jì)，例如，布置極細(xì)的電阻絲，再利用高壓的凈水、雨刮除去冰晶，防止結(jié)冰遮擋駕駛?cè)藛T的視線［19］。

3.4 高速熱流除冰

高速熱流除冰法是向被冰層覆蓋的結(jié)構(gòu)表面噴射高溫、高壓蒸汽或水流來融化或剝離冰層。此類方法最早用于飛機(jī)地面除冰，由地面提供設(shè)備和能源。在船舶和海洋平臺上，可利用發(fā)動機(jī)、鍋爐以及尾氣產(chǎn)生的能量除冰，但需要預(yù)先設(shè)計(jì)復(fù)雜的導(dǎo)流管道。此方法可以除去較厚的冰層，但因流體的溫度較高，不適宜對熱敏感或含有比較軟的材料如熱塑性材料等部位的除冰。不僅如此，無抗沖擊性能的脆性材料也不宜使用。

3.5 紅外線除冰

紅外線除冰法是利用紅外發(fā)射源向覆冰區(qū)域照射，通過加熱融化冰層。紅外線波長在760 nm～1 mm之間，不同材料對不同波長的紅外線吸收率不同，采用波長大于3 μm的紅外線照射時(shí)，冰吸收的能量較高，所以適用于除冰的紅外線多為3～15 μm的中波紅外線。有鑒于此，在采用紅外線除冰時(shí)，必須根據(jù)覆冰類型和表面材料對不同波長的紅外線吸收率選取合適的波長，以防止無法融冰或損壞涂層。對于船舶和海洋平臺，可以使用可移動的小型紅外面板，安裝在小車支臂上以方便使用，但該方法與電加熱一樣存在二次結(jié)冰的風(fēng)險(xiǎn)。

3.6 超聲導(dǎo)波除冰

超聲導(dǎo)波除冰方法是利用電信號在薄板中激勵的超聲導(dǎo)波產(chǎn)生的介質(zhì)表面剪切力，來克服覆冰與介質(zhì)表面的粘附強(qiáng)度，達(dá)到除去結(jié)構(gòu)表面覆冰的方法。超聲導(dǎo)波除冰是不同于傳統(tǒng)熱力除冰的新技術(shù)，主要裝置包括超聲波發(fā)生器、壓電制動器。壓電致動器通過膠與基體平板粘連在一起，當(dāng)壓電致動器輸入來自超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的一定頻率的震蕩電信號激勵時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)會在薄板內(nèi)部產(chǎn)生一定振幅的超聲波，經(jīng)不斷反射疊加、幾何彌散后形成超聲導(dǎo)波（如Lamb波和SH波等），這些超聲波的種類既包括橫波也包括縱波，并且被束縛在基體平板內(nèi)傳播，在2種介質(zhì)交界面產(chǎn)生剪切應(yīng)力。超聲導(dǎo)波除冰技術(shù)的關(guān)鍵是它能產(chǎn)生足夠的橫向剪切力，找出在基體板內(nèi)最優(yōu)的導(dǎo)波模式。如圖3所示，根據(jù)超聲導(dǎo)波在不同幾何形狀的平板內(nèi)相關(guān)反射和疊加的過程，可設(shè)計(jì)合適的激勵信號、激勵頻率、電壓幅值以及模態(tài)［20］。Palacios等［21］利用頻率為27～32 kHz的超聲導(dǎo)波在冰與薄板界面產(chǎn)生了超過冰粘附強(qiáng)度的剪切應(yīng)力，其冰層厚度為2～4 mm，鋼板厚度為0.7 mm。超聲導(dǎo)波除冰是一種新型、高效的除冰技術(shù)，具有方便快捷、能耗低、無二次結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)。但是，由于超聲導(dǎo)波只存在于板管結(jié)構(gòu)中，對于船舶和海洋平臺，超聲導(dǎo)波除冰只可適用于板管結(jié)構(gòu)區(qū)域。

圖3 基于超聲導(dǎo)波除冰的模態(tài)控制實(shí)驗(yàn)［20］Fig.3 Mode control experiment of deicing by ultrasonic guided wave method［20］

3.7 化學(xué)物質(zhì)除冰

化學(xué)物質(zhì)除冰是在防冰部位播散或涂抹化學(xué)物質(zhì)以達(dá)到加快冰融化過程或防止結(jié)冰的目的。該方法常用于道路除雪，常用的物質(zhì)包括氯化鈉、氯化鈣、甲酸鉀、醋酸鈣鎂、尿素、蔗糖等。通過在積雪的道路上播散這些物質(zhì)或者溶液可以降低冰點(diǎn)使雪融化［22］。W?hlin等［23］研究表明，氯化鈉溶液可削弱雪晶體的結(jié)合力，起到抵抗積雪壓實(shí)的效果。飛機(jī)防凍液主要物質(zhì)大多包含一些低凝固點(diǎn)的醇類，如乙烯乙二醇、異丙醇、乙醇等［24］。含有這些物質(zhì)的防凍液噴灑在飛機(jī)表面，飛行過程中，這些物質(zhì)與過冷水混合，可使兩者混合液凝固點(diǎn)低于0℃，達(dá)到防止結(jié)冰目的?；瘜W(xué)物質(zhì)防冰有多種施加方式，包括人工播撒、噴霧器、漏液裝置等。由于用于除冰的化學(xué)物質(zhì)是一次性使用，成本較高，對裝備腐蝕嚴(yán)重，同時(shí)還會對環(huán)境造成污染。極地航行船舶和海洋平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對于人員和播撒裝置到達(dá)不了的區(qū)域或者垂直表面將無法操作，而在環(huán)境保護(hù)有特殊要求的極地區(qū)域使用大量化學(xué)物質(zhì)會受到更加嚴(yán)格的限制。

3.8 犧牲性涂層

此類表面涂層可以不可逆地釋放一些抑制過冷水結(jié)晶的小分子，同時(shí)增加冰和材料表面的潤滑度，降低冰粘附強(qiáng)度，甚至可使覆冰自然脫落。Ayres等［25］研究了通過三丙烯乙二醇醚（TPG）、丙三醇和異丙氧基鈦（TIP）化學(xué)反應(yīng)，生成含有TPG、丙三醇配體的鈦醇鹽溶膠凝膠體系，將其嵌入到普通的疏水涂層基體中，利用鈦醇鹽的水解和縮合反應(yīng)，使TPG和丙三醇2種分子緩慢釋放達(dá)到降低水凝固點(diǎn)、抑制冰結(jié)晶核形成的防冰目的。但是，由于材料的有限性以及所釋放分子的水溶性，涂層的使用壽命有限。

Wong等［26-27］受到豬籠草啟發(fā)開發(fā)了一種液體潤滑多孔表面（SLIPS）材料，將不與水相容的潤滑液注入禁錮在納米多孔基體中，并與鋁表面結(jié)合。此涂層具有較高的穩(wěn)定性和極高的潤滑性，能有效抑制結(jié)冰，冰粘附強(qiáng)度僅約15 kPa。由于潤滑液體有可能被脫離的冰帶走而損耗，此類涂層存在時(shí)效性，也屬于犧牲性涂層。

3.9 超疏水涂層

超疏水涂層是近年來受到廣泛關(guān)注的技術(shù)。所謂超疏水涂層是指水接觸角（Water contact angle）大于150°、滾動角小于10°的涂層，涂層具有低表面能物質(zhì)修飾的表面和多級粗糙度的雙重性質(zhì)，可減少水或冰與材料表面的接觸面積，增強(qiáng)冰與材料界面的應(yīng)力集中，降低冰的粘附剪切強(qiáng)度，達(dá)到延緩結(jié)冰，且結(jié)冰后可通過很小的力或風(fēng)將附著在涂層表面的冰除去的目的。制作超疏水涂層的方法有多種，如溶膠凝膠法［28］、納米顆粒法［29］、模板法［30］、化學(xué)腐蝕［31］等，這些方法都是為了創(chuàng)造涂層的多級粗糙度，而納米顆粒法最簡便且適合大規(guī)模制備。超疏水涂層表面涂覆的典型低表面能物質(zhì)一般為氟硅類聚合物，包括聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚四氟乙烯（PTFE）、多面體低聚硅倍半氧烷（POSS）等。Wang等［32］對光滑鋁板、苯基三乙氧基硅烷（PTES）涂覆的光滑鋁板、化學(xué)腐蝕后的粗糙鋁板、PTES涂覆的粗糙鋁板的冰粘附強(qiáng)度分別進(jìn)行研究，結(jié)果表明PTES涂覆的粗糙鋁板的粘附強(qiáng)度最低，如圖4所示。

圖4 不同疏水涂層的鋁板在-10℃時(shí)的冰粘附強(qiáng)度［32］Fig.4 Ice adhesion strength values of various aluminum plateswith super hydrophobic coating at temperatures below-10℃［32］

Meuler等［33］研究了一系列材料的冰粘附強(qiáng)度與水后退接觸角（Water receding contact angle）θrec的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)冰粘附強(qiáng)度和1+cosθrec具有很強(qiáng)的相關(guān)性。此結(jié)果表明增大涂層的水后退接觸角有助于減小冰粘附強(qiáng)度，對設(shè)計(jì)超疏水防冰涂層具有指導(dǎo)意義。

超疏水涂層也存在穩(wěn)定性和耐久性問題。例如：微小液滴進(jìn)入涂層微結(jié)構(gòu)中結(jié)冰膨脹會損壞微結(jié)構(gòu)形態(tài)；由于脆弱的表面形貌，多次覆冰、除冰循環(huán)后涂層的防冰性能會下降，甚至可能提高冰粘附強(qiáng)度［34］；在水滴高速撞擊下，涂層的超微結(jié)構(gòu)空隙會被水填充，造成疏水疏冰性能嚴(yán)重降低［35］，這對于經(jīng)常受到海水濺淋影響的船舶來說更加不適用。超疏水涂層同時(shí)還存在表面污染問題，在一段時(shí)間后，超疏水材料表面由于附著灰塵或其他化學(xué)物質(zhì)，涂層的防冰性能會顯著下降。因此，研究出穩(wěn)定性、耐久性高的超疏水涂層成為此項(xiàng)技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

3.10 水潤滑涂層及低交聯(lián)密度界面滑移涂層

Dou等［36］將親水的二羥甲基丙酸（DMPA）接枝到聚氨酯（PU）基體上，使涂層具有親水性，接觸角僅為43°，其機(jī)理是通過吸收水分隔絕冰和涂層表面，在-15℃時(shí)，可將冰粘附強(qiáng)度降至30 kPa以下，如圖5所示。環(huán)境實(shí)驗(yàn)表明，在-53℃時(shí)，水潤滑層仍然存在，經(jīng)過30次除冰、結(jié)冰循環(huán)后冰粘附強(qiáng)度幾乎未變化，可長期使用。因此，相較于超疏水涂層和犧牲性涂層，水潤滑涂層具有良好的穩(wěn)定性和耐久性。

圖5 各種表面涂覆防冰涂層前后在-15℃時(shí)的冰粘附強(qiáng)度比較［36］Fig.5 Comparison of ice adhesion strength on different substrates before and after coated with the anti-icing coating at temperatures below-15℃［36］

Golovin等［37］通過在低交聯(lián)密度的高彈性體涂層中接入可與其相溶的未交聯(lián)的高分子使涂層—冰交界面可滑移，制作出擁有冰粘附強(qiáng)度極小、耐久性高的防冰材料。首先，研究了具有不同交聯(lián)密度的一系列PDMS涂層，發(fā)現(xiàn)交聯(lián)密度越低，冰粘附強(qiáng)度越低。然后，在低交聯(lián)密度的PDMS涂層中接入硅油，發(fā)現(xiàn)接入硅油的低交聯(lián)密度的PDMS涂層，冰粘附強(qiáng)度可減小到6±1 kPa，這是由于未交聯(lián)的硅油可使冰和材料交界面產(chǎn)生滑移，極大降低了冰的附著力。為了得到最優(yōu)的、高耐久性防冰涂層，制作了交聯(lián)密度在0.68×10-5～1 203×10-5mol/cm3的一系列疏冰涂層，包括PDMS，PU，F(xiàn)PU（含氟聚氨酯多元醇），PFPE（全氟聚醚）等，并嵌入硅酮、蔬菜油、魚肝油或紅花油。

如圖6所示，嵌入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%紅花油的PU涂層初始冰粘附強(qiáng)度小于3 kPa，與加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%fluoro POSS的FPU，NeverWet，NuSil R-2180以及SLIPS（潤滑液注入多孔材料）相比，初始粘附強(qiáng)度極低。雖然PDMS（界面滑移），PDMS silane（界面滑移），PU（潤滑）的初始粘附強(qiáng)度和10次結(jié)冰循環(huán)后的粘附強(qiáng)度與PU（界面滑移）相比相差不大，但是經(jīng)過100次磨損循環(huán)后，上述材料的粘附強(qiáng)度都迅速增大，只有PU（界面滑移）的粘附強(qiáng)度仍然小于10 kPa，這表明PU（界面滑移）材料具有良好的耐磨性能。為了驗(yàn)證PU（界面滑移）的耐久性能，進(jìn)行了一系列測試。在經(jīng)過100次結(jié)冰循環(huán)、熱循環(huán)、-30℃低溫、腐蝕、酸堿、剝離、5 000次磨損等處理后，在-10℃下，涂層冰粘附強(qiáng)度仍然不到10 kPa，而且在-30～-10℃溫度區(qū)間內(nèi)冰粘附強(qiáng)度基本不變，表明此類涂層在環(huán)境惡劣的極地地區(qū)具有較好的除冰效果。

圖6 低交聯(lián)度界面滑移涂層與其他涂層冰粘附強(qiáng)度對比［37］Fig.6 Comparison of ice adhesion strength of PU slippage coating with other ice-phobic surfaces［37］

4 結(jié) 語

本文對國內(nèi)外極地航行船舶與海洋平臺的防冰和除冰技術(shù)進(jìn)行了綜述，分析了覆冰對其不同部位和功能的影響。同時(shí)，介紹了國內(nèi)外現(xiàn)有防冰和除冰方法及技術(shù)，重點(diǎn)分析了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、表面涂層等防冰技術(shù)，以及超聲導(dǎo)波等除冰技術(shù)，并對各類方法的適用性及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行評述和總結(jié)。比較而言，紅外線、電加熱、高速熱流等主動除冰方法方便、快捷，但能耗較大，且存在二次結(jié)冰的風(fēng)險(xiǎn)；基于超聲導(dǎo)波的智能除冰方法具有能耗低、除冰快和冷除冰的優(yōu)勢，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ男滦统夹g(shù)，但是只適用于板管結(jié)構(gòu)和較薄的冰層除冰；化學(xué)除冰方法和犧牲性涂層費(fèi)用高、使用次數(shù)有限，且對極地環(huán)境有很大影響，應(yīng)避免使用；超疏水涂層在一定條件下具有較小的冰粘附強(qiáng)度，在高濕、低溫或水滴沖擊情況下其疏水及防冰性能嚴(yán)重下降，需要進(jìn)一步提高穩(wěn)定性；水潤滑涂層和低交聯(lián)密度界面滑移涂層是新近開發(fā)、性能優(yōu)異的防冰涂層技術(shù)，冰粘附強(qiáng)度極小，耐久性、環(huán)境適應(yīng)性良好，具有很好的應(yīng)用前景。總之，針對極地航行船舶和海洋平臺，應(yīng)根據(jù)使用特點(diǎn)并結(jié)合各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，合理選擇防冰和除冰方法。

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Research progress of anti-icing/deicing technologies for polar ships and offshore platforms

XIE Qiang1，CHEN Hailong2，ZHANG Jifeng1

1 Smart Structures and Advanced Composite Materials Lab，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

2 Science and Technology Research Institute，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

The polar regions present adverse circumstances of high humidity and strong air-sea exchange. As such,the surfaces of ships and platforms(oil exploiting and drilling platforms)serving in polar regions can easily be frozen by ice accretion,which not only affects the operation of the equipment but also threatens safety.This paper summarizes the status of the anti-icing/deicing technologies of both China and abroad for polar ships and offshore platforms,and introduces the various effects of ice accretion on polar ships and offshore platforms,and the resulting safety impacts.It then reviews existing anti-icing/deicing technologies and methods of both China and abroad,including such active deicing methods as electric heating,infrared heating and ultrasonic guided wave deicing,as well as such passive deicing methods as super hydrophobic coating,sacrificial coating,aqueous lubricating layer coating and low cross-link density (with interfacial slippage)coating,summarizes their applicability to polar ships and offshore platforms,and finally discusses their advantages/disadvantages.

polar ship；offshore platforms；anti-icing；deicing

U674.21

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.008

2016-05-17

2016-12-28 15:56

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51379048）

謝強(qiáng)，男，1990年生，博士生。研究方向：極地船舶與裝備防冰和除冰技術(shù)。E-mail：455924666@qq.com陳海龍，男，1980年生，博士。研究方向：極地大科學(xué)及項(xiàng)目管理章繼峰（通信作者），男，1976年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：極地船舶與裝備防冰和除冰技術(shù)。E-mail：jfzhang@hrbeu.edu

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20161228.1556.028.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

謝強(qiáng)，陳海龍，章繼峰.極地航行船舶及海洋平臺防冰和除冰技術(shù)研究進(jìn)展［J］.中國艦船研究，2017，12（1）：45-53. XIE Q，CHEN H L，ZHANG J F.Research progress of anti-icing/deicing technologies for polar ships and offshore plat?forms［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（1）：45-53.