極地多用途集裝箱船液艙及管系防凍設(shè)計(jì)技術(shù)探討

閻曉麗

摘 要：本文介紹了極地多用途集裝箱船液艙及管系防凍防結(jié)冰設(shè)計(jì)技術(shù)，研究提出了液艙、露天甲板管系及海底門等免于結(jié)冰的方法，使用加溫伴熱、吹氣或其它防凍方法保證船舶各系統(tǒng)的正常運(yùn)行，為極地航行船舶液艙及管系防凍設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：極地；防凍；除冰；液艙；管系

中圖分類號(hào)：U664.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： This paper introduces the anti-icing technique for the liquid tanks and pipes for the polar multi-purpose container vessel， the mechanism or method to prevent the liquid tank， exposed deck pipes and sea chest from getting frozen such as heating tracing and air bubbling， etc. to ensure that all the system of the vessel are functional.

Key words： Polar region； Anti-icing； De-icing； Liquid tank； Pipes

1 前言

我國(guó)開展極地船舶研究的時(shí)間不長(zhǎng)，建造實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不多，在極地船舶設(shè)計(jì)和建造方面與先進(jìn)國(guó)家相比還有較大的差距。針對(duì)北極航道開通對(duì)多用途運(yùn)輸船的市場(chǎng)需求及國(guó)家海洋發(fā)展的戰(zhàn)略需求，未來(lái)極地多用途集裝箱船具有廣闊的前景，各船廠也在為承接極地船舶做好各項(xiàng)技術(shù)準(zhǔn)備，本課題的研究也將為今后承接建造極地船積累寶貴的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

2 極地船發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)范規(guī)則

在全球變暖的大環(huán)境下，北極通航已成為世界的熱點(diǎn)。近年來(lái)，俄羅斯、美國(guó)、加拿大、芬蘭、瑞典、英國(guó)等破冰船設(shè)計(jì)建造先進(jìn)國(guó)家均加大了對(duì)冰區(qū)航行船舶的研制力度。我國(guó)海洋船舶經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)的水平，但對(duì)于極地海域，航行船舶卻涉足不多，主要的船型只有極地科考船和極地遠(yuǎn)洋漁業(yè)船舶兩類。

從用途上區(qū)分，極地航行船舶主要分為兩類：一類是具備在結(jié)冰海域獨(dú)立破冰航行的船舶，如破冰油船、極地科考船、極地沿海巡邏艦、破冰運(yùn)輸船等；另一類是專門用于為其他船只開辟航道、引導(dǎo)冰區(qū)航行的專用破冰船。

極地航行船舶的設(shè)計(jì)與船舶的冰級(jí)密切相關(guān)，不同的冰級(jí)適用不同的設(shè)計(jì)規(guī)范。目前世界氣象組織將海冰分為首年冰、兩年冰和多年冰。其中：首年冰的厚度不超過(guò)1.2 m，冰強(qiáng)度低；多年冰的厚度可以達(dá)到3 m以上，冰強(qiáng)度高。世界上多數(shù)船級(jí)社的規(guī)范僅適用首年冰的航行要求，僅俄羅斯海事局的冰級(jí)規(guī)則可適用于多年冰。為此，國(guó)際船級(jí)社IACS出臺(tái)了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)“極地船級(jí)要求”，可適用于多年冰，并被各大船級(jí)社采納（表1）。

3 液艙防凍主要方法

液艙防凍定義：通過(guò)各種擾動(dòng)、循環(huán)、絕熱和加熱等措施，使暴露在低氣溫環(huán)境下的艙柜、設(shè)備和管路等內(nèi)部的液體不發(fā)生凍結(jié)。

液艙防凍的主要方法有：

（1）通過(guò)蒸汽、熱的液體或加熱電纜來(lái)進(jìn)行加熱；

（2）使用壓縮空氣吹通、擾動(dòng)，使液體循環(huán)而不發(fā)生凍結(jié)；

（3）船舶通過(guò)合理布置，有效地防止壓載水艙、淡水艙和其他液艙艙面凍結(jié)；

（4）采用不同的防凍措施，如持續(xù)循環(huán)、氣泡擾動(dòng)或加熱對(duì)流等；當(dāng)服務(wù)溫度低于-45 ℃時(shí)采用加熱對(duì)流的防凍措施，如垂直布置的加熱盤管等；

（5）每個(gè)壓載水艙都安裝溫度傳感器，并在艙內(nèi)低溫時(shí)報(bào)警。

若壓載水艙完全位于輕載水線或低位冰區(qū)水線以下（取小者）時(shí)，可不設(shè)防凍措施（除非另有規(guī)定）。

4 液艙防凍保護(hù)方案

極地船舶的壓載艙或淡水艙部分或全部位于輕載水線或低位冰區(qū)水線以上，并接鄰船殼或者露天甲板時(shí)，應(yīng)具有適當(dāng)?shù)牧艨杖莘e（一般為10%），以防止壓載水和淡水凍冰膨脹的影響；若全部位于輕載水線或低位冰區(qū)水線以下（取小者）的壓載水艙一般無(wú)需加熱，但服務(wù)于該水艙的管系（包括透氣管）應(yīng)防止冰凍堵塞。

4.1 壓載艙、淡水艙管系防凍方案（一）

最有效和常用的方案是采用蒸汽加熱盤管，它一般安裝在水線以上近船殼板的位置。為了確定加熱盤管的布置數(shù)量而進(jìn)行熱交換計(jì)算時(shí)，可以將壓載水溫度設(shè)定為2 ℃左右。

蒸汽管路和凝水管路應(yīng)設(shè)有足夠的泄放口，以防止不用時(shí)發(fā)生冰凍堵塞管路。

4.2 壓載艙、淡水艙管系防凍方案（二）

壓縮空氣吹泡系統(tǒng)是一種通過(guò)不停擾動(dòng)，促使壓載水局部?jī)?nèi)循環(huán)以達(dá)到防凍的措施，其存在的缺點(diǎn)是艙內(nèi)氣溫偏低導(dǎo)致局部區(qū)域仍然會(huì)有冰凍現(xiàn)象發(fā)生，艙內(nèi)布置的管路可能會(huì)遭到墜落冰塊的撞擊損傷，艙內(nèi)涂層和構(gòu)件也可能會(huì)因此受損；此外，寒冷的壓縮空氣還可能導(dǎo)致壓載水過(guò)冷并形成冰晶，多冰晶的壓載水變得粥狀粘稠難以泵送。因此，壓縮空氣吹泡系統(tǒng)并不適合極端嚴(yán)寒的氣候條件下使用。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是管路少且通徑小、施工方便，重量輕。

5 露天甲板區(qū)域管系防凍的主要方法

5.1 露天甲板管系防凍方法

（1）通過(guò)蒸汽、熱的液體或加熱電纜進(jìn)行加熱；

（2）使用永久的或可拆卸的保護(hù)罩。

5.2 露天甲板管系除冰方法

（1）通過(guò)熱水或蒸汽沖洗冰；

（2）采用手動(dòng)機(jī)械方法除冰；

（3）利用熱空氣或化學(xué)藥劑除冰等。

5.3 露天排水舷口、泄水溝等防凍方法

（1）排水舷口應(yīng)設(shè)置防凍保護(hù)；

（2）若排水舷口上裝設(shè)擋板，則應(yīng)為蓋板提供足夠的加熱以保持暢通；endprint

（3）泄水孔、排水溝應(yīng)設(shè)置防凍保護(hù)。

5.4 進(jìn)出風(fēng)口防凍要求

（1）機(jī)艙進(jìn)風(fēng)口需考慮除冰，使用數(shù)量需滿足主機(jī)等設(shè)備的使用要求；

（2）空調(diào)進(jìn)風(fēng)口需預(yù)防結(jié)冰；

（3）應(yīng)急發(fā)電機(jī)室的進(jìn)風(fēng)口需考慮除冰措施；

（4）貨艙的進(jìn)出風(fēng)口需預(yù)防結(jié)冰，但進(jìn)風(fēng)口數(shù)量只需要滿足裝載危險(xiǎn)品貨物時(shí)換氣要求的數(shù)量即可，其他的貨艙通風(fēng)口不需要考慮防冰。

6 海水箱、海底門防凍方法

6.1 海水箱防凍方法

（1）海水進(jìn)口應(yīng)盡可能布置在船舯處，盡量靠后；

（2）海水箱應(yīng)有足夠大的容積；

（3）海水箱應(yīng)足夠高，以使浮冰處在進(jìn)水管口的上方；

（4）全容量排出的冷卻水連接到海底門；

（5）海底門開口應(yīng)不小于4倍的進(jìn)水管徑橫截面積。

6.2 海底門的防凍方法

（1）海底門應(yīng)布置在船的低位處，并遠(yuǎn)離冰帶水線；使用擋板、圍堰、濾器和其他措施將水和冰隔離開來(lái)；

（2）海底門的容積應(yīng)根據(jù)船上海水冷卻所有可能同時(shí)工作的發(fā)動(dòng)機(jī)的總功率來(lái)確定；

（3）海底門的布置應(yīng)考慮船的線型和船的尺度；

（4）海底門頂部盡可能高、引至海水艙的管路進(jìn)口盡可能低地布置；應(yīng)有手動(dòng)除冰措施，（下轉(zhuǎn)第頁(yè)）（上接第頁(yè)）例如打開濾器或從水線以上進(jìn)入海底門除冰塊；海水艙應(yīng)至少可以從兩個(gè)獨(dú)立的海底門飲水；海底門至海水艙的引水管路的流通面積，應(yīng)根據(jù)不同的冰級(jí)考慮4～6倍所有可能同時(shí)使用的海水泵吸入管截面積的總和；海底門舷側(cè)格柵、開孔或開槽等引水開口的流通面積，應(yīng)不小于引水管路的流通面積；

（5）海底門和海水艙應(yīng)設(shè)有帶截止閥的透氣管，透氣管截面積與冷卻水吸入管相當(dāng)；透氣管頭應(yīng)避免積冰而堵塞；

（6）海底門和冷卻水吸入口應(yīng)考慮除冰措施，可以采用蒸汽除冰、熱水除冰、壓縮空氣吹、布置加熱盤管等。

7 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于極地航行的船舶，必須綜合分析船舶的類型、航線，充分考慮各種可能的結(jié)冰狀態(tài)，采取合適的措施預(yù)防液艙及管系結(jié)冰，保證船舶各系統(tǒng)正常運(yùn)行和船舶的營(yíng)運(yùn)安全。

參考文獻(xiàn)

1.中國(guó)船級(jí)社. CCS 極地船舶指南[S].

2. 海安會(huì)MSC.385（94）決議， 2014.

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