極地救生艇耐低溫性能研究及試驗方法

陳智同，張 祎，郭 江，管義鋒

(1.江蘇科技大學(xué) 海洋裝備研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2. 江蘇中智海洋工程裝備有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；3. 江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

近年來，隨著海洋經(jīng)濟和極地能源開發(fā)及北極航道的不斷發(fā)展，海洋能源開發(fā)對海洋工程裝備的需求也日益增加，深水和極端寒冷海域的石油開采及運輸已成為可能。極地科學(xué)考察船、北極穿梭油船、極地鉆井船等極地船舶由于常年穿行于地球最寒冷的區(qū)域，因而必須能適應(yīng)極其惡劣的海域氣候，如：巴倫支海的最低溫度可低至-45 ℃，一年中有210～290 天海面上覆蓋著1.5 m厚的冰層[1]，冰層上還有20 cm厚的積雪。

極地水域地理位置獨特，環(huán)境條件特殊，因結(jié)冰和低溫環(huán)境，導(dǎo)致船舶穩(wěn)性減弱、管路冰凍、航行設(shè)備失效和船員執(zhí)行力下降及其他不可低估的因素，從而降低了船舶航行的安全性。當(dāng)船舶遇險時，救生艇能使船上人員迅速安全撤離并在海上維持生命，是船舶法定安全設(shè)備，其性能和狀況一直以來受到高度關(guān)注[2]。

我國工業(yè)和信息化部于2014年11月批復(fù)成立了《國際極地水域船舶安全規(guī)則應(yīng)用研究》課題。2016年中國船級社(CCS)頒布了《極地船舶指南》。國際海事組織(IMO)制定的《國際極地水域航行船舶規(guī)則》于2017年1月1日生效。這些規(guī)范對極地船舶的航行、設(shè)計、操作提供了一定的技術(shù)指導(dǎo)，保障了極地航行船舶安全，但涉及到極地船舶救生設(shè)備的試驗要求并沒有具體明確。本文在調(diào)研國際同類產(chǎn)品現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計并制造了適用于極地低溫環(huán)境的救生艇樣機，對樣機進行了低溫性能試驗及結(jié)果分析研究，積累本領(lǐng)域的相關(guān)經(jīng)驗，為極地低溫救生產(chǎn)品的設(shè)計、建造和試驗提供參考。

1 極地救生艇的關(guān)鍵問題

1.1 極地救生艇的應(yīng)用

面對極地區(qū)域惡劣復(fù)雜的環(huán)境，極地救生艇的應(yīng)用面臨許多困難[3]，如：救生艇的艇體材料受力可能發(fā)生脆性開裂，嚴(yán)重影響玻璃鋼表面的防水功能；門和艙蓋由于冰雪覆蓋而造成開啟困難，導(dǎo)致人員無法及時進入救生艇內(nèi)從而延誤了救生艇逃離母船的時間；駕駛窗由于內(nèi)外溫差太大，表面容易結(jié)露，影響駕駛室視線，致使駕駛員無法正常駕駛等。

1.2 極地救生艇的附件

在極地救生艇的附件方面：低溫環(huán)境下蓄電池達不到使用溫度，導(dǎo)致電器無法工作，影響救生時間；高壓空氣瓶在極地溫度下，壓力會隨之減小，氣量相應(yīng)變小，無法滿足發(fā)動機和人員呼吸的要求；橡膠件在低溫下會變硬變脆，導(dǎo)致門和艙蓋的水密性變差、機械裝置失效；玻璃鋼船體及龍骨在極地碰到浮冰，造成艇體損傷等；發(fā)動機使用的潤滑油在低溫時凝固造成無法啟動等。

1.3 極地救生艇的降放裝置

在極地救生艇的降放裝置方面：艇鉤裝置的活動部件由于外露在艇甲板外，在被冰雪覆蓋凍住時無法順利打開；降放裝置液壓系統(tǒng)及潤滑油受極地低溫影響，液體產(chǎn)生凍結(jié)而且粘度增大，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)失效，影響整個降放裝置的動作；降放裝置運動部件內(nèi)部連接部位在低溫環(huán)境由于熱脹冷縮，嚴(yán)重情況下導(dǎo)致運動部位卡死，外部表面結(jié)冰會使運動部件功能失效；降放裝置的機械限位開關(guān)等部件由于外露在環(huán)境中，容易表面結(jié)冰，影響使用性能。

2 極地救生艇關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 極地救生艇發(fā)動機的低溫啟動性能研究

極地低溫條件下，發(fā)動機啟動困難[5]是極地低溫救生艇研發(fā)的一個關(guān)鍵技術(shù)。其主要原因是因為發(fā)動機所使用的潤滑機油在低溫時會凝固，造成發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)動扭矩力增大，致使電動機啟動時無法帶動發(fā)動機曲軸運轉(zhuǎn)，造成發(fā)動機無法啟動。

改善發(fā)動機低溫啟動性能的一種辦法是給曲軸箱內(nèi)機油加熱，即設(shè)置加熱器。加熱器的功率可通過試驗來確定，但通過機油加熱的方法在一定程度上僅加熱了曲軸箱。如有更低溫度時，在冷卻水系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置加熱器，會使整個發(fā)動機得到升溫，這樣使發(fā)動機的啟動更加順利。

影響發(fā)動機低溫工作性能的因素還有冷卻系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、蓄電池等方面。在發(fā)動機冷卻系統(tǒng)方面，為了防止淡水在低溫下冰凍，現(xiàn)有的解決方案是使用低溫冷卻液及淡水加熱器。為了防止艇外的龍骨冷卻器與冰塊接觸破損，可在龍骨冷卻器周圍加裝保護欄。

在發(fā)動機燃油系統(tǒng)方面，選擇合理的相應(yīng)溫度下的燃油牌號，或采用保溫措施。使用相應(yīng)溫度下的燃油較為合理方便，市場有供應(yīng)。

在選擇蓄電池容量的時候應(yīng)考慮其放電能力隨溫度降低而下降的因素，根據(jù)廠商提供的放電特性曲線，適當(dāng)放大電池的容量。另外，盡量選用低溫的蓄電池。

2.2 艇鉤裝置在極地低溫情況下的釋放能力研究

艇鉤系統(tǒng)作為救生艇使用中的關(guān)鍵機械裝置，并且該裝置一直暴露在空氣中，必須考慮到極地低溫天氣對整個釋放功能的影響。艇外操作系統(tǒng)中的推拉軟軸也應(yīng)適應(yīng)低溫環(huán)境下的使用工況，否則達不到救生艇釋放要求。

為了保證艇鉤系統(tǒng)的低溫工作性能，可以采取以下措施：

(1)在外露的吊鉤及轉(zhuǎn)軸加保護罩，但此方法必須密封水密，操作復(fù)雜、繁瑣。

(2)在吊鉤轉(zhuǎn)軸增設(shè)加熱器讓冰雪及時融化，以保證低溫下艇體順利脫鉤。此方法須通過試驗驗證。在-50 ℃環(huán)境條件下存放24 h并在期間多次淋水讓其表面凝結(jié)成30 mm的冰層，然后在此條件下進行艇鉤釋放試驗，艇鉤能順利打開為符合要求。

(3)在吊鉤、轉(zhuǎn)軸、吊架板上涂上耐低溫的油脂。耐低溫油脂使冰雪與上述部件間有一定的隔離層，可采用破冰錘將冰層除去，然后順利脫鉤操作。

本文進行了相應(yīng)的試驗驗證：對試驗樣艇設(shè)置2個艇鉤(艏艉各1個)，通過推拉軟軸連接同一個艇鉤釋放裝置。試驗時，一個設(shè)置轉(zhuǎn)軸加熱器且表面涂有耐低溫油脂，另一個僅表面涂有耐低溫油脂。將該裝置存放于-50 ℃庫房內(nèi)24 h，并在期間多次淋水至艇鉤外露冰層達30 mm。用破冰錘除去冰層，并驗證除冰的難易程度。操作釋放裝置：2個吊鉤能同時釋放即為符合要求。

另外，試驗時應(yīng)考慮低溫冰雪情況下，吊環(huán)與艇吊鉤連接時是否有咬死或粘結(jié)的情況，如有咬死現(xiàn)象，應(yīng)另外采取措施。根據(jù)前后吊鉤轉(zhuǎn)動軸設(shè)置加熱器的方法來防止低溫時的結(jié)冰，從而防止吊鉤咬死不易打開的情況?？梢耘渲闷票N，用機械方式除冰。

2.3 艇門和艙蓋及駕駛窗等除冰與去霜性能研究

在極端低溫環(huán)境下，門和艙蓋由于冰雪極易覆蓋而難以開啟，導(dǎo)致人員無法及時進入救生艇內(nèi)，從而延誤了救生艇逃離母船的時間。門及門框周邊存在一定的間隙，低溫下該間隙將會被冰雪填充，也將導(dǎo)致門蓋無法開啟。

本文采用以下試驗方法來研究低溫條件下救生艇門和艙蓋的開啟性能。

(1)根據(jù)門及艙蓋的特性，在活動開啟部位設(shè)加熱器，這樣門及艙蓋能在低溫情況下順利打開。為防止電加熱過載必須設(shè)有溫控保護。

(2)在加工大小合適的密閉玻璃鋼箱體上安裝救生艇的門及艙蓋，進行低溫試驗?zāi)M驗證。

首先驗證破冰錘的除冰能力。實驗中，將裝有艙蓋的試驗箱放入-50 ℃庫房中24 h，其間多次淋冷水至艙蓋上的冰層為30 mm。在不除冰的情況下進行開啟操作，觀測把手能否操作。如無法操作，用破冰錘將冰除去進行開啟操作，觀測把手能否操作及開啟程度。

然后驗證加熱器的效果。采用上述同樣的條件，將艙蓋放入-50 ℃的庫房中24 h，同時打開門框加熱器。其間應(yīng)多次淋水，觀測表面的冰層情況及把手的開啟程度。

由于極地低溫的影響，駕駛窗表面會有冰雪覆蓋，且由于內(nèi)外溫差太大，駕駛窗表面會結(jié)露，從而導(dǎo)致駕駛室窗視線模糊，致使駕駛員無法正常駕駛。為了改善駕駛窗在低溫下表面結(jié)露及易冰雪覆蓋等情況，采用加熱玻璃的方法。將帶有電加熱的窗安裝于模擬的駕駛室上，也可安裝在密閉的玻璃鋼箱體上，將其存放于-50 ℃的庫房內(nèi)24 h。其間應(yīng)多淋水，觀察窗上是否有結(jié)冰、結(jié)露現(xiàn)象。

2.4 極地救生艇附件的低溫性能研究

(1)電器低溫性能。救生艇的啟動，目前主要的操作方式有手動啟動、蓄電池啟動、蓄能啟動等。蓄電池啟動作為最為方便的啟動方式，若要在極地低溫環(huán)境下也能正常工作可用加溫的方式或者使用低溫電池。目前市場上有-45 ℃環(huán)境使用下的低溫蓄電池。

(2)高壓空氣瓶的低溫性能。高壓空氣瓶中的壓力會隨著環(huán)境溫度的變化出現(xiàn)波動。在常溫下充滿的高壓空氣瓶，有可能在極地溫度下，壓力會隨之減小，氣量相應(yīng)變小，可能無法滿足發(fā)動機啟動和人員呼吸的要求。在實際使用過程中，高壓氣瓶僅在耐火救生艇上使用。在設(shè)計上，可以采用加熱或救生艇內(nèi)部供暖的方法，保證高壓氣瓶平時不處于低溫條件下。另外，空氣瓶選用的材料也應(yīng)能適用于低溫環(huán)境。

(3)橡膠件低溫性能。橡膠材料對溫度敏感性很高：溫度高時橡膠材料變軟，溫度低時橡膠材料就會變硬變脆。橡膠材料廣泛應(yīng)用于密封材料，如門和艙蓋的密封條、機械設(shè)備的密封圈等。在低溫環(huán)境中，如橡膠材料失效，門和艙蓋就會出現(xiàn)不水密的情況，機械裝置則會出現(xiàn)機械失效現(xiàn)象。

3 極地救生艇低溫環(huán)境試驗

為進行極地救生艇必要的低溫試驗，需針對極地設(shè)備的特點，對比分析各產(chǎn)品的危險因素，提出適應(yīng)極地環(huán)境的技術(shù)和管理措施。

各產(chǎn)品由于外觀尺寸和試驗要求的差異，所以對試驗室的要求也不同。救生艇和降放裝置的尺寸較大，如按照比例制作模型進行試驗，將不能充分體現(xiàn)客觀的自然使用過程。降放裝置的材料、部件等，可以在生產(chǎn)廠家或是外部試驗中完成檢驗工作；對組裝后的成套裝置的功能試驗，就必須做出實物原型來研究低溫對結(jié)構(gòu)和材料的影響，考慮尺寸因素對實驗室的要求；絞車可以作為成套產(chǎn)品進入實驗室試驗；液壓系統(tǒng)組裝后，不安裝在鋼結(jié)構(gòu)上而是進入實驗室測試；做成一個全尺寸的活動部件進入試驗室進行降放裝置的功能試驗。

3.1 釋放裝置的除冰試驗

結(jié)冰后釋放裝置如圖1a)所示。將艇吊系統(tǒng)存放于-50 ℃的環(huán)境條件下24 h，并用水噴，讓艇吊鉤外露艇體部分結(jié)冰30 mm以上；用破冰錘除冰，操縱釋放手柄，確認(rèn)兩鉤能脫鉤。

在吊鉤轉(zhuǎn)軸處設(shè)置加熱裝置，同樣將艇吊系統(tǒng)存放-50 ℃的環(huán)境條件下24 h，并用水噴，讓艇吊鉤外露部分結(jié)冰30 mm以上。由于加熱裝置的作用，轉(zhuǎn)軸部分不結(jié)冰，用破冰錘除去其他部位的結(jié)冰，操縱釋放手柄，確認(rèn)兩鉤能順利脫鉤。電加熱對釋放裝置的影響如圖1b)所示。

按產(chǎn)品尺寸1∶1的比例，加工制造了降放裝置活動部位的局部模型，轉(zhuǎn)動軸部位和滑輪放于-50 ℃的環(huán)境條件下24 h，并用水噴，讓外露部分結(jié)冰30 mm。試驗結(jié)果顯示：利用破冰錘除冰，滑輪能正常轉(zhuǎn)動，使用無影響?；喅囼炓妶D2。

圖2 滑輪除冰試驗

3.2 門和艙蓋的開啟能力試驗

研究在沒有任何防護的情況下，門和艙蓋在結(jié)冰情況下打開情況。將門和艙蓋在-50 ℃的環(huán)境下存放24 h，結(jié)冰厚度至30 mm，利用破冰錘除冰。試驗結(jié)果顯示：破冰錘能順利除冰，門上無任何損傷，但在開始過程中，需要將門周圍的冰層徹底清除后，門才可以打開。

為了驗證門和艙蓋上加設(shè)加熱器的情況，在門窗的密封橡膠條下加設(shè)加熱器，并設(shè)置了溫控器。將門窗在-60 ℃的環(huán)境下存放24 h，結(jié)冰厚度至30 mm。試驗結(jié)果顯示：側(cè)門通過加熱能輕松開啟，密封橡膠條沒有被凍結(jié)現(xiàn)象。

3.3 駕駛窗的去冰霜能力試驗

試驗中，首先將裝有加熱器的玻璃駕駛窗，通電后溫度升到38 ℃就自動切斷，降溫到30 ℃，再次工作升溫到38 ℃，如此循環(huán)。其次將駕駛窗在-50 ℃的環(huán)境條件下存放24 h，進行淋水試驗，確認(rèn)視野玻璃通過加熱、淋水后玻璃表面無結(jié)霜、無模糊的情況。

4 結(jié)論

本文以極地救生艇能夠在-50 ℃環(huán)境溫度下保持正常的救生能力為目標(biāo)，研究分析了極地低溫對救生艇發(fā)動機啟動性能、艇鉤裝置釋放能力、門和艙蓋開啟以及駕駛窗視野的影響，給出了相應(yīng)的解決措施，并采用低溫環(huán)境試驗的方法，驗證了救生艇的發(fā)動機、艇鉤裝置、門和艙蓋以及駕駛窗在極地環(huán)境溫度下能夠正常工作，為同類產(chǎn)品的開發(fā)和研究提供借鑒。首套產(chǎn)品已經(jīng)獲得俄羅斯船級社低溫產(chǎn)品證書，并裝備到廣船國際有限公司44 500載重噸凝析油輪。