極地科考船全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器受損原因及預(yù)防措施

張士中

【摘 要】 為降低帶有全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器和動(dòng)力定位（DP）功能的船舶在極區(qū)航行時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，分析某科學(xué)考察船在極地作業(yè)過程中螺旋槳受損的實(shí)際案例，結(jié)合后期管理效果，提出以下措施：加強(qiáng)值班瞭望;及時(shí)取消DP功能，恢復(fù)手動(dòng)操縱;單車受損時(shí)，利用推進(jìn)器的“懸?！惫δ芸朔疁u輪作用于螺旋槳上的力以保持螺旋槳相對(duì)平穩(wěn)，減輕振動(dòng)。在兩極海域航行的船舶應(yīng)充分考慮極地條件的特殊性，對(duì)可能遇到的問題做好預(yù)案，確保船舶的安全和科考作業(yè)的順利完成。

【關(guān)鍵詞】 極區(qū)航行;電力推進(jìn);全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器;冰區(qū)避碰;動(dòng)力定位（DP）

0 引 言

隨著我國綜合國力的持續(xù)提高及國家對(duì)極地科考的高度重視，越來越多的極地考察工作在有條不紊地推進(jìn)著，已形成了明確的極地考察序列，所取得的科研成果也在逐年豐碩。特別是十九大以來，隨著一批先進(jìn)科考船的入列，我國極地科考水平達(dá)到了一個(gè)前所未有的高度。截至目前，自然資源部已經(jīng)組織開展了35次南極科學(xué)考察及10次北極科學(xué)考察，取得了令人矚目的科研成果。但是，科考船管理方面的不足，會(huì)給極地科考帶來安全隱患。本文以某科考船在極地考察時(shí)遇到浮冰損壞吊艙螺旋槳為例，分析船舶在極地考察時(shí)所面臨的極端情況及應(yīng)采取的預(yù)防措施，為極區(qū)航行船舶提供參考。

1 船舶基本情況

科考船承擔(dān)著為國家海洋科學(xué)綜合調(diào)察，海洋動(dòng)力環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、海底資源、能源、國防安全、減輕自然災(zāi)害等重大海洋科技問題提供技術(shù)支撐保障的任務(wù)，同時(shí)為我國參與國際重大海洋研究計(jì)劃和增強(qiáng)我國海洋科技在國際海洋研究中的影響提供先進(jìn)的探測(cè)研究平臺(tái)。

科考研究工作力求嚴(yán)謹(jǐn)，對(duì)采樣位置要求精確，這就需要科考船具備很好的機(jī)動(dòng)性和可靠性。20世紀(jì)80年代，為了滿足船舶在破冰條件下運(yùn)行時(shí)具有更好的機(jī)動(dòng)性和可靠性的需要，吊艙式全回轉(zhuǎn)電力推進(jìn)器應(yīng)運(yùn)而生。

某科考船是我國遠(yuǎn)洋科學(xué)綜合考察的主力船舶之一。該船是一艘球艏長艏樓型、B3級(jí)冰區(qū)加強(qiáng)型鋼質(zhì)特殊用途船舶。無人機(jī)艙位于船中略偏后，配有雙艏側(cè)推系統(tǒng)、吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)（兩套）和動(dòng)力定位系統(tǒng)（DP）、綜合導(dǎo)航定位系統(tǒng)。該船配有3臺(tái)瓦錫蘭W8L26柴油機(jī)，2臺(tái)ABB C00980型全回轉(zhuǎn)吊艙，吊艙螺旋槳可正反旋轉(zhuǎn)。

2 事故經(jīng)過

極地考察一般選擇在夏季，此時(shí)當(dāng)?shù)貧鉁厣仙檩^輕，但極地氣象條件比較惡劣，氣旋生成非?？?，在此作業(yè)的船舶經(jīng)常需要到錨地避風(fēng)。

該船配有DP1，又考慮到避風(fēng)錨地底質(zhì)不利于拋錨，有走錨風(fēng)險(xiǎn)，因此采用DP功能，設(shè)定DP為原地抗風(fēng)。當(dāng)晚23：48左右，機(jī)艙柴油機(jī)突加負(fù)荷振動(dòng)，主發(fā)電機(jī)負(fù)荷由原來的800 kW迅速上升到1 900 kW，取消DP功能改為手動(dòng)操作后功率恢復(fù)正常。經(jīng)過全面檢查，各油艙、水柜液位正常，有大約10 m3的冰塊被擠壓到船上左后甲板導(dǎo)致左后舷護(hù)欄損壞變形、舷燈損壞。第二天天氣好轉(zhuǎn)后再次檢查后發(fā)現(xiàn)，各油艙、水柜正常，發(fā)現(xiàn)左舷撞冰山處船體有明顯凹陷，加速試車發(fā)現(xiàn)左推進(jìn)器螺旋槳轉(zhuǎn)速超過120 r/min時(shí)振動(dòng)加大，200 r/min以上振動(dòng)劇烈，反轉(zhuǎn)試車振動(dòng)情況類似，右車正常。初步判斷為左推進(jìn)器螺旋槳擊打水下冰山到產(chǎn)生變形，發(fā)現(xiàn)推進(jìn)器水下各密封空間有少量進(jìn)水，放殘后正常?？扛酆笥蓪I(yè)船舶檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)通過水下檢查發(fā)現(xiàn)左推進(jìn)器螺旋槳一個(gè)槳葉的梢部有面積約30 cm ？60 cm向內(nèi)折的變形，折角約60埃平髏芊獯ξ醇饗砸斐！W酆掀攔籃蠹毯醬穩(wěn)撾竇按白純觶齠ǖコ翟誦型瓿珊笮瓶既撾??？

3 航行中遇到的問題

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器由于采用吊艙設(shè)計(jì)而具備比常規(guī)推進(jìn)器更高的敞水效率，加之其靈活的操縱性，對(duì)阻力較大的船型來說是一個(gè)很好的選擇。該船采用雙推進(jìn)器設(shè)計(jì)，即使一推進(jìn)器艙損壞，單獨(dú)使用另一推進(jìn)器船舶也可達(dá)到12 kn的經(jīng)濟(jì)航速。按照推進(jìn)器設(shè)計(jì)制造廠家給出的事故處理方案，采取左推進(jìn)器斷開總電源開關(guān)，讓其自由旋轉(zhuǎn)，以防止螺旋槳向電網(wǎng)饋電。在航行時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)航速超過10 kn或逆水水流速度太大時(shí)，左推進(jìn)器振動(dòng)增大。檢查后發(fā)現(xiàn)，螺旋槳軸密封處有滲水，左推進(jìn)器電氣絕緣性能下降。

4 問題分析

（1）造成螺旋槳受損原因。由于當(dāng)時(shí)采用DP原地定位功能，當(dāng)船舶受到外力發(fā)生移動(dòng)時(shí)，DP系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)船舶所受外力的矢量大小對(duì)4個(gè)推進(jìn)器（2個(gè)船尾吊艙和2個(gè)船首側(cè)推）下達(dá)指令，輸出一個(gè)合力來抵消外力。事發(fā)時(shí)正值午夜，又是交接班時(shí)間，值班人員疏于瞭望，從船舶左后方漂來的巨大浮冰直接撞碰上船體尾部。因海冰密度較大，水面以上的浮冰只是1/10左右的體積，而本推進(jìn)器螺旋槳為拉力槳（螺旋槳朝向船首方向時(shí)，產(chǎn)生向前的推進(jìn)力），當(dāng)左舷受力時(shí)，螺旋槳會(huì)轉(zhuǎn)向左舷方向，此時(shí)螺旋槳與左舷舷側(cè)板的距離變得很小，水下部分的浮冰就會(huì)直接與螺旋槳接觸。由于南極水域的浮冰大多是多年老冰，其硬度堪比鋼鐵，高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳打到浮冰后致使螺旋槳葉受損變形。

（2）螺旋槳振動(dòng)原因。推進(jìn)器槳葉受損后，螺旋槳的質(zhì)量分布失去平衡，導(dǎo)致重心不在其回轉(zhuǎn)中心線上，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到120 r/min時(shí)，不平衡力達(dá)到一定程度，推進(jìn)器振動(dòng)增大，無法正常運(yùn)行。

（3）航速超過10 kn或逆流水速過大時(shí)振動(dòng)加劇原因。在航速超過10 kn或逆流水速過大兩種情況下，故障螺旋槳處于自由狀態(tài)，由于水渦輪的作用，螺旋槳被周邊高速流動(dòng)的水帶動(dòng)而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，當(dāng)水流速度達(dá)到一定值時(shí)，受損螺旋槳轉(zhuǎn)速接近200 r/min導(dǎo)致不平衡力過大，推進(jìn)器產(chǎn)生劇烈振動(dòng)。

5 事故預(yù)防及處理

（1）極地天氣變化極快，有時(shí)在數(shù)小時(shí)內(nèi)即可生成極地氣旋，風(fēng)速常常達(dá)到50 m/s以上的超級(jí)強(qiáng)度;極地海域的濃霧生成快、濃度大，能見度極低，對(duì)極地航行船舶的駕駛臺(tái)值班人員的要求非常高，稍有疏忽就可能發(fā)生重大事故。加強(qiáng)值班必須采取有強(qiáng)有力的監(jiān)督手段，在避風(fēng)前也應(yīng)要求值班駕駛員加強(qiáng)瞭望，建議采取不定期巡查、視頻監(jiān)控等手段確保當(dāng)班人員有效瞭望。

（2）在使用DP時(shí)，如遇到疑似撞上浮冰的情況，要立即取消DP功能，改為手動(dòng)操作，避免DP系統(tǒng)自動(dòng)輸出動(dòng)力來抵抗浮冰而損傷船舶。本案例中，從撞上浮冰到取消DP功能時(shí)隔近20 min，在此期間主推進(jìn)系統(tǒng)一直在輸出多出正常功率 kW左右的功在克服浮冰的外力。這是造成螺旋槳受損的直接原因。

（3）接通受損推進(jìn)器電源，恢復(fù)推進(jìn)器正常功能，但要將操縱手柄放到“零”位。當(dāng)周邊水流速度由于水渦輪作用欲帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)，利用推進(jìn)器的“懸?！惫δ埽３致菪龢戕D(zhuǎn)速不變。此時(shí)應(yīng)注意逆流水流流速及對(duì)船速的控制，輸出功率不可超過推進(jìn)器“懸?！睍r(shí)所能克服的最大功率。

6 結(jié) 語

隨著科研精度要求的提升，擁有全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器及DP功能的船舶已成為極地科考船的必備條件。然而這種船舶因起步較晚，管理不夠成熟，船舶管理人員應(yīng)充分考慮到極區(qū)航行的特殊性，做好各種預(yù)防方案和應(yīng)急預(yù)案，確保科考船的安全航行及各項(xiàng)科考工作的順利完成。