極地冰區(qū)船舶海水門防寒技術(shù)研究

陳彥臻 濮 駿 劉志兵 李 華

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011；2.中國船級社江蘇分社 南京 210011）

0 引 言

極地擁有著豐富的資源，且尚未被深入探索開發(fā)，是當前眾多學科領(lǐng)域的重點研究對象。但是考慮到極地區(qū)域存在著低溫、浮冰等惡劣環(huán)境，能適應冰區(qū)航行的船舶已成為人類通往極地寶庫的重要手段之一。與普通水域不同，冰區(qū)航行通常航速較慢，不僅要面對大量冰水混合物，還要考慮攜帶破冰設備、提高船舶動力、強化船體材料及工藝，以及克服特殊的環(huán)境溫度對船舶系統(tǒng)、露天系統(tǒng)和艙室系統(tǒng)造成的影響。這也就使得防寒設計成為了保障船舶在極地冰區(qū)正常航行的關(guān)鍵課題之一[1]。

海水門（海水箱）處于海水進口位置，作為全船海水的源頭，是消防、冷卻水等系統(tǒng)的重要組成部分，如圖1所示。由于極地冰區(qū)航道中存在大量海冰，海水門被堵塞的風險將大大增加。體積較大的冰塊在海水門進口格柵附近會形成大量碎冰。這些細小的冰塊通過海水管系進入到濾器中，大量堆積形成冰塞。這將導致冷卻水系統(tǒng)無法提供足夠的海水到中央冷卻器中進行冷卻，從而引發(fā)高溫報警，使主機和發(fā)電機組無法正常工作，最終造成嚴重后果（如全船失電、動力系統(tǒng)癱瘓、船舶擱淺或失控等海上事故）。因此，在冰區(qū)航行船舶的輪機設計中，海水門的防寒技術(shù)是確保船舶航行安全、穩(wěn)定的特殊要求之一。但是從現(xiàn)有研究情況來看，對于冰區(qū)海水門的防寒設計尚缺少足夠的技術(shù)經(jīng)驗。

圖1 常規(guī)冷卻水系統(tǒng)

1 相關(guān)規(guī)范要求

針對冰區(qū)航行的特殊環(huán)境，國際海事組織IMO 制定了一系列公約、規(guī)則和規(guī)范，構(gòu)成了“極地規(guī)則”，從而在保證極地船舶航行安全的同時，盡可能降低對極地生態(tài)環(huán)境的破壞，以實現(xiàn)可持續(xù)的極地航運發(fā)展。極地規(guī)則主要包含兩個方面的要求：安全和環(huán)保。其中針對極地航行船舶新增的安全措施要求，主要體現(xiàn)在《國際海上人命安全公約》（SOLAS）和STCW 公約。對于防污染方面，則是通過修正《防止船舶造成污染公約》（MARPOL）中部分相關(guān)附則（I、II、IV、V）來實施。國際船級社協(xié)會（IACS）也為極地冰區(qū)航行的船舶提出了統(tǒng)一標準[2]，并采用7 個極地級（PC1-PC7）對極地船舶所能適應的冰級進行分類，如表1所示。

表1 IACS 極地船舶冰級分類標準

續(xù)表1

為了保證船舶在極地冰區(qū)正常運行，海水門保持暢通至關(guān)重要，因此，各個船級社（如CCS、LR、ABS 和DNV 等）都針對冰區(qū)船舶海水門的設計與建造提出了具體的規(guī)范要求[3-6]。

考慮到CCS 規(guī)范中，不僅包含了船型規(guī)范、冰級規(guī)范和防寒規(guī)范3 個部分，并且結(jié)合相關(guān)國家規(guī)則（如NSR、ASPPR 等）以及極地規(guī)則，編制了具有技術(shù)指導意義的“極地船舶指南”。本文重點針對CCS 規(guī)范中針對冰區(qū)海水門（冰水箱）的要求進行介紹，如表2所示。

表2 冰區(qū)海水門CCS 規(guī)范要求

總體而言，對于冰區(qū)海水門的規(guī)范要求，主要從以下4 個方面進行防范約束：

（1）考慮足夠的海水門容積。在極地冰區(qū)航行時，冰水環(huán)境會造成額外的沖擊，增大推進系統(tǒng)的工作負荷。這也就要求冷卻水系統(tǒng)更加完備、強大，以滿足更高功率下的冷卻需求，防止形成過熱，損傷設備。因此，提供足夠量的冷卻海水是順利通過冰區(qū)的前提條件之一。

（2）避免冰塞的防護措施。一方面，選擇合適的海水門位置，確保海水交換的順暢；另一方面，通過多種物理方法，如密度差、流量控制、調(diào)節(jié)溫度、隔離攔截和加熱消融等，進一步降低海冰堵塞冷卻水系統(tǒng)的風險。

（3）完善輔助裝置。不僅配備相關(guān)清潔設備，避免其他雜物通過海水門造成堵塞，還應設立帶截止閥的透氣管，并確保透氣管頭通暢。

（4）準備充足的備用應急設備。由于航行時間長、冰區(qū)環(huán)境惡劣、工作負荷大，發(fā)生系統(tǒng)設備故障的概率可能會更大。備用應急設備則可以提高航行中的容錯率。在系統(tǒng)設備出現(xiàn)損壞后，仍能維持船舶抵達目的地。除了傳統(tǒng)機械設備以外，還可包括設置應急海水艙。

2 防寒技術(shù)與設計方案

2.1 防寒技術(shù)分類

為了滿足規(guī)范要求，當前針對冰區(qū)海水門的防寒技術(shù)，主要可以分為結(jié)構(gòu)設計、構(gòu)造布置和輔助加熱3 大類，如圖2所示。

圖2 冰區(qū)海水門防寒技術(shù)

對于結(jié)構(gòu)設計類的防寒技術(shù)，主要是通過對進口格柵結(jié)構(gòu)的改進，優(yōu)化其作為過濾網(wǎng)的效果，并在海水門第一道防線處阻擋體積較大海冰，盡可能地減少進入海水門的海冰體積與數(shù)量。傳統(tǒng)海水門格柵[7-8]與冰區(qū)海水門格柵[9]對比如圖3、圖4所示。

圖3 傳統(tǒng)海水門格柵

圖4 冰區(qū)海水門格柵

從中可以看出，與傳統(tǒng)海水門格柵相比，冰區(qū)海水門格柵有更大的凈流通面積，開孔更大，且在格柵孔的邊緣進行了倒圓處理，以防止形成應力集中。此外，采用螺栓固定的嵌入式格柵代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉸鏈式格柵，可以避免突出船體外板部分被海冰撞壞。

對于構(gòu)造布置類的防寒技術(shù)，一方面應盡可能加大海水門頂部的高度，還應盡可能增加海水門容積，以確保提供足夠的用量，減緩冰水混合物的流速，有助于浮冰的分離；另一方面，通過在海水門內(nèi)設立不同的隔離結(jié)構(gòu)，如擋板、圍堰等，可實現(xiàn)冰水混合物流向的改變，促進流動過程中浮冰的自動分離。人工通道（人孔）的設計主要是為了在特殊情況下進行手動除冰。

此外，通過對冷卻水系統(tǒng)管路的合理布置，不僅可以將冷卻水吸入口保持在浮冰下方，避免進水管吸入海冰，還可以循環(huán)利用冷卻海水，對海水艙內(nèi)的水溫進行調(diào)控，如冷卻海水回注。冷卻海水進入海水總管后，被送往不同系統(tǒng)的冷卻器中，當經(jīng)歷完熱交換后，海水溫度升高。此時，再通過循環(huán)連接管路回流到海水門，其余熱可以維持海水門內(nèi)的海水在一定的溫度范圍，確保不結(jié)冰。

對于輔助除冰類的防寒技術(shù)，主要可以分為加熱措施和吹除措施。加熱措施是利用不同的熱源，在海水門中額外設立相應的加熱管路或設備，有針對性地對某個區(qū)域（如頂部碎冰集中區(qū)域）的碎冰或浮冰進行消融；吹除措施則是依托于合適壓力等級的壓縮空氣。因此，該類防寒技術(shù)通常采用熱水回注/加熱、壓縮空氣吹除、蒸汽吹除/加熱以及盤管加熱等措施。

2.2 防寒設計方案對比

為克服單一防寒技術(shù)的局限性，確保防寒效果的可靠性，上述相關(guān)防寒技術(shù)通常是以復合方案的形式被廣泛應用于冰區(qū)海水門的設計中，以最大程度降低冰塞風險。本文針對4 種具有代表性的設計方案進行了分析。

2.2.1 方案一

該方案對冰區(qū)海水門的布置如圖5所示。其中的海水箱和海水艙均設有透氣管和回流管路，并通過攜帶濾器的管路進行連接。在海水門的進口格柵/ 開孔/開槽附近設有蒸汽裝置來吹除部分可能吸入的碎冰，但效果有限，故常用于格柵上附著物的清理。海水門和冷卻海水吸入口都處于較低位置，盡量保持在浮冰下方，避免吸入碎冰。

圖5 海水門布置示意圖（方案一）

但是，該設計方案沒有很好地解決碎冰/浮冰堵塞的問題。一方面，由于頂部高度不夠高，大量浮冰聚集，故僅靠回流很難及時消融；另一方面，碎冰在上浮過程中容易被吸入海水箱和海水艙的連接管路，從而堵塞海水濾器。因此，該海水門內(nèi)需要設置高度低于水線的圍堰或者高度高于水線的擋板，以便更好地分離碎冰，避免“冰塞”發(fā)生。此外，還應設置人孔蓋，確?？扇斯みM行手動清除。

2.2.2 方案二

該方案展示了某海水冷卻系統(tǒng)[9]中的海水門布置，如圖6所示。

圖6 海水門布置示意圖（方案二）

方案二與方案一有著很多相似之處，如都是通過攜帶有海水濾器的海水總管連接海水箱和海水艙等。其特點在于管路相對簡單，可以節(jié)省出艙室空間，用于燃油日用箱和燃油深艙等的布置。頂部設置了人孔蓋，并且處于底部的海水門進水口直接連通頂部主甲板，為分離頂部浮冰提供了足夠的高度。這是利用密度差的原理，使進入海底門后密度小于海水的浮冰，被直接引入頂部碎冰聚集區(qū)域。但是，由于海水總管的吸入口布置在冰水混合物的上升途中，且未采取有效保護措施，故大大增加了直接吸入碎冰的風險，從而造成濾器堵塞。此外，該方案缺少除冰回路來消融頂部的碎冰，也無調(diào)控艙內(nèi)水溫。

2.2.3 方案三

該方案中的海水門布置，如下頁圖7所示。

圖7 海水門布置示意圖（方案三）

與前兩種方案的不同之處在于，該海水門采用垂直的圍堰板將海水管吸入口與海水進口格柵分隔，使碎冰浮于上層而不被海水泵吸入，解決了海水吸入管阻塞問題。該海水門配備了應急管路，將冷卻水系統(tǒng)與壓載水艙相連接，使壓載水艙可作為冷卻水的備用來源，循環(huán)使用壓載水進行內(nèi)循環(huán)冷卻，但僅限在短時間內(nèi)應急使用，否則會因壓載水溫度升高而導致艙壁結(jié)構(gòu)腐蝕。此外，該海水門設立了冷卻水回注，但僅通往海水進口位置，降低了除冰效果。因此，該海水門的布置比較復雜，且未設人孔蓋，需考慮額外的人工措施用于排除冰塞。

2.2.4 方案四

該方案中的海水門設計（如圖8所示）是由典型冰海水門結(jié)構(gòu)[10]演變而來，且比較全面地結(jié)合了多種防寒技術(shù)。在舷側(cè)板上的開口處，設有進口格柵/開孔/開槽，形成過濾冰水混合物的第一道防線。冷卻海水進水管的吸入口處于較低位置，海水門頂部則盡可能高，以聚集碎冰。人孔蓋設在水線以上，接近頂部碎冰集聚區(qū)，方便進行人工清理。海水門內(nèi)裝有擋水板，用于改變冰水混合物的流向，使得過濾后的海水優(yōu)先集中在海水門底端。該海水門中還將再循環(huán)冷卻水分別通往底部和頂部，不僅對冷卻海水進水管的吸入口進行溫控，還對碎冰積聚的區(qū)域進行融冰。此外，頂部的多孔管還可以連通蒸汽管路進一步吹除/加熱。若配有應急海水艙或應急海水來源（如壓載水），將進一步提高該方案的防寒可靠性，更適用于高冰級船舶。

圖8 海水門布置示意圖（方案四）

3 結(jié) 語

海水門雖然只是整個輪機設計中很小的一部分，但卻是維持船舶系統(tǒng)在極地冰區(qū)航行中正常穩(wěn)定運行的關(guān)鍵之一。本文針對冰區(qū)海水門，介紹了部分規(guī)范要求，并通過對現(xiàn)有防寒技術(shù)以及4 個防寒設計方案所作的分析，突出了冰區(qū)海水門在防寒方面獨有的一些技術(shù)要點，主要體現(xiàn)在：有效減少碎冰的吸入量；改變內(nèi)部流向，隔離浮冰；設計加熱融冰方案；需配備人工手動除冰等。希望本文的內(nèi)容能為極地船舶在該領(lǐng)域的研究提供更多的技術(shù)經(jīng)驗。

目前，我國針對極地船舶的相關(guān)研究與先進國家相比還存在差距。除了考慮上述關(guān)注的一些防寒技術(shù)應用與優(yōu)化外，還可以針對附件、管路和閥的材料、工藝、具體選型計算以及冰水沖擊下的結(jié)構(gòu)強度等領(lǐng)域，對冰區(qū)海水門進行更全面的研究，從而努力響應極地航運發(fā)展的戰(zhàn)略需求，也為今后極地船舶的防寒技術(shù)積累寶貴經(jīng)驗。