極地船舶舾裝設(shè)備國(guó)產(chǎn)化技術(shù)現(xiàn)狀與展望

張海瑛 湯霄揚(yáng) 閆鳳超 陳 鵬

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

0 引 言

南北兩極是人類目前正在逐步探索研究的區(qū)域。南極由于地理環(huán)境、人員稀少等因素，目前以夏季科學(xué)考察和捕撈為主要研究發(fā)展方向；對(duì)于冬季極夜情況，國(guó)內(nèi)由于沒有相應(yīng)的裝備在南極海域開展研究，因此還未深入開展。北極航道極具商業(yè)價(jià)值，而且能源豐富，越來越多的航運(yùn)公司已經(jīng)在夏季開始利用北極航道；在冬季極夜環(huán)境下，國(guó)外也有部分船舶可以滿足北極冬季航行要求，而國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域仍需進(jìn)一步加強(qiáng)研究。

吳剛[1]從“雪龍2”號(hào)研制談中國(guó)極地裝備發(fā)展，系統(tǒng)介紹“雪龍2”號(hào)的研制過程，指出國(guó)內(nèi)還缺乏高冰級(jí)核心設(shè)備的基礎(chǔ)攻關(guān)和示范應(yīng)用。余麗等[2]在極地裝備關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)研究進(jìn)展綜述中，對(duì)于防冰除冰和加熱技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行闡述。黃維等[3]分析了“雪龍2”號(hào)極地科考破冰船設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對(duì)于PC3 級(jí)冰區(qū)要求船舶以及舾裝設(shè)計(jì)進(jìn)行歸納和總結(jié)。

舾裝設(shè)備零部件涉及金屬材料、非金屬材料、液壓系統(tǒng)和電氣元器件等。極地船舶舾裝設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)在于上述材料及元器件的低溫適應(yīng)性設(shè)計(jì)。本文主要針對(duì)救生設(shè)備、甲板機(jī)械和操縱設(shè)備這3 個(gè)主要存放于露天區(qū)域或與冰載荷相關(guān)的設(shè)備，從規(guī)范及目前現(xiàn)狀進(jìn)行分析，探索高冰級(jí)舾裝設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的研制展望。

1 救生設(shè)備

救生設(shè)備是船舶發(fā)生棄船等重大危險(xiǎn)時(shí)，幫助船員生存的必要設(shè)備。根據(jù)《國(guó)際極地水域營(yíng)運(yùn)船舶規(guī)則》要求，救生艇筏及集合和登乘布置需要考慮緊急情況下可能出現(xiàn)的惡劣環(huán)境條件[4]。中國(guó)船級(jí)社《鋼制海船入級(jí)規(guī)范》要求救生設(shè)備需在設(shè)計(jì)服務(wù)溫度（design service temperature, DST）下可以操作和使用[5]。對(duì)于滿足高冰級(jí)（如PC1）要求的船舶，救生設(shè)備（尤其是救生艇和艇架等）需要滿足規(guī)范要求。圖1 為“雪龍2”號(hào)的救生艇及艇架。

圖1 “雪龍2”號(hào)救生艇及艇架

設(shè)計(jì)服務(wù)溫度的確定是先根據(jù)預(yù)定海域近10年的環(huán)境溫度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得到該海域基于10年周期的每日最低氣溫平均值曲線；進(jìn)而得到1年中溫度最低的日均低溫；然后將最低日均低溫減去10 ℃便得到設(shè)計(jì)服務(wù)溫度。

船舶在夏季航行于極地，如“雪龍2”號(hào)，設(shè)計(jì)服務(wù)溫度取值為-30 ℃[3]；船舶在冬季航行于極地，如凝析油輪，設(shè)計(jì)服務(wù)溫度取值為-50 ℃。

對(duì)于極地低溫，救生艇及救助艇的發(fā)動(dòng)機(jī)需要在設(shè)計(jì)服務(wù)溫度下2 min 內(nèi)能啟動(dòng)，燃油、冷卻、潤(rùn)滑等系統(tǒng)在設(shè)計(jì)服務(wù)溫度下操作。若溫度低至-50 ℃，救生艇主機(jī)、燃油、潤(rùn)滑、冷卻系統(tǒng)均需要抗低溫或者有保溫措施，以滿足極地要求。在救生艇釋放裝置區(qū)域，需要提供加熱系統(tǒng)，防止釋放裝置和艇由于結(jié)冰而導(dǎo)致系統(tǒng)失效。就艇自身系統(tǒng)設(shè)計(jì)和材料而言，我國(guó)與國(guó)外水平相當(dāng)。

救生艇及救助艇降放設(shè)備的電機(jī)、液壓零部件、吊鉤零部件等需在設(shè)計(jì)服務(wù)溫度下可正常工作，目前一般采用保護(hù)罩并采取適當(dāng)?shù)募訜岽胧?，以確保設(shè)備不被凍壞。對(duì)于設(shè)備的組成部件而言，由于采取了保護(hù)罩附加加熱裝置，故部件自身無需使用特殊材料來抵抗低溫，只需在低溫實(shí)驗(yàn)室設(shè)置相應(yīng)的低溫工況測(cè)試保溫設(shè)計(jì)是否有效即可，國(guó)產(chǎn)化較易實(shí)現(xiàn)。雖然國(guó)內(nèi)部分救生艇及艇架制造商所交付的產(chǎn)品符合設(shè)計(jì)服務(wù)溫度-50 ℃，但是國(guó)內(nèi)還未完全形成整個(gè)救生設(shè)備的防寒體系，仍需要從規(guī)范層面、產(chǎn)品認(rèn)證到產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化配套等方面進(jìn)行整體研究，真正實(shí)現(xiàn)完全國(guó)產(chǎn)化。目前，就降放設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)和材料而言，我國(guó)與國(guó)外水平相當(dāng)。

2 甲板機(jī)械

甲板機(jī)械是安裝在船舶甲板上的機(jī)械設(shè)備，主要包含舵機(jī)、錨絞機(jī)和起重機(jī)等設(shè)備，可保證船舶正常航行及船舶停靠碼頭、裝卸貨物等功能。

2.1 舵機(jī)

在極地船舶指南[6]及其他主流船級(jí)社（如英國(guó)勞氏船級(jí)社和挪威船級(jí)社）的規(guī)范中，根據(jù)冰級(jí)不同，舵機(jī)扭矩需要設(shè)置放大系數(shù)，舵機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)冰級(jí)要求進(jìn)行加大，并需設(shè)置扭矩釋放措施保護(hù)轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)。在規(guī)定的轉(zhuǎn)舵速度下，液壓系統(tǒng)需要設(shè)置泄放閥等設(shè)施，保護(hù)舵機(jī)液壓系統(tǒng)安全。另外，規(guī)范中還要求舵機(jī)動(dòng)力單元附近設(shè)置永久的電加熱裝置。選用大功率舵機(jī)可解決其扭矩增加的問題。舵機(jī)本身設(shè)置在舵機(jī)艙內(nèi)，屬于室內(nèi)環(huán)境，液壓動(dòng)力系統(tǒng)及電氣元器件不需要額外考慮抗低溫措施，因此關(guān)于低溫防護(hù)部分的要求與常規(guī)船舶舵機(jī)相同。國(guó)產(chǎn)化方面，舵機(jī)自身的結(jié)構(gòu)和機(jī)械組件均可在國(guó)內(nèi)自主生產(chǎn)，但是大型鑄鋼件質(zhì)量不穩(wěn)定；涉及密封和控制系統(tǒng)的可靠性，需要與國(guó)內(nèi)知名品牌開展進(jìn)一步合作，提高舵機(jī)的整體可靠性。舵機(jī)進(jìn)口及國(guó)產(chǎn)零部件性能指標(biāo)對(duì)比見表1。

表1 舵機(jī)國(guó)內(nèi)外性能對(duì)比

2.2 錨絞機(jī)

錨絞機(jī)在常規(guī)船舶設(shè)計(jì)中既可露天存放，也可布置在有圍壁或者半圍壁甲板區(qū)域內(nèi)。在極地船舶指南[6]中，考慮到甲板上的錨絞機(jī)會(huì)由于海水飛濺而凍結(jié)，需要加熱或者布置在遮蔽區(qū)域內(nèi)。如果錨絞機(jī)露天存放，應(yīng)盡可能在駕駛室設(shè)置應(yīng)急釋放裝置，這主要是對(duì)于操作人員的保護(hù)，在中國(guó)船級(jí)社《鋼制海船入級(jí)規(guī)范》中也有類似要求。由此可見，錨絞機(jī)的設(shè)置既需要考慮設(shè)備自身的防寒要求，也需要考慮船員在低溫環(huán)境下安全操作的因素。

（1）錨絞機(jī)設(shè)置在有圍壁區(qū)域

中國(guó)建造的“雪龍2”號(hào)、極地重載甲板運(yùn)輸船和極地凝析油輪均將錨絞機(jī)設(shè)置在有圍壁的艏部艙室，圖2 為“雪龍2”號(hào)艏部示意圖。這樣設(shè)置不僅可以大幅度降低對(duì)于錨絞機(jī)的低溫要求，也增加了錨絞機(jī)的可靠性和人員操作安全性。

圖2 “雪龍2”號(hào)艏部示意圖

（2）錨絞機(jī)設(shè)置在露天區(qū)域

俄羅斯的新北極號(hào)便采用此方式（見圖3），但這對(duì)于錨絞機(jī)本身的抗低溫能力要求更高。

圖3 新北極號(hào)艏部錨泊區(qū)域

錨絞機(jī)設(shè)置在露天區(qū)域，對(duì)于高冰級(jí)的船舶而言，設(shè)計(jì)服務(wù)溫度可低至-50 ℃，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要采取相應(yīng)的低溫設(shè)計(jì)或者采用合適的保溫措施對(duì)錨絞機(jī)進(jìn)行整體保護(hù)。對(duì)于電動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)的錨絞機(jī),由于動(dòng)力單元液壓泵站可存放在遮蔽區(qū)域，相應(yīng)的環(huán)境溫度可適當(dāng)提高，因此主要考慮核心液壓元器件低溫啟動(dòng)及關(guān)鍵部件與系統(tǒng)防寒設(shè)計(jì)[7]等方面。對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的錨絞機(jī)，其動(dòng)力單元電機(jī)與設(shè)備本體相連，且從中國(guó)出發(fā)到南極的船舶先經(jīng)過熱帶海區(qū)，然后再到達(dá)南極區(qū)域，故溫差梯度大。因此, 研制能適應(yīng)大溫差且耐低溫的電動(dòng)機(jī)及耐低溫元器件非常重要。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)低溫電動(dòng)液壓錨絞機(jī)進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)，但是對(duì)于低溫電動(dòng)錨絞機(jī)還需要開展進(jìn)一步研究。對(duì)于極地環(huán)境而言，電動(dòng)錨絞機(jī)較液壓錨絞機(jī)更綠色環(huán)保且無液壓油泄漏等問題，在極地環(huán)境中使用，更能凸顯其優(yōu)點(diǎn)。另外，雖然電動(dòng)液壓錨絞機(jī)進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)，但仍需要經(jīng)過實(shí)船驗(yàn)證，從而形成極地航行船舶錨絞機(jī)的防寒體系，推動(dòng)低溫基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，才能真正實(shí)現(xiàn)低溫甲板機(jī)械從設(shè)備研制到交船后全壽命使用的完整體系，實(shí)現(xiàn)真正的國(guó)產(chǎn)化。系泊絞車與錨絞機(jī)處于相同工作環(huán)境，與錨絞機(jī)要求相似，此處不再贅述。錨絞機(jī)進(jìn)口及國(guó)產(chǎn)零部件參數(shù)對(duì)比見表2。

表2 錨絞機(jī)國(guó)內(nèi)外參數(shù)對(duì)比 ℃

2.3 起重機(jī)

起重機(jī)通常設(shè)置在露天甲板區(qū)域，需滿足設(shè)計(jì)服務(wù)溫度的要求。中國(guó)船級(jí)社《鋼制海船入級(jí)規(guī)范》中，對(duì)于露天的起重機(jī)要求操控室內(nèi)部應(yīng)提供空間加熱，操縱室窗戶應(yīng)提供加熱裝置防止結(jié)冰；甲板起重機(jī)在低溫環(huán)境下發(fā)生積冰時(shí)，起重機(jī)能在放置和操作狀態(tài)承受積冰質(zhì)量，基座與支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受上述積冰質(zhì)量；露天的起重機(jī)應(yīng)在設(shè)計(jì)服務(wù)溫度下進(jìn)行冷啟動(dòng)，需配備合適的潤(rùn)滑油、油脂和液壓油的循環(huán)設(shè)施和沖洗系統(tǒng)。對(duì)應(yīng)到起重機(jī)本身，需要考慮增加額外的冰載荷，鋼材選用低溫鋼材，潤(rùn)滑系統(tǒng)需要滿足低溫要求。

露天甲板起重機(jī)通常采用電動(dòng)液壓形式，由機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成。機(jī)械系統(tǒng)由筒體、塔身、吊臂、潤(rùn)滑和絞車系統(tǒng)組成；液壓系統(tǒng)分為液壓動(dòng)力單元、臂架液壓系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)和絞車液壓系統(tǒng)；電控系統(tǒng)由啟動(dòng)箱、控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、監(jiān)控及檢測(cè)系統(tǒng)組成。

在極地低溫環(huán)境下，對(duì)于起重機(jī)的液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)及外部結(jié)構(gòu)，均需要進(jìn)行防冰防凍保護(hù)。具體措施為：主要結(jié)構(gòu)增加防護(hù)罩及電熱絲，避免結(jié)冰；起升絞車采取增加防護(hù)罩措施，避免因雨雪或者海水的接觸而導(dǎo)致結(jié)冰等。

在啟動(dòng)狀態(tài)下，起重機(jī)通過合適的加熱保溫措施才能正常工作，否則會(huì)由于露天區(qū)域液壓油溫度低，出現(xiàn)使用卡頓及異響現(xiàn)象；在作業(yè)狀態(tài)下，起重機(jī)馬達(dá)等本身會(huì)產(chǎn)生熱量；在非作業(yè)狀態(tài)下，關(guān)鍵液壓及控制系統(tǒng)零部件低溫保護(hù)及選型需要進(jìn)行深入研究，并進(jìn)行低溫試驗(yàn)驗(yàn)證。另外，還需要關(guān)注密封件如耐低溫橡膠或樹脂材料的合理選用；若選用不當(dāng)，會(huì)造成液壓油泄漏，污染極地水域。

經(jīng)過上述分析，液壓系統(tǒng)元器件（如油泵、馬達(dá)、閥件和油缸等）需要進(jìn)行低溫性能試驗(yàn)，尤其是當(dāng)選取設(shè)計(jì)服務(wù)溫度為-50 ℃時(shí)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)知名品牌的配套能力還需要進(jìn)一步提高，滿足極地使用需求?；蛘?，若設(shè)備選型采用普通形式，對(duì)于設(shè)備采取保溫設(shè)計(jì)，避免直接裸露在空氣中，也可作為嘗試的方向。國(guó)產(chǎn)化方面，電液式起重機(jī)由于系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單且低溫實(shí)現(xiàn)可行性高，目前已經(jīng)有國(guó)內(nèi)單位進(jìn)行研究并交付產(chǎn)品。

電動(dòng)起重機(jī)在較小安全工作負(fù)荷的起重機(jī)上應(yīng)用較多。電動(dòng)起重機(jī)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，較液壓起重機(jī)更加環(huán)保，適合在極地使用。但是由于低溫大功率電機(jī)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額較小，僅北歐一些國(guó)家可提供滿足此要求的電機(jī)，因此對(duì)于電動(dòng)液壓起重機(jī)而言，大功率低溫電機(jī)是需要重點(diǎn)突破的領(lǐng)域。

極地凝析油輪甲板上配備的可變幅油管吊（見圖4），采用電動(dòng)液壓形式，設(shè)計(jì)服務(wù)溫度為 -50 ℃且經(jīng)過低溫試驗(yàn)驗(yàn)證，但其中還有一部分關(guān)鍵零部件（比如大功率低溫電機(jī)、液壓元器件等）選用進(jìn)口產(chǎn)品。

圖4 凝析油輪甲板油管吊

因此，不論電液驅(qū)動(dòng)還是電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的低溫起重機(jī)，若要達(dá)到設(shè)備自主可控，關(guān)鍵零部件需國(guó)產(chǎn)化。

在頂層規(guī)劃方面，需要開展體系研究，包括設(shè)計(jì)、主要零部件、驗(yàn)收等形成標(biāo)準(zhǔn)體系，推動(dòng)低溫起重機(jī)國(guó)產(chǎn)化。起重機(jī)進(jìn)口及國(guó)產(chǎn)零部件具體參數(shù)對(duì)比見表3。

表3 起重機(jī)國(guó)內(nèi)外參數(shù)對(duì)比 ℃

3 操縱設(shè)備

船舶在冰況海域中航行，航速一般較低，但對(duì)于操縱性要求較高，側(cè)推器可以顯著改善船舶在低速航行、停航或者倒航時(shí)的操縱性。但對(duì)于艏部側(cè)推器而言，艏部區(qū)域在浮冰區(qū)作業(yè)過程中，有一定的概率浮冰會(huì)進(jìn)入側(cè)推隧道，導(dǎo)致螺旋槳槳葉被浮冰損壞；也存在碎冰覆蓋在格柵區(qū)域，導(dǎo)致海水不能順暢地進(jìn)入格柵槽道內(nèi)。因此，在極地船舶指南中，要求盡量避免在冰中使用艏側(cè)推，若必須使用，則建議采取措施以避免艏側(cè)推失效[6]。

極地船舶采用側(cè)推，需要考慮側(cè)推自身的強(qiáng)度，可采用高強(qiáng)度的材料（比如不銹鋼）替代常用的銅合金材料。所有的結(jié)構(gòu)件及緊固件（比如漿轂、漿帽、螺旋槳軸、齒輪箱、法蘭和連接螺栓等）均需要考慮冰載荷的工況（具體見圖5），還需要考慮密封等材料在冰載荷的沖擊下系統(tǒng)低溫可靠性。

圖5 極區(qū)側(cè)推設(shè)計(jì)示意圖

此外，側(cè)推隧道在浮冰區(qū)不推薦設(shè)置，否則碎冰覆蓋在格柵區(qū)域，造成進(jìn)水不暢，導(dǎo)致側(cè)推損壞。側(cè)推封蓋在極地也不推薦使用，艏部破冰區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要承受較大冰載荷，側(cè)推封蓋位于該區(qū)域，因此也需要承受較大冰載荷，會(huì)導(dǎo)致側(cè)推封蓋整個(gè)系統(tǒng)承受大的沖擊載荷，設(shè)備活動(dòng)及密封部件選型困難，大幅度降低設(shè)備可靠性。

極地航行的高冰級(jí)船舶，較少采用艏側(cè)推裝置。不過，也有部分船舶采用艏側(cè)推，比如極地重載甲板運(yùn)輸船以及澳大利亞科考船Nuyina 號(hào)等，均在艏部安裝了滿足冰級(jí)要求的艏側(cè)推。但是，這些艏側(cè)推全部為進(jìn)口產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)還未開發(fā)出滿足冰級(jí)要求的側(cè)推?；趪?guó)內(nèi)目前的工業(yè)水平，我國(guó)正在逐步提升側(cè)推設(shè)計(jì)加工能力和螺旋槳本體設(shè)計(jì)建造能力，且國(guó)內(nèi)已有能生產(chǎn)不銹鋼材質(zhì)主推的設(shè)備商。因此，槳葉建造能力基本具備，但還需要在密封低溫和常溫交替及浮冰撞擊下，對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的密封性能和緊固部件在低溫情況下浮冰撞擊引起的強(qiáng)度和疲勞等方面進(jìn)行研究，防止?jié)櫥秃鸵簤河托孤┪廴灸媳睒O海域，以滿足冰區(qū)環(huán)保要求。艏側(cè)推進(jìn)口及國(guó)產(chǎn)零部件主要性能對(duì)比見表4。

表4 艏側(cè)推國(guó)內(nèi)外主要性能對(duì)比

4 結(jié) 語

通過對(duì)露天區(qū)域設(shè)備、救生艇及艇架、甲板機(jī)械及受冰載荷影響較大的舵機(jī)和側(cè)推裝置在規(guī)范中的要求及國(guó)內(nèi)外高冰級(jí)船舶的設(shè)備配置情況分析，可以得出：若要確保極區(qū)設(shè)備的可靠性，上述設(shè)備必須實(shí)現(xiàn)真正的國(guó)產(chǎn)化能力體系，包括從規(guī)范要求到研發(fā)、試驗(yàn)、驗(yàn)收和全壽命維護(hù)修理，其中的耐低溫電動(dòng)機(jī)、耐低溫電氣元器件和耐低溫密封件等關(guān)鍵零部件的研制尤需進(jìn)一步加強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)完全自主可控。