陸 忠 杰

（中海油田服務(wù)股份有限公司，北京 101149）

0 引 言

為保障海上平臺(tái)設(shè)施的正常生產(chǎn)作業(yè)不受海冰的破壞性影響，船舶需要長(zhǎng)時(shí)間在海上設(shè)施周圍進(jìn)行破冰作業(yè)及靠泊平臺(tái)進(jìn)行物料供給和人員接送等。如船舶的海水箱及海水冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)使船舶在破冰和冰區(qū)作業(yè)時(shí)出現(xiàn)海底門濾器堵塞，使船舶設(shè)備的冷卻海水中斷，主副機(jī)等動(dòng)力設(shè)備停機(jī)，造成船舶處于無(wú)動(dòng)力漂浮的危險(xiǎn)狀態(tài)。嚴(yán)重時(shí)，甚至出現(xiàn)海上設(shè)施受大量浮冰擠壓而傾覆的危險(xiǎn)，以及物料供應(yīng)延時(shí)造成海上設(shè)施停產(chǎn)。

1 海水箱規(guī)范要求

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社的《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范》[1]以及《芬蘭－瑞典冰級(jí)規(guī)則》[2]的要求，對(duì)于航行于冰區(qū)船舶的海水箱，規(guī)范要求如下：

1)海水箱應(yīng)有適當(dāng)?shù)姆牢g措施；

2)海水箱的布置應(yīng)避免形成氣囊。如在海水箱頂部裝設(shè)透氣管，應(yīng)在其根部設(shè)截止閥。透氣管的開(kāi)口端應(yīng)高于艙壁甲板或在艙壁甲板附近通至舷外并裝設(shè)船旁截止閥；

3)冷卻水系統(tǒng)應(yīng)確保船舶冰區(qū)航行時(shí)冷卻水的供給，為此，至少有一個(gè)海水箱應(yīng)滿足下列要求：

(1)海水進(jìn)口應(yīng)盡可能布置在中心線后，盡量靠后；

(2)海水箱應(yīng)有足夠大的容積。作為設(shè)計(jì)指南，該海水箱的容積應(yīng)按每 750kW 發(fā)動(dòng)機(jī)功率約配 1m3的海水箱容積。此發(fā)動(dòng)機(jī)功率應(yīng)包括船舶運(yùn)營(yíng)所必需的輔發(fā)動(dòng)機(jī)功率。

功率計(jì)算：PT=PM+PA(1)

式中：PT——發(fā)動(dòng)機(jī)功率，kW； PM――主機(jī)功率，kW； PA――發(fā)電機(jī)功率，kW。

海水箱容積計(jì)算：V=PT/750 m3(2)

(3)海水箱應(yīng)足夠高，以使浮冰處在進(jìn)水管口上方?？砂聪铝泄接?jì)算海水箱的最小高度：

式中：Hmin——海水箱最小高度，m； Vs——海水箱容積，m3；

(4)冷卻水排水管與海水箱之間應(yīng)設(shè)置一根連接管，管子直徑應(yīng)與排水管直徑相同；

(5)海水箱進(jìn)口格柵的通流面積，應(yīng)考慮主機(jī)的冷卻水泵、壓載泵、副機(jī)的冷卻水泵及其他輔助設(shè)備的冷卻水泵的流量和流速，得出所需冷卻水用量的海水冷卻管系的截面積之和，再用格柵的通流面積除以各冷卻管系的截面積之和，應(yīng)滿足大于進(jìn)水管截面積的4倍；

(6)根據(jù)需要，在海水箱上部可設(shè)置融冰加熱盤管；

(7)可設(shè)有利用壓載水作為冷卻水用的設(shè)施，以作為壓載工況下的備用水源，但不應(yīng)作為海水箱的替代裝置。

2 海水箱其他要求

根據(jù)船舶在不同海域使用情況的反饋意見(jiàn)，在滿足規(guī)范的前提下，對(duì)冰區(qū)航行船舶的海水箱設(shè)計(jì)采取下列措施：

1)海底門布置越低越好，使浮冰進(jìn)入海水箱的量越??；2)設(shè)置高位海底門，在進(jìn)入淺水航道時(shí)以減少泥沙進(jìn)入海水冷卻系統(tǒng)；3)海水箱的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮吃水到達(dá)其頂部；4)透氣管伸至主甲板以上；5)采用壓縮空氣或蒸汽對(duì)海水箱的格柵進(jìn)行吹除；6)應(yīng)安裝防海生物裝置和犧牲陽(yáng)極保護(hù)。

3 海水箱結(jié)構(gòu)形式

海水箱的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)實(shí)船的設(shè)計(jì)，分為如下3種形式。

3.1 常規(guī)海水箱

常規(guī)海水箱的海水總管通過(guò)閥門、濾器與海底閥箱直接連接，見(jiàn)圖1。各個(gè)冷卻水泵與海水總管連接，通過(guò)泵與需要冷卻的設(shè)備進(jìn)行冷卻或進(jìn)行壓載，見(jiàn)圖2。

圖1 常規(guī)海水閥箱布置

圖2 常規(guī)海水冷卻系統(tǒng)

該海水箱結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，管系布置容易，可在海水總管上設(shè)置支管取用海水；海水冷卻水直接排放舷外，設(shè)置海水箱的格柵、吹出壓縮空氣等。但使用效果并不理想，進(jìn)入海水箱的浮冰在海水總管濾器和各支管濾器極容易形成浮冰堵塞而影響整個(gè)系統(tǒng)的使用。

采用此類海水箱，在渤海灣冬季作業(yè)仍出現(xiàn)冰塞，經(jīng)過(guò)調(diào)查研究后，采取了如下改進(jìn)措施：

1)冷卻海水回路。原冷卻海水直接排舷外，同時(shí)增加一路管系，使回水直接到海水箱的吸口，冬季利用冷卻水的熱量融化部分浮冰，夏季仍可直接排舷外，取得一定的效果；

2)海水箱格柵。把原格柵的間距加大，以防止較小的浮冰直接在格柵處堵塞，而較大的浮冰不易在格柵處存積且不易堵死格柵的縫隙，從而保證海水能進(jìn)入海水箱；

3)壓縮空氣吹出量。加大管徑從而加大壓縮空氣的吹出量，在短時(shí)間能吹出堵塞在格柵處的浮冰，從而保障海水進(jìn)入海水箱。

3.2 帶海水沉淀箱的海水閥箱

帶海水沉淀箱的海水箱與前所述的海水箱設(shè)計(jì)完全一樣，但各冷卻海水泵不直接在海水總管上抽取冷卻水，而是在船中部設(shè)立一個(gè)與海水總管相連接的獨(dú)立海水沉淀箱，各個(gè)冷卻海水泵及壓載泵從獨(dú)立的海水沉淀箱取用海水，見(jiàn)圖3。

圖3 海水沉淀箱的海水冷卻系統(tǒng)

由于各冷卻海水泵及壓載泵不直接與海水總管相連接，而是從海水沉淀箱取用海水，因此該海底閥箱占用的空間較大，結(jié)構(gòu)和布置比較復(fù)雜。這種形式，在海水箱中能存積部分浮冰，在海水沉淀箱中存積大部分浮冰，由于海水沉淀箱在機(jī)艙中，其熱量也能融化部分浮冰，因而使用效果比較好。

3.3 帶SEA BAY的海水箱

此種海水箱，其結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，海底門一直與主甲板聯(lián)通，海水總管同樣與海水沉淀箱連接，各種冷卻海水泵從海底沉淀箱直接取水冷卻各種設(shè)備。該海水箱，其下部稱為海底門，上部稱為SEA BAY，SEA BAY 與海底門直接相通并直接通往主甲板，在主甲板設(shè)置人孔蓋。由于浮冰的比重約為海水密度的90%，所以進(jìn)入海底門的浮冰，能直接漂浮進(jìn)入SEA BAY區(qū)域。同樣也在船中部設(shè)立海水沉淀箱，用于海水冷卻系統(tǒng)取用海水或壓載水，見(jiàn)圖4。

圖4 SEA BAY的海水冷卻系統(tǒng)

這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：浮冰進(jìn)入海水總管的比例很小，只有極少量進(jìn)入海水沉淀箱，在機(jī)艙區(qū)域，大多數(shù)都能融化而不影響各種冷卻設(shè)備。漂浮在SEA BAY中的浮冰，如果存積較多而不能通過(guò)海水完全融化，可以通過(guò)SEA BAY在主甲板的人孔蓋采取人工撈出浮冰。這樣就能完全避免浮冰對(duì)海水冷卻系統(tǒng)的影響，從而保障全船海水冷卻系統(tǒng)的正常工作。

4 冰塞的應(yīng)急措施

目前，船舶多采用中央淡水冷卻系統(tǒng)，由中央冷卻器向各個(gè)冷卻單元供應(yīng)冷卻淡水，中央淡水冷卻器由海水箱的海水進(jìn)行冷卻。通常設(shè)計(jì)取值為：中央冷卻水的出口溫度常為 36℃，海水進(jìn)口溫度為 32℃。可根據(jù)如下的設(shè)計(jì)公式來(lái)計(jì)算中央冷卻器所需冷卻海水流量：

式中：Qs——海水泵的流量，m3/h；HT——中央冷卻器熱交換總量；K——裕度系數(shù)；ρs——海水密度；Cs——海水比熱； t2——海水冷卻器出口溫度；t1——海水冷卻器進(jìn)口溫度。

可以看出：在正常設(shè)計(jì)工況下， t2- t1的差值：36－32＝4；在冰區(qū)工況下，其海水進(jìn)口溫度在 1℃。其 t2- t1差值：36－1＝35。其海水泵所需流量相差達(dá)8.75倍。以推進(jìn)功率為6000kW的“海洋石油688”船舶為例，其海水冷卻需要的流量設(shè)計(jì)為 300m3/h，但在冰區(qū)工況下，其需要冷卻海水的流量相差為35/4=8.75倍，需要的流量約為300/8.75=34.3m3/h，理論上可滿足熱平衡的計(jì)算要求。

如果海水箱或海水濾器出現(xiàn)堵塞，在主機(jī)冷卻水高溫報(bào)警情況下，可用鉆井水/壓載水艙內(nèi)的淡水替代從海水箱取用海水從而對(duì)中央冷卻器進(jìn)行冷卻。在冰區(qū)工況時(shí)，艙內(nèi)淡水的溫度約為 5℃。由于淡水與海水的比熱相差約為2%，可忽略其影響。根據(jù)上述計(jì)算方式，其 t2- t1差值36－5＝31，與正常設(shè)計(jì)工況 t2-t1的差值36－32＝4相比較，其需要的冷卻水流量相差為31/4＝7.75倍，需要的流量約為300/7.75＝38.7m3/h，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮用一個(gè)或兩個(gè)邊艙或雙層底淡水艙，其艙容約在80～100m3，增設(shè)一個(gè)排量約為40m3/h的淡水冷卻水泵，可滿足中央冷卻器所需的冷卻水量，冷卻回水直接回到冷卻水艙。此應(yīng)急措施，是在海水冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)冰塞，冷卻海水?dāng)嗔鞯那闆r下，臨時(shí)采用艙內(nèi)淡水替代海水進(jìn)行冷卻，清除冰塞，可避免發(fā)生主機(jī)停機(jī)。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，船舶設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)船舶的航行區(qū)域和航行時(shí)間，對(duì)海水箱及海水冷卻系統(tǒng)采用不同的形式，防止冰塞的現(xiàn)象發(fā)生，主要可采取下列措施：

1)采用帶SEA BAY的海水箱及海水冷卻系統(tǒng)，能從根本上解決海水系統(tǒng)的冰塞現(xiàn)象，從而保障船舶長(zhǎng)時(shí)間在冰區(qū)進(jìn)行航行和作業(yè)；

2)采用帶海水沉淀箱的海水閥箱，不能完全解決冰塞的現(xiàn)象，但能緩解冰塞的程度，在設(shè)計(jì)海水冷卻系統(tǒng)時(shí)，回水管路除了直接排舷外，還應(yīng)增加管路到海水箱，這樣也能基本解決冰塞現(xiàn)象。該方法適用于較長(zhǎng)時(shí)間在嚴(yán)重冰區(qū)航行和作業(yè)的船舶。

3)采用常規(guī)形式的海水箱，很容易發(fā)生冰塞的現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)海水冷卻系統(tǒng)時(shí)，除了回水管路直接排舷外，還應(yīng)增加回水管路到海水箱，增加壓縮空氣吹出量、加大格柵的間隙等措施，這樣也能緩解冰塞的現(xiàn)象。對(duì)于短時(shí)間在冰區(qū)進(jìn)行航行和作業(yè)的船舶是可以的。

4)對(duì)于采用中央海水冷卻系統(tǒng)的船舶，建議適當(dāng)增大淡水艙艙容，這樣可以在海水箱出現(xiàn)冰塞時(shí)，用淡水進(jìn)行冷卻。

[1] 中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[S].

[2] 芬蘭-瑞典冰級(jí)規(guī)則[S].