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(lái)，隨著海洋經(jīng)濟(jì)和極地能源開(kāi)發(fā)及北極航道的不斷發(fā)展，海洋能源開(kāi)發(fā)對(duì)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(kāi)采及運(yùn)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(dú)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(xiǎn)時(shí)，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(lái)受到高度關(guān)注[2]。

我國(guó)工業(yè)和信息化部于2014年11月批復(fù)成立了《國(guó)際極地水域船舶安全規(guī)則應(yīng)用研究》課題。2016年中國(guó)船級(jí)社(CCS)頒布了《極地船舶指南》。國(guó)際海事組織(IMO)制定的《國(guó)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(duì)極地船舶的航行、設(shè)計(jì)、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(yàn)要求并沒(méi)有具體明確。本文在調(diào)研國(guó)際同類產(chǎn)品現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并制造了適用于極地低溫環(huán)境的救生艇樣機(jī)，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了低溫性能試驗(yàn)及結(jié)果分析研究，積累本領(lǐng)域的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，為極地低溫救生產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、建造和試驗(yàn)提供參考。

1 極地救生艇的關(guān)鍵問(wèn)題

1.1 極地救生艇的應(yīng)用

面對(duì)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(kāi)裂，嚴(yán)重影響玻璃鋼表面的防水功能；門(mén)和艙蓋由于冰雪覆蓋而造成開(kāi)啟困難，導(dǎo)致人員無(wú)法及時(shí)進(jìn)入救生艇內(nèi)從而延誤了救生艇逃離母船的時(shí)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(wú)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(dá)不到使用溫度，導(dǎo)致電器無(wú)法工作，影響救生時(shí)間；高壓空氣瓶在極地溫度下，壓力會(huì)隨之減小，氣量相應(yīng)變小，無(wú)法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)和人員呼吸的要求；橡膠件在低溫下會(huì)變硬變脆，導(dǎo)致門(mén)和艙蓋的水密性變差、機(jī)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(dòng)機(jī)使用的潤(rùn)滑油在低溫時(shí)凝固造成無(wú)法啟動(dòng)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(dòng)部件由于外露在艇甲板外，在被冰雪覆蓋凍住時(shí)無(wú)法順利打開(kāi)；降放裝置液壓系統(tǒng)及潤(rùn)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(gè)降放裝置的動(dòng)作；降放裝置運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)部位卡死，外部表面結(jié)冰會(huì)使運(yùn)動(dòng)部件功能失效；降放裝置的機(jī)械限位開(kāi)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(dòng)機(jī)的低溫啟動(dòng)性能研究

極地低溫條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難[5]是極地低溫救生艇研發(fā)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。其主要原因是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)所使用的潤(rùn)滑機(jī)油在低溫時(shí)會(huì)凝固，造成發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩力增大，致使電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)無(wú)法帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)，造成發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法啟動(dòng)。

改善發(fā)動(dòng)機(jī)低溫啟動(dòng)性能的一種辦法是給曲軸箱內(nèi)機(jī)油加熱，即設(shè)置加熱器。加熱器的功率可通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定，但通過(guò)機(jī)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(shí)，在冷卻水系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置加熱器，會(huì)使整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)得到升溫，這樣使發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)更加順利。

影響發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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?chē)友b保護(hù)欄。

在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)方面，選擇合理的相應(yīng)溫度下的燃油牌號(hào)，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(chǎng)有供應(yīng)。

在選擇蓄電池容量的時(shí)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(jī)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(duì)整個(gè)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(dá)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(hù)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(shí)融化，以保證低溫下艇體順利脫鉤。此方法須通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)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(jìn)行艇鉤釋放試驗(yàn)，艇鉤能順利打開(kāi)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(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證：對(duì)試驗(yàn)樣艇設(shè)置2個(gè)艇鉤(艏艉各1個(gè))，通過(guò)推拉軟軸連接同一個(gè)艇鉤釋放裝置。試驗(yàn)時(shí)，一個(gè)設(shè)置轉(zhuǎn)軸加熱器且表面涂有耐低溫油脂，另一個(gè)僅表面涂有耐低溫油脂。將該裝置存放于-50 ℃庫(kù)房?jī)?nèi)24 h，并在期間多次淋水至艇鉤外露冰層達(dá)30 mm。用破冰錘除去冰層，并驗(yàn)證除冰的難易程度。操作釋放裝置：2個(gè)吊鉤能同時(shí)釋放即為符合要求。

另外，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)考慮低溫冰雪情況下，吊環(huán)與艇吊鉤連接時(shí)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(dòng)軸設(shè)置加熱器的方法來(lái)防止低溫時(shí)的結(jié)冰，從而防止吊鉤咬死不易打開(kāi)的情況?？梢耘渲闷票N，用機(jī)械方式除冰。

2.3 艇門(mén)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(mén)和艙蓋由于冰雪極易覆蓋而難以開(kāi)啟，導(dǎo)致人員無(wú)法及時(shí)進(jìn)入救生艇內(nèi)，從而延誤了救生艇逃離母船的時(shí)間。門(mén)及門(mén)框周邊存在一定的間隙，低溫下該間隙將會(huì)被冰雪填充，也將導(dǎo)致門(mén)蓋無(wú)法開(kāi)啟。

本文采用以下試驗(yàn)方法來(lái)研究低溫條件下救生艇門(mén)和艙蓋的開(kāi)啟性能。

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

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

首先驗(yàn)證破冰錘的除冰能力。實(shí)驗(yàn)中，將裝有艙蓋的試驗(yàn)箱放入-50 ℃庫(kù)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(jìn)行開(kāi)啟操作，觀測(cè)把手能否操作。如無(wú)法操作，用破冰錘將冰除去進(jìn)行開(kāi)啟操作，觀測(cè)把手能否操作及開(kāi)啟程度。

然后驗(yàn)證加熱器的效果。采用上述同樣的條件，將艙蓋放入-50 ℃的庫(kù)房中24 h，同時(shí)打開(kāi)門(mén)框加熱器。其間應(yīng)多次淋水，觀測(cè)表面的冰層情況及把手的開(kāi)啟程度。

由于極地低溫的影響，駕駛窗表面會(huì)有冰雪覆蓋，且由于內(nèi)外溫差太大，駕駛窗表面會(huì)結(jié)露，從而導(dǎo)致駕駛室窗視線模糊，致使駕駛員無(wú)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(kù)房?jī)?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(dòng)，目前主要的操作方式有手動(dòng)啟動(dòng)、蓄電池啟動(dòng)、蓄能啟動(dòng)等。蓄電池啟動(dòng)作為最為方便的啟動(dòng)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(chǎng)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(huì)隨著環(huán)境溫度的變化出現(xiàn)波動(dòng)。在常溫下充滿的高壓空氣瓶，有可能在極地溫度下，壓力會(huì)隨之減小，氣量相應(yīng)變小，可能無(wú)法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和人員呼吸的要求。在實(shí)際使用過(guò)程中，高壓氣瓶?jī)H在耐火救生艇上使用。在設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)溫度敏感性很高：溫度高時(shí)橡膠材料變軟，溫度低時(shí)橡膠材料就會(huì)變硬變脆。橡膠材料廣泛應(yīng)用于密封材料，如門(mén)和艙蓋的密封條、機(jī)械設(shè)備的密封圈等。在低溫環(huán)境中，如橡膠材料失效，門(mén)和艙蓋就會(huì)出現(xiàn)不水密的情況，機(jī)械裝置則會(huì)出現(xiàn)機(jī)械失效現(xiàn)象。

3 極地救生艇低溫環(huán)境試驗(yàn)

為進(jìn)行極地救生艇必要的低溫試驗(yàn)，需針對(duì)極地設(shè)備的特點(diǎn)，對(duì)比分析各產(chǎn)品的危險(xiǎn)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(yàn)要求的差異，所以對(duì)試驗(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)，將不能充分體現(xiàn)客觀的自然使用過(guò)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(yàn)中完成檢驗(yàn)工作；對(duì)組裝后的成套裝置的功能試驗(yàn)，就必須做出實(shí)物原型來(lái)研究低溫對(duì)結(jié)構(gòu)和材料的影響，考慮尺寸因素對(duì)實(shí)驗(yàn)室的要求；絞車(chē)可以作為成套產(chǎn)品進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)；液壓系統(tǒng)組裝后，不安裝在鋼結(jié)構(gòu)上而是進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室測(cè)試；做成一個(gè)全尺寸的活動(dòng)部件進(jìn)入試驗(yàn)室進(jìn)行降放裝置的功能試驗(yàn)。

3.1 釋放裝置的除冰試驗(yàn)

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(duì)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(dòng)部位的局部模型，轉(zhuǎn)動(dòng)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(yàn)結(jié)果顯示：利用破冰錘除冰，滑輪能正常轉(zhuǎn)動(dòng)，使用無(wú)影響?；喅囼?yàn)見(jiàn)圖2。

圖2 滑輪除冰試驗(yàn)

3.2 門(mén)和艙蓋的開(kāi)啟能力試驗(yàn)

研究在沒(méi)有任何防護(hù)的情況下，門(mén)和艙蓋在結(jié)冰情況下打開(kāi)情況。將門(mén)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(yàn)結(jié)果顯示：破冰錘能順利除冰，門(mén)上無(wú)任何損傷，但在開(kāi)始過(guò)程中，需要將門(mén)周?chē)谋鶎訌氐浊宄?，門(mén)才可以打開(kāi)。

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

3.3 駕駛窗的去冰霜能力試驗(yàn)

試驗(yàn)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(dòng)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(jìn)行淋水試驗(yàn)，確認(rèn)視野玻璃通過(guò)加熱、淋水后玻璃表面無(wú)結(jié)霜、無(wú)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(duì)救生艇發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能、艇鉤裝置釋放能力、門(mén)和艙蓋開(kāi)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(yàn)的方法，驗(yàn)證了救生艇的發(fā)動(dòng)機(jī)、艇鉤裝置、門(mén)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(kāi)發(fā)和研究提供借鑒。首套產(chǎn)品已經(jīng)獲得俄羅斯船級(jí)社低溫產(chǎn)品證書(shū)，并裝備到廣船國(guó)際有限公司44 500載重噸凝析油輪。