唐文合 楊超 王紅梅

摘要：極地航線的船舶面臨著極低環(huán)境溫度的嚴(yán)峻考驗(yàn)，確保極地航線船舶露天設(shè)備的正常使用及安全通道的防凍化處理，是極地航線船舶必須解決的課題。本文以極地凝析油輪為例，介紹電伴熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：極地船;電伴熱系統(tǒng);應(yīng)用

中圖分類號(hào)：U662.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Polar ships faces the severe challenge of extremely low ambient temperature. It is necessary to ensure the normal use of open-air equipment and anti-freezing treatment of the escape passage of the polar routes. This paper introduces the design and application of electric heating tracing system based on the project ARC7 ice breaking condensate tanker.

Key words： Polar ship;Electric heating tracing system;Application

1 前言

極地航線船舶面臨著低溫環(huán)境，其溫度可低至-50℃，影響著船舶的正常安全運(yùn)行。為了保證船舶的正常運(yùn)行，為船舶設(shè)備提供安全的適用條件，需對(duì)設(shè)備、儀器、管路系統(tǒng)等提供適當(dāng)?shù)谋卮胧_保船舶的正常使用。

本項(xiàng)目防冰凍設(shè)計(jì)需滿足RMRS船級(jí)社Winterization（-50℃）及ANTI-ICE兩個(gè)附加入級(jí)符號(hào)的要求，因此本船電伴熱系統(tǒng)基于上述規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。

根據(jù)RMRS規(guī)范對(duì)設(shè)備、系統(tǒng)及舾裝件的相關(guān)要求，制定措施如下：

（1）設(shè)備：設(shè)備需滿足在極地低溫-50℃的環(huán)境中正常使用。如設(shè)備自身無(wú)法滿足該要求，則需要增加額外的加熱措施，確保設(shè)備所處的環(huán)境溫度滿足使用要求;

（2）系統(tǒng)：需確保油、水等系統(tǒng)管路中液體的可流動(dòng)性，系統(tǒng)在露天甲板區(qū)域的部分需配置加熱措施;

（3）舾裝件：如扶手、欄桿、通道、門(mén)等，需增加加熱措施確保在極低溫度下保持不結(jié)冰，方便人員的逃生使用。

從操作性、維護(hù)性、實(shí)用性等各個(gè)方面進(jìn)行論證，最終決定采用電加熱的方式完成以上相關(guān)設(shè)備、系統(tǒng)、舾裝件等的加熱保護(hù)，確保其正常使用。

2? 電伴熱系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)

2.1? 電伴熱帶工作原理

本船使用電伴熱帶，其主要構(gòu)成如圖1所示。包括：銅導(dǎo)體、導(dǎo)電芯體、絕緣層、金屬編織層及外護(hù)套等部分。其中，導(dǎo)電芯體一般包含碳粒及填充物。當(dāng)電源接通后，兩條平行導(dǎo)體之間通過(guò)導(dǎo)電芯體形成回路，導(dǎo)電芯體通電后發(fā)出熱量。當(dāng)電伴熱帶周圍的環(huán)境溫度較低時(shí)，填充物微分子收縮導(dǎo)致碳粒與兩根導(dǎo)體之間形成回路，電伴熱帶開(kāi)始產(chǎn)生熱量;當(dāng)周圍的環(huán)境溫度較高時(shí)，填充物微分子膨脹導(dǎo)致碳粒被擠開(kāi)而致使原已形成回路的電路中斷，電伴熱帶因內(nèi)部無(wú)法形成電路回路而不再產(chǎn)生熱量。

自限溫式電伴熱帶，在溫度控制過(guò)程中由自身完成自動(dòng)調(diào)節(jié)，因此不會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱或過(guò)低現(xiàn)象。

2.2? 電伴熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電伴熱系統(tǒng)主要包括以下部分：配電板;電伴熱帶;接線盒;溫度傳感器;溫控器;尾端密封件等。

2.2.1? 系統(tǒng)配置

本系統(tǒng)設(shè)置2臺(tái)600kVA防冰凍變壓器。因負(fù)載數(shù)量較多且分散于全船各個(gè)區(qū)域，系統(tǒng)設(shè)置了下列8個(gè)子配電柜，分別給不同區(qū)域的負(fù)載及不同類型的負(fù)載進(jìn)行供電：駕駛甲板區(qū)域舾裝件-DHB1;C/D甲板區(qū)域舾裝件-DHB2;A/B甲板區(qū)域舾裝件-DHB3;上甲板尾部及主甲板面區(qū)域舾裝件-DHB4;艏部區(qū)域舾裝件-DHB5;主甲板面透氣頭-DHB6;上甲板艉部透氣頭-DHB7;艙口蓋-DHB8。

2.2.2? 系統(tǒng)原理

根據(jù)RMRS規(guī)范要求，配電柜需配置功率表或安培表用于指示系統(tǒng)總負(fù)載情況，需對(duì)每個(gè)供電回路設(shè)置清晰銘牌用于指示該回路的具體負(fù)載功率，針對(duì)每個(gè)供電回路設(shè)置剩余電流保護(hù)裝置，同時(shí)對(duì)每個(gè)供電回路提供負(fù)載運(yùn)行指示燈。

根據(jù)系統(tǒng)所涉及負(fù)載的分類及數(shù)量的特點(diǎn)，設(shè)置了溫度自動(dòng)控制功能。當(dāng)環(huán)境溫度低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行產(chǎn)生熱量，用于設(shè)備保護(hù)或防冰凍要求;當(dāng)環(huán)境溫度高于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止不再產(chǎn)生熱量。該系統(tǒng)由溫度傳感器及溫度控制器完成自動(dòng)控制功能。

每個(gè)子配電柜配置一個(gè)溫度傳感器，安裝于此室外區(qū)域，滿足低溫-50℃要求，用于檢測(cè)環(huán)境溫度;每個(gè)子配電柜上配置有溫度控制器，在控制器上設(shè)定溫度值;每個(gè)子配電柜設(shè)置有手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作模式。一般情況下，設(shè)置于自動(dòng)工作模式，由溫度傳感器的信號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行及停止;當(dāng)有特別需要操作時(shí)，或是溫度傳感器故障時(shí)，系統(tǒng)設(shè)置于手動(dòng)工作模式，控制系統(tǒng)的運(yùn)行及停止;另外，在駕駛室內(nèi)設(shè)置有遠(yuǎn)程遙控板，可在駕駛室內(nèi)對(duì)每個(gè)子配電柜進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

2.2.3? 系統(tǒng)起動(dòng)設(shè)置

因涉及負(fù)載眾多，造成每個(gè)子配電柜功率很大。為避免系統(tǒng)起動(dòng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生過(guò)大起動(dòng)電流而影響全船電力電網(wǎng)，在每個(gè)子配電柜內(nèi)均設(shè)置了分組起動(dòng)的控制功能，即當(dāng)手動(dòng)或自動(dòng)起動(dòng)該系統(tǒng)時(shí)，配電柜內(nèi)的所有負(fù)載并非同時(shí)接通運(yùn)行，而是分組延時(shí)接通運(yùn)行。例如：配電柜的所有負(fù)載分成5個(gè)分組，當(dāng)接到起動(dòng)命令后，第1個(gè)分組先運(yùn)行，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間延遲后第2分組投入運(yùn)行，以此類推。延時(shí)時(shí)間，一般設(shè)定在2分鐘左右。

3? 電伴熱系統(tǒng)安裝與應(yīng)用

3.1? 應(yīng)用范圍

本船需使用電伴熱系統(tǒng)的主要包括以下設(shè)備、系統(tǒng)及舾裝件：（1）生活區(qū)域室外逃生通道及其相關(guān)的扶手、欄桿、梯道;（2）通往逃生通道的門(mén);（3）主甲板面走道欄桿;（4）艙口蓋;（5）救生圈防護(hù)箱;（6）消防栓;（7）透氣頭;（8）主甲板面供水管路及供油管路等。

3.2? 電伴熱帶安裝

電伴熱帶的安裝要求類同于電纜。安裝時(shí)需滿足一定的彎曲半徑，一般推薦彎曲半徑不小于6倍電伴熱帶外徑，嚴(yán)禁在安裝電伴熱帶時(shí)出現(xiàn)外護(hù)套褶皺的情況，如發(fā)現(xiàn)此類情況必須更換，避免在后續(xù)的使用過(guò)程中因外護(hù)套的損壞而出現(xiàn)絕緣低導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常使用的情況。

3.3? 逃生通道踏板安裝

逃生通道的防冰凍措施，是在不銹鋼踏板內(nèi)部纏繞電伴熱帶并在底部填充隔熱材料，盡可能地將更多的熱量向上傳遞至踏板表面，避免踏板表面出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象而影響正常的行走。根據(jù)RMRS的推薦值，甲板面的通道加熱功率一般不小于300W/m2，但根據(jù)廠家的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及考慮極地-50℃的低溫環(huán)境，室外逃生通道踏板電功率按照800W/m2計(jì)算，確保在極端惡劣低溫環(huán)境下通道不會(huì)產(chǎn)生結(jié)冰。

3.4? 欄桿及扶手電伴熱安裝

按照規(guī)范，扶手欄桿如有防冰凍要求，且其防冰凍措施是通過(guò)電伴熱帶的型式完成，則其功率要求一般不小于50W/m;因本船運(yùn)行于極地環(huán)境且最低環(huán)境可達(dá)-50℃，根據(jù)廠家的實(shí)船經(jīng)驗(yàn)，最終選擇電伴熱帶功率為60W/m。

在布置電伴熱帶過(guò)程中，需特別注意電伴熱帶外護(hù)套不應(yīng)有損傷，避免出現(xiàn)絕緣低的狀況。這就要求在布置過(guò)程中，確保電伴熱帶的保護(hù)管管口無(wú)毛刺及焊渣，管口內(nèi)部無(wú)尖銳顆粒物;完成電伴熱帶拉放工作后，需檢查末端的電伴熱帶外護(hù)套是否有損傷，如發(fā)現(xiàn)損傷需及時(shí)進(jìn)行更換。

3.5? 艙口蓋電伴熱安裝

艙口蓋并無(wú)要求配置防冰凍措施，但涉及到逃生路徑的艙口蓋，則必須配置防冰凍措施，即在任何環(huán)境條件下均需保證艙口蓋無(wú)冰凍現(xiàn)象，在任何時(shí)候均可及時(shí)打開(kāi)艙口蓋，確保逃生路線的暢通。本船的防冰凍措施采用電伴熱型式，艙口蓋上邊緣設(shè)置有電伴熱帶保護(hù)管，電伴熱帶布置于其中，見(jiàn)圖2所示：

3.6? 消防栓電伴熱安裝

由于消防栓接口的特殊性，直接纏繞電伴熱帶的型式無(wú)法保證防冰凍的要求，且對(duì)后續(xù)的消防栓的正常使用帶來(lái)困難，因此本船的消防栓防冰凍措施采用了增加可拆式加熱保護(hù)罩的型式：將電伴熱帶纏繞于兩層帆布之間，并按照消防栓的大小做成罩子型式，外部配置有搭扣及收緊繩;電伴熱帶從帆布罩內(nèi)部伸出并留有一定余量，通過(guò)接線盒與電源電纜對(duì)接完成加熱帆布罩的供電回路;在需要使用消防栓時(shí)，解開(kāi)收緊繩并將帆布罩放置一旁，即可正常使用該消防栓?？刹鹗郊訜岱颊职惭b示意圖，見(jiàn)圖3所示：

3.7? 透氣頭電伴熱安裝

透氣頭的加熱方式類似于艙口蓋，在透氣頭內(nèi)部增加纏繞電伴熱帶并留有一定余量，電伴熱帶通過(guò)外部的接線盒與電源電纜進(jìn)線駁接形成供電回路。需要注意的是，很多透氣頭一般均是處于危險(xiǎn)區(qū)域，故相應(yīng)的接線盒也需滿足防爆要求。電伴熱式透氣頭安裝示意圖，見(jiàn)圖4所示：

3.8? 管路上電伴熱帶的安裝

管路上電伴熱帶的安裝，需特別注意安裝位置及彎位要求。電伴熱帶一般安裝于管路下方斜45°的位置，一是安裝方便，二是確保熱量在散發(fā)過(guò)程中更好的通過(guò)管路表面以便更好地對(duì)管路進(jìn)行保溫處理;同時(shí)管路在電伴熱帶安裝完成后，需在電伴熱帶外表面安裝絕緣層，減少熱量的散發(fā)且更好的將熱量作用于管路表面。電伴熱帶在管路上的安裝示意圖，見(jiàn)圖7所示：

管路系統(tǒng)的電伴熱帶選型，主要根據(jù)管路的熱損失計(jì)算進(jìn)行，只要確保單位長(zhǎng)度電伴熱帶功率大于單位長(zhǎng)度管路熱損即可;同時(shí)，因管路系統(tǒng)在整個(gè)長(zhǎng)度方向上會(huì)有閥件及管支架的布置，所以管路上的電伴熱帶的長(zhǎng)度一般需考慮1.05～1.10倍的余量。

3.9? 電伴熱帶尾端密封安裝

根據(jù)電伴熱帶工作原理可知，電伴熱帶尾端處必須進(jìn)行密封處理，確保電伴熱帶內(nèi)部?jī)筛叫袑?dǎo)體不會(huì)發(fā)生短路。為方便后續(xù)使用過(guò)程中的檢查及維護(hù)，扶手及欄桿內(nèi)的電伴熱帶末端均不會(huì)藏于保護(hù)管內(nèi)，一般露出長(zhǎng)度100mm左右，方便檢查尾端密封處理是否完好，避免出現(xiàn)短路或絕緣低的情況。電伴熱帶尾端密封處理示意圖，見(jiàn)圖8所示：

3.10? 電伴熱帶保護(hù)軟管安裝

按照俄羅斯船檢現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)的要求，在扶手與扶手之間若存在較長(zhǎng)的過(guò)渡電伴熱帶，則電伴熱帶不應(yīng)直接裸露于環(huán)境中。一是因?yàn)橛锌赡軙?huì)因碰撞或刮扯帶來(lái)機(jī)械損傷，導(dǎo)致電伴熱帶斷裂導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常加熱工作，或是外護(hù)套破損引起絕緣低;二是因?yàn)橛锌赡芤蛉藛T直接觸碰電伴熱帶表面引起可能的燙傷事故。因此，在扶手之間的過(guò)渡電伴熱帶均增加了不銹鋼保護(hù)軟管，在增加機(jī)械保護(hù)的同時(shí)，也避免人員直接接觸正在工作的電伴熱帶的高溫度表面，避免出現(xiàn)燙傷事故。電伴熱帶不銹鋼保護(hù)軟管安裝示意圖，見(jiàn)圖9所示：

4? 結(jié)束語(yǔ)

該船已交付使用，從反饋信息顯示：電伴熱系統(tǒng)并未有任何質(zhì)量問(wèn)題，運(yùn)行狀態(tài)良好，完全滿足極地航線運(yùn)營(yíng)船舶的Winterization-50的要求。隨著極地船舶的需求持續(xù)升溫，該系統(tǒng)可為后續(xù)的類似項(xiàng)目提供設(shè)計(jì)方案的借鑒和參考，更好地推進(jìn)極地船舶的研發(fā)、設(shè)計(jì)和建造。