陳彥臻 濮 駿 劉志兵 李 華

（1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011；2.中國(guó)船級(jí)社江蘇分社 南京 210011）

0 引 言

極地?fù)碛兄S富的資源，且尚未被深入探索開發(fā)，是當(dāng)前眾多學(xué)科領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對(duì)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(yīng)冰區(qū)航行的船舶已成為人類通往極地寶庫(kù)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(duì)大量冰水混合物，還要考慮攜帶破冰設(shè)備、提高船舶動(dòng)力、強(qiáng)化船體材料及工藝，以及克服特殊的環(huán)境溫度對(duì)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(shè)計(jì)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(jìn)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(fēng)險(xiǎn)將大大增加。體積較大的冰塊在海水門進(jìn)口格柵附近會(huì)形成大量碎冰。這些細(xì)小的冰塊通過(guò)海水管系進(jìn)入到濾器中，大量堆積形成冰塞。這將導(dǎo)致冷卻水系統(tǒng)無(wú)法提供足夠的海水到中央冷卻器中進(jìn)行冷卻，從而引發(fā)高溫報(bào)警，使主機(jī)和發(fā)電機(jī)組無(wú)法正常工作，最終造成嚴(yán)重后果（如全船失電、動(dòng)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(jī)設(shè)計(jì)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(lái)看，對(duì)于冰區(qū)海水門的防寒設(shè)計(jì)尚缺少足夠的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

圖1 常規(guī)冷卻水系統(tǒng)

1 相關(guān)規(guī)范要求

針對(duì)冰區(qū)航行的特殊環(huán)境，國(guó)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(shí)，盡可能降低對(duì)極地生態(tài)環(huán)境的破壞，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的極地航運(yùn)發(fā)展。極地規(guī)則主要包含兩個(gè)方面的要求：安全和環(huán)保。其中針對(duì)極地航行船舶新增的安全措施要求，主要體現(xiàn)在《國(guó)際海上人命安全公約》（SOLAS）和STCW 公約。對(duì)于防污染方面，則是通過(guò)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(lái)實(shí)施。國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)（IACS）也為極地冰區(qū)航行的船舶提出了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[2]，并采用7 個(gè)極地級(jí)（PC1-PC7）對(duì)極地船舶所能適應(yīng)的冰級(jí)進(jìn)行分類，如表1所示。

表1 IACS 極地船舶冰級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)

續(xù)表1

為了保證船舶在極地冰區(qū)正常運(yùn)行，海水門保持暢通至關(guān)重要，因此，各個(gè)船級(jí)社（如CCS、LR、ABS 和DNV 等）都針對(duì)冰區(qū)船舶海水門的設(shè)計(jì)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(jí)規(guī)范和防寒規(guī)范3 個(gè)部分，并且結(jié)合相關(guān)國(guó)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(dǎo)意義的“極地船舶指南”。本文重點(diǎn)針對(duì)CCS 規(guī)范中針對(duì)冰區(qū)海水門（冰水箱）的要求進(jìn)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(duì)于冰區(qū)海水門的規(guī)范要求，主要從以下4 個(gè)方面進(jìn)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(shí)，冰水環(huán)境會(huì)造成額外的沖擊，增大推進(jìn)系統(tǒng)的工作負(fù)荷。這也就要求冷卻水系統(tǒng)更加完備、強(qiáng)大，以滿足更高功率下的冷卻需求，防止形成過(guò)熱，損傷設(shè)備。因此，提供足夠量的冷卻海水是順利通過(guò)冰區(qū)的前提條件之一。

（2）避免冰塞的防護(hù)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(guò)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(jìn)一步降低海冰堵塞冷卻水系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。

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

（4）準(zhǔn)備充足的備用應(yīng)急設(shè)備。由于航行時(shí)間長(zhǎng)、冰區(qū)環(huán)境惡劣、工作負(fù)荷大，發(fā)生系統(tǒng)設(shè)備故障的概率可能會(huì)更大。備用應(yīng)急設(shè)備則可以提高航行中的容錯(cuò)率。在系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)損壞后，仍能維持船舶抵達(dá)目的地。除了傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備以外，還可包括設(shè)置應(yīng)急海水艙。

2 防寒技術(shù)與設(shè)計(jì)方案

2.1 防寒技術(shù)分類

為了滿足規(guī)范要求，當(dāng)前針對(duì)冰區(qū)海水門的防寒技術(shù)，主要可以分為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類的防寒技術(shù)，主要是通過(guò)對(duì)進(jìn)口格柵結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，優(yōu)化其作為過(guò)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(jìn)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(duì)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(jìn)行了倒圓處理，以防止形成應(yīng)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?zhǔn)礁駯?，可以避免突出船體外板部分被海冰撞壞。

對(duì)于構(gòu)造布置類的防寒技術(shù)，一方面應(yīng)盡可能加大海水門頂部的高度，還應(yīng)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(guò)在海水門內(nèi)設(shè)立不同的隔離結(jié)構(gòu)，如擋板、圍堰等，可實(shí)現(xiàn)冰水混合物流向的改變，促進(jìn)流動(dòng)過(guò)程中浮冰的自動(dòng)分離。人工通道（人孔）的設(shè)計(jì)主要是為了在特殊情況下進(jìn)行手動(dòng)除冰。

此外，通過(guò)對(duì)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(jìn)水管吸入海冰，還可以循環(huán)利用冷卻海水，對(duì)海水艙內(nèi)的水溫進(jìn)行調(diào)控，如冷卻海水回注。冷卻海水進(jìn)入海水總管后，被送往不同系統(tǒng)的冷卻器中，當(dāng)經(jīng)歷完熱交換后，海水溫度升高。此時(shí)，再通過(guò)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(duì)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(shè)立相應(yīng)的加熱管路或設(shè)備，有針對(duì)性地對(duì)某個(gè)區(qū)域（如頂部碎冰集中區(qū)域）的碎冰或浮冰進(jìn)行消融；吹除措施則是依托于合適壓力等級(jí)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(shè)計(jì)方案對(duì)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(fù)合方案的形式被廣泛應(yīng)用于冰區(qū)海水門的設(shè)計(jì)中，以最大程度降低冰塞風(fēng)險(xiǎn)。本文針對(duì)4 種具有代表性的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析。

2.2.1 方案一

該方案對(duì)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(shè)有透氣管和回流管路，并通過(guò)攜帶濾器的管路進(jìn)行連接。在海水門的進(jìn)口格柵/ 開孔/開槽附近設(shè)有蒸汽裝置來(lái)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(shè)計(jì)方案沒(méi)有很好地解決碎冰/浮冰堵塞的問(wèn)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(shí)消融；另一方面，碎冰在上浮過(guò)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(shè)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(yīng)設(shè)置人孔蓋，確?？扇斯みM(jìn)行手動(dòng)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(guò)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(diǎn)在于管路相對(duì)簡(jiǎn)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(shè)置了人孔蓋，并且處于底部的海水門進(jìn)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(jìn)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(hù)措施，故大大增加了直接吸入碎冰的風(fēng)險(xiǎn)，從而造成濾器堵塞。此外，該方案缺少除冰回路來(lái)消融頂部的碎冰，也無(wú)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(yè)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(jìn)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(wèn)題。該海水門配備了應(yīng)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(lái)源，循環(huán)使用壓載水進(jìn)行內(nèi)循環(huán)冷卻，但僅限在短時(shí)間內(nèi)應(yīng)急使用，否則會(huì)因壓載水溫度升高而導(dǎo)致艙壁結(jié)構(gòu)腐蝕。此外，該海水門設(shè)立了冷卻水回注，但僅通往海水進(jìn)口位置，降低了除冰效果。因此，該海水門的布置比較復(fù)雜，且未設(shè)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(shè)計(jì)（如圖8所示）是由典型冰海水門結(jié)構(gòu)[10]演變而來(lái)，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(shè)有進(jìn)口格柵/開孔/開槽，形成過(guò)濾冰水混合物的第一道防線。冷卻海水進(jìn)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(shè)在水線以上，接近頂部碎冰集聚區(qū)，方便進(jìn)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(guò)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(duì)冷卻海水進(jìn)水管的吸入口進(jìn)行溫控，還對(duì)碎冰積聚的區(qū)域進(jìn)行融冰。此外，頂部的多孔管還可以連通蒸汽管路進(jìn)一步吹除/加熱。若配有應(yīng)急海水艙或應(yīng)急海水來(lái)源（如壓載水），將進(jìn)一步提高該方案的防寒可靠性，更適用于高冰級(jí)船舶。

圖8 海水門布置示意圖（方案四）

3 結(jié) 語(yǔ)

海水門雖然只是整個(gè)輪機(jī)設(shè)計(jì)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(yùn)行的關(guān)鍵之一。本文針對(duì)冰區(qū)海水門，介紹了部分規(guī)范要求，并通過(guò)對(duì)現(xiàn)有防寒技術(shù)以及4 個(gè)防寒設(shè)計(jì)方案所作的分析，突出了冰區(qū)海水門在防寒方面獨(dú)有的一些技術(shù)要點(diǎn)，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(shè)計(jì)加熱融冰方案；需配備人工手動(dòng)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(yàn)。

目前，我國(guó)針對(duì)極地船舶的相關(guān)研究與先進(jìn)國(guó)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(yīng)用與優(yōu)化外，還可以針對(duì)附件、管路和閥的材料、工藝、具體選型計(jì)算以及冰水沖擊下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等領(lǐng)域，對(duì)冰區(qū)海水門進(jìn)行更全面的研究，從而努力響應(yīng)極地航運(yùn)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(yàn)。