冰級(jí)船海水系統(tǒng)防冰設(shè)計(jì)技術(shù)初步研究

趙遠(yuǎn)征，呂 君，房玉吉，徐雋霏，謝承利，蘭興杰

（1．海軍裝備部艦船辦公室，北京 100071；b.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢 430064）

0 引言

冰級(jí)船是指按船級(jí)社規(guī)則適當(dāng)加固，可在某種程度冰情時(shí)航行的船舶[1]。冰級(jí)船在冰區(qū)航行時(shí)海水系統(tǒng)從船體周圍的水域中抽取海水，然后通過(guò)管路輸送到冷卻水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)以及壓載水系統(tǒng)等。如果海水系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)，那么冰級(jí)船的海水吸入孔就容易被冰區(qū)水域中的成冰或正在凝結(jié)的冰堵塞，造成海水供應(yīng)不足，影響船舶的正常工作，比如主機(jī)冷卻系統(tǒng)的管路中形成冰堵，則會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)熱和停機(jī)。為了降低海水吸入孔被成冰或正在凝結(jié)的冰堵塞的危險(xiǎn)，有必要開(kāi)展冰級(jí)船海水系統(tǒng)的防冰技術(shù)研究。

通過(guò)對(duì)國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)（IACS）[2]、挪威船級(jí)社（DNV）[3]以及美國(guó)船級(jí)社（ABS）[4,5]頒布的部分冰區(qū)加強(qiáng)型船舶或破冰船設(shè)計(jì)規(guī)范等相關(guān)資料的解讀和對(duì)比，梳理了冰級(jí)船海水系統(tǒng)防冰設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，對(duì)該系統(tǒng)防冰設(shè)計(jì)技術(shù)的要點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，下面對(duì)該海水系統(tǒng)中主要的組成單元——通海閥箱、海水艙、管路和閥件的布置及結(jié)構(gòu)進(jìn)行較詳細(xì)的介紹。

1 通海閥箱

1.1 布置考慮

通海閥箱是非常重要的船體結(jié)構(gòu)，通海閥箱的吸入孔為海水的唯一進(jìn)口，所以吸入孔的位置應(yīng)能防止冰的吸入，而提供最佳保護(hù)的位置僅取決于船型和船的尺寸。比如：大型油輪或貨船在船尾底部幾乎看不到冰，如果吸入孔位于船體的這個(gè)區(qū)域，那么航行中冰的吸入就不會(huì)成為一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。有限吃水的更小一些船可能將吸入孔布置在靠近船中心線的地方，以免吸入船艏往船艉漂移的浮冰。所以可能的話，海水吸入孔應(yīng)盡量位于船艉且靠近中線的地方。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，每750kW推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率（含船舶輔機(jī)的輸出功率）配置容量為1m3的通海閥箱。為使冰塊聚積在海水進(jìn)口管的上方以防止冰塊堵塞管路（見(jiàn)圖1），通海閥箱的高度應(yīng)滿足（其中V為根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率確定的通海閥箱容量）。由于上述兩個(gè)條件在實(shí)踐中較難同時(shí)滿足，因此可以在船的兩舷分別設(shè)置一個(gè)小的通海閥箱來(lái)代替。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步降低冰塊進(jìn)入海水系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)，過(guò)去成功使用了堰板或隔離板，這種結(jié)構(gòu)減少了通海閥箱中海水進(jìn)口管堵塞的可能。由于海水進(jìn)口管通過(guò)一塊固體多孔隔離板（高于水線）或堰板（低于水線）和海水吸入孔隔離，所以可能進(jìn)入通海閥箱的冰塊會(huì)漂浮在閥箱頂部，這樣能防止冰塊被吸入進(jìn)口管，如圖1和圖2所示。為防止吸入大的冰粒且能提供足夠的冷卻能力，ABS規(guī)范中推薦隔離板的孔徑為DN20mm。

圖1 帶隔離板的海水系統(tǒng)原理示意圖

圖2 帶堰板的海水系統(tǒng)原理示意圖

1.3 加熱方式設(shè)計(jì)

雖然通海閥箱的上述布置考慮以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)減少冰吸入的影響或阻止一些結(jié)冰，但是這些措施并不能排除上述可能性。為減少船舶在寒冷地區(qū)航行的這種內(nèi)在危險(xiǎn)，可以在通海閥箱的隔離板上安裝蒸汽或熱水盤(pán)管，以達(dá)到除冰的目的，如圖3所示。如果加熱盤(pán)管非常沉重且采用全焊接形式，那么也可以用熱油加熱盤(pán)管來(lái)代替蒸汽盤(pán)管。此外海水系統(tǒng)還應(yīng)具備手動(dòng)除冰的功能，所以需要設(shè)計(jì)從通海閥箱到海水吸入口格柵的出入通道。

圖3 帶加熱盤(pán)管的海水系統(tǒng)原理示意圖

2 海水艙

進(jìn)入通海閥箱中的海水經(jīng)過(guò)海水進(jìn)口管路、過(guò)濾器以及隔離閥進(jìn)入海水艙，用于船舶推進(jìn)的所有重要設(shè)備和消防系統(tǒng)的冷卻水從海水艙中吸入。根據(jù)規(guī)范要求，PC1-PC5冰級(jí)標(biāo)志的船舶海水艙應(yīng)布置在和龍骨盡可能近的地方，海水艙中的水來(lái)自至少兩個(gè)獨(dú)立的海水進(jìn)口管，其中船體的每側(cè)至少應(yīng)設(shè)置一個(gè)。每個(gè)海水進(jìn)口管的開(kāi)口面積應(yīng)不小于和海水艙相連所有泵的總進(jìn)口面積的6倍。而對(duì)于航行在波羅的海海域IAA-IC冰級(jí)標(biāo)志的船舶，上述最小數(shù)值為4倍。

大部分高冰級(jí)標(biāo)志的船舶都有獨(dú)立于海水艙之外的海水應(yīng)急供應(yīng)方式，將壓載水艙或一個(gè)完全單獨(dú)的海水艙作為海水的應(yīng)急存儲(chǔ)（如圖4所示）。通過(guò)在這些艙外側(cè)加裝合適的管道、閥門和附件，使冷卻海水在壓載水艙（或海水艙）和上述管道間循環(huán)。這樣一方面對(duì)壓載水艙或海水艙中的海水進(jìn)行“攪拌”，有助于減少這些艙自身的結(jié)冰，另一方面如果通海閥箱被堵，這些艙室也可以用作冷卻的目的，提高了冰級(jí)船冷卻水供應(yīng)的可靠性。對(duì)于該循環(huán)系統(tǒng)也可以設(shè)置加熱系統(tǒng)，比如在隔離閥處加裝伴熱帶、在過(guò)濾器和海水吸入孔及格柵處安裝蒸汽管等，如圖5所示。

圖4 帶海水冷卻循環(huán)的海水系統(tǒng)原理示意圖

圖5 帶加熱方式和海水應(yīng)急艙的海水系統(tǒng)原理示意圖

3 海水泵的流速

為船舶推進(jìn)的重要設(shè)備服務(wù)的每個(gè)海水泵直接從海水艙抽水，根據(jù)規(guī)范要求，PC1-PC5冰級(jí)船任何吸入管道的設(shè)計(jì)流速不應(yīng)超過(guò)2m/s。

4 海水管路（適用于所有冰級(jí)船）

1）可以在海水系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)的管路、閥和附件，但是對(duì)于嚴(yán)重冰況下航行的任何船舶不建議使用鑄鐵材料，以往的經(jīng)驗(yàn)表明由于這種材料的脆性，在螺旋槳和冰的交互作用期間嚴(yán)重的振動(dòng)可能導(dǎo)致系統(tǒng)的損壞。

2）舷外排水應(yīng)盡可能減少船舶閥門結(jié)冰的可能性。可能的話一般都不在載重水線上方排水。

3）在極端低溫地區(qū)，所有舷外的排水處建議安裝蒸汽盤(pán)管和伴熱帶。

4）另外也可以考慮電加熱來(lái)清除通海閥箱和海水艙中的冰。

5 結(jié)論

綜上可知，冰級(jí)船海水系統(tǒng)防冰設(shè)計(jì)技術(shù)的要點(diǎn)在于：

1）為減少冰的吸入，海水吸入孔應(yīng)盡量布置在船艉且靠近中線的地方。

2）在通海閥箱中設(shè)置堰板或隔離板可以減少海水進(jìn)口管被冰堵塞的可能。

3）在通海閥箱、海水艙或其連接管路及附件上安裝蒸汽盤(pán)管或伴熱帶可以達(dá)到除冰的目的。

4）作為應(yīng)急海水供應(yīng)艙，通過(guò)在壓載水艙或海水艙外加裝冷卻海水循環(huán)管路，有助于減少這些艙自身的結(jié)冰，且能提高冰級(jí)船冷卻水供應(yīng)的可靠性。

[1]IMO.Guidelines for ships operating in arctic ice-covered waters[M].2002.

[2]IACS.Requirements concerning-Polar Class[M].2011

[3]DNV.Rules for classification of ships-general regulations[S].2004.

[4]ABS.Guide for vessels operating in low temperature invironments[M].2012.

[5]ABS.Rules for building and classing-steel vessels[S].2013.