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(南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

北極航道通航情況復(fù)雜多變，高寒低溫天氣會給極地航行帶來極大的危險性及不確定性。例如，當(dāng)外界溫度極低時，壓載艙內(nèi)壓載水表面結(jié)冰，導(dǎo)致壓排載時艙室受過大的正負(fù)壓而損壞結(jié)構(gòu)；居住區(qū)的空調(diào)通風(fēng)和供暖系統(tǒng)不能維持舒適的居住環(huán)境；應(yīng)急發(fā)電機不能順利啟動；甲板機械設(shè)備不能正常操作；海底門被冰堵住導(dǎo)致船上多個系統(tǒng)、設(shè)備無法正常使用，以及逃生通道由于被冰雪覆蓋而影響通行等，對船舶及船員的安全威脅巨大，甚至造成嚴(yán)重后果。故考慮對極地環(huán)境下的防凍對策進(jìn)行研究，以保證極地航行的安全性。

1 船型簡介

相對三大主流船型來說，多用途船貨物雜、批量小，屬于中小船型，船型適貨廣泛，市場應(yīng)對靈活，是未來極地船發(fā)展的主要船型之一。28 000 t極地多用途船為南通中遠(yuǎn)川崎順應(yīng)極地航行發(fā)展需求，自主研發(fā)的一款適合于極地航行的多用途船，冰級PC-6，并且滿足DNV規(guī)范中Winterized Cold船級符號，設(shè)計溫度為-25 ℃，主要技術(shù)參數(shù)及特點見表1。

2 極地多用途船防凍對策

目前國內(nèi)外已應(yīng)用及正在研究的防凍方法較多，例如，過電流密度法、微波法、激光法等技術(shù)已在輸電線、公路、航空航天等領(lǐng)域有所應(yīng)用，而對于船舶領(lǐng)域，特別在國內(nèi)，由于航行于極地寒冷區(qū)域的船舶數(shù)量較少，船舶防凍方法研究不深入，主要還是以傳統(tǒng)防凍方法為主。結(jié)合DNV規(guī)范要求及船廠實際，對28 000 t極地多用途船管路系統(tǒng)、艙室、居住區(qū)、設(shè)備及通道進(jìn)行防凍分析，以確定相應(yīng)區(qū)域的防凍對策。

表1 極地多用途船技術(shù)參數(shù)及特點

2.1 管路系統(tǒng)

船上各類管路眾多，其中液體介質(zhì)主要有水(海水及淡水)和油類；氣體介質(zhì)主要為壓縮空氣和二氧化碳。對于介質(zhì)為液體的管路系統(tǒng)，主要可以通過加熱伴管及放殘法等方法，氣體管路則可以通過干燥法以達(dá)到防凍目的。

加熱伴管型方法分為蒸汽加熱及電加熱，分別是依靠蒸汽加熱管及加熱電纜來加熱“目標(biāo)管路”及“管路內(nèi)介質(zhì)”，再通過保溫材料將加熱伴管及管路包裹，以降低熱量流失速率。蒸汽加熱法的優(yōu)點是加熱能力強，但后期維護(hù)不便。電加熱法的優(yōu)點是節(jié)約能源，適合復(fù)雜管路伴熱，控溫更精準(zhǔn)，但考慮到油類管路的易燃性，電加熱法不適用于油類管路系統(tǒng)。對于保溫材料的選取取決于管路的布置位置：對于布置在暴露區(qū)劃的管路，由于環(huán)境濕度大，一般選用硅酸鹽作為保溫材料，該材料耐水性較好，具有更好的保溫效果；對于布置在室內(nèi)區(qū)劃的管路，濕度較小，一般選用玻璃纖維作為保溫材料，該種材料耐水性較差，但更為經(jīng)濟(jì)。蒸汽加熱管及電加熱布置見圖1、2。

放殘法是在目標(biāo)管路的最低點設(shè)置小管徑的放殘點，適用于間斷性存在液體的管路，非常經(jīng)濟(jì)，但需要人員在相關(guān)管路使用后進(jìn)行放殘操作。干燥氣體法采用吸附式干燥劑，以降低氣體壓力露點，適用區(qū)域有限，常用吸附劑有活性氧化鋁、分子篩和硅膠等。

本船按照管路位置可劃分為船體區(qū)劃管路系統(tǒng)、居住區(qū)區(qū)劃管路系統(tǒng)，以及機艙區(qū)劃管路系統(tǒng)，其中居住區(qū)和機艙管路皆處于室內(nèi)溫暖區(qū)劃，故該區(qū)域未額外設(shè)置防凍對策。而對于船體區(qū)劃內(nèi)的壓載管路、污水管路、燃油管路、消防管路、壓縮空氣管路、清水/飲用水管路、甲板排水管路及液壓油管路等系統(tǒng)，在考慮其布置位置、介質(zhì)內(nèi)容及各防凍方法的使用特點后，各管路系統(tǒng)的防凍對策匯總見表2。

2.2 艙室

主要對液艙及機械處所進(jìn)行防凍對策分析。對于液艙，蒸汽加熱法為常規(guī)加熱手段，適用于大面積范圍的防凍保溫，而電加熱法也可以實現(xiàn)加熱液體的效果，但如液體量大，加熱功率消耗極大，影響發(fā)電機選型。對于機械處所，屬于人員經(jīng)常走動處所，由于蒸汽加熱裝置外部無隔熱材，極有可能造成人員燙傷。電加熱法則更為安全，通過電加熱器實現(xiàn)加熱，可以自動控制，安裝更為便利，后期維修方便。

表2 管路系統(tǒng)防凍對策表

本船邊壓載艙及艏艉尖艙部分位于水線以上，需考慮防凍對策，通過對比需增加的蒸汽消耗量及電功率耗量并考慮實際布置相關(guān)因素后，確定采用蒸汽加熱法，蒸汽主管路及蒸汽回路布置于甲板下通道，支管由甲板下通道貫穿至壓載艙底部，布置時需要將加熱管延伸至水線下，見圖3。側(cè)推間、舵機房等機械處所采用電加熱器加熱。液艙及機械處所的防凍對策匯總見表3。

2.3 居住區(qū)

將各層居住甲板均設(shè)計成全封閉型式，在考慮居住區(qū)室溫計算時，根據(jù)DNV規(guī)范，環(huán)境溫度設(shè)為-45 ℃(低于外界設(shè)計溫度20 ℃)，室內(nèi)溫度需要達(dá)到至少+18 ℃，室內(nèi)外溫差達(dá)到63 ℃。由于溫差太大，如果依照通常的設(shè)計，采用一級溫度加熱，不能達(dá)到設(shè)計的要求，故考慮采用預(yù)加熱和再加熱兩次蒸汽加熱的方式。先通過預(yù)加熱器將新風(fēng)溫度從-45 ℃加熱到-15 ℃，與回風(fēng)混合成-2 ℃的混合空氣，再通過再加熱器將-2 ℃的混合空氣加熱到38 ℃，經(jīng)過風(fēng)管供應(yīng)到各個房間，以使各個房間的溫度達(dá)到+18 ℃，原理見圖4。

表3 液艙及機械處所防凍對策表

航海甲板駕駛室設(shè)計成全封閉型式，兩翼向舷側(cè)延伸并超出，保證能夠通過兩翼觀察舷側(cè)冰情和系泊情況。駕駛室均配備電加熱玻璃窗，同時從中央空調(diào)系統(tǒng)引出風(fēng)管，連接至駕駛室窗戶上方的布風(fēng)器上，通過布風(fēng)器向窗戶提供熱風(fēng)，以達(dá)到防冰、除霧效果。此外駕駛室窗戶均提供雨刮器、熱水及壓縮空氣沖洗管路，雙重確保極地航行時駕駛室窗戶上的積冰可以快速融解并排除，保證駕駛室的視野無障礙。

2.4 設(shè)備

船用設(shè)備是保障船舶性能及人員安全的基礎(chǔ)，為保證在極地航行時各設(shè)備能夠在寒冷氣溫下正常運作，確保船員在各種突發(fā)事件時的人身安全，本節(jié)對海底門、錨/系泊設(shè)備、救生設(shè)備、透氣管頭、暴露區(qū)劃門及航海設(shè)備等進(jìn)行防凍對策分析。防凍方法主要為加熱法及封閉保護(hù)法。加熱法從各設(shè)備的特點及布置等方面考慮，可以分為蒸汽加熱、電加熱器、加熱電纜等，甲板上錨/系泊設(shè)備及救生設(shè)備(救生艇、救生筏、救助艇等)可采用封閉保護(hù)法，即將其布置于遮蔽的船體結(jié)構(gòu)內(nèi)，避免直接暴露于冰雪、海水飛濺的環(huán)境中，同時也給操作人員提供適宜的工作環(huán)境，必要的開口由加熱帆布罩覆蓋。船上各設(shè)備防凍對策匯總?cè)绫?，救生設(shè)備防凍布置見圖5。

表4 設(shè)備防凍對策表

船舶海底門是船舶海水的吸入口，與之相連的是海水吸入總管，供船上各系統(tǒng)用，如：消防、冷卻、壓載等。一旦海底門被冰塊堵塞，將影響各海水系統(tǒng)的工作，嚴(yán)重時可能會造成船舶停機、人員傷亡。針對極地航行船，考慮保溫防凍要求后，設(shè)計低位海底門見圖6。海底門箱體分為冰箱及海水分隔間兩部分，海水經(jīng)過海底門吸口進(jìn)入冰箱，可以通過吸口附近的蒸汽接管及過濾板過濾或融化部分浮冰。進(jìn)入箱體的浮冰由于密度較小，漂浮于冰箱上部，形成冰水分界層，冰箱上部設(shè)有蒸汽盤管用來加速浮冰融化。冰箱下部的水經(jīng)過過濾器后由冷卻海水泵抽送至船上各系統(tǒng)，殘余的體積相對較大的碎冰將被進(jìn)一步過濾掉。船用設(shè)備使用過的海水具有一定溫度，可通過排放管支管再次回流至冰箱及海水分隔間，利用其余溫來加速融化海底門箱體內(nèi)剩余浮冰或碎冰。

2.5 通道

由于外界氣溫極低，極地航行船通道表面極有可能被冰雪覆蓋，從而影響人員通行。本節(jié)對船上逃生通道、設(shè)備操作通道、登輪點至救生設(shè)備通道及集結(jié)站等進(jìn)行了防凍對策分析，可以選擇電加熱法或封閉保護(hù)法。電加熱法即在通道下方預(yù)埋加熱伴管并鋪設(shè)保溫材料，見圖7，以確保一條寬度為700 mm的無冰通道供通行。由于居住區(qū)各層甲板均設(shè)計為封閉結(jié)構(gòu)，故居住區(qū)內(nèi)各層逃生通道及集結(jié)站可選用封閉保護(hù)法，同時逃生通道下方采用上述電加熱法以確保表面無冰。各通道的防凍對策匯總?cè)绫?。登輪點至居住區(qū)通行通道見圖8。

表5 通道防凍對策

3 結(jié)論

由于目前國內(nèi)極地航行船的設(shè)計仍處于起步階段，適用在極地船舶的防凍方法仍是以傳統(tǒng)的蒸汽加熱、電加熱等方法為主，隨著科技的不斷發(fā)展，也出現(xiàn)了例如納米超憎水涂層、記憶合金技術(shù)等利用材料本身的特性進(jìn)行防凍的新型防凍除冰技術(shù)，但是否能夠?qū)嶋H應(yīng)用于船舶上還有待驗證，故更高性能、高效率、綠色環(huán)保型的新型防凍技術(shù)仍是未來研究的主要方向。

目前Polar Code已于2017年1月1日正式生效實施，對極地航行船舶的安全及環(huán)保都提出了相應(yīng)的要求，但極區(qū)環(huán)境復(fù)雜惡劣，船舶的安全航行仍存在著許多未知的困難。相信隨著極地航行次數(shù)的日益增多及航行經(jīng)驗的日益累積，極地相關(guān)規(guī)范也會更加全面完善，要求更加具體明確，為極地航行船的設(shè)計、建造及安全航行將提供更有力的保障。

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