大型民用核動(dòng)力船舶外部環(huán)境參數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)研究

徐 立，徐 楚，方軍庭，鄧儒超，李俊辰

（1.武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 可靠性工程研究所，武漢 430063；2.中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院反應(yīng)堆運(yùn)行與應(yīng)用研究所，成都 610064）

0 引言

近年來，隨著國際能源形勢(shì)緊張、石油價(jià)格飛漲，以及國際海事組織對(duì)航運(yùn)業(yè)減排要求的提高，以燃油為動(dòng)力的商船面臨新的選擇。因此，民用核動(dòng)力船舶的應(yīng)用逐步受到人們的重視。但與普通民用船舶相比，民用核動(dòng)力船舶需要更高的安全標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)榇笮兔裼煤藙?dòng)力船舶需要長時(shí)間在海洋上航行，受到全球不同區(qū)域海洋環(huán)境和各類船舶事故的影響，船舶核動(dòng)力裝置的外部環(huán)境參數(shù)處于頻繁的變化狀態(tài)。為此，需針對(duì)民用核動(dòng)力船舶的特殊性，從設(shè)計(jì)上對(duì)民用核動(dòng)力船舶的運(yùn)行安全提出要求，使其適應(yīng)在海洋環(huán)境下運(yùn)行的不同工況，為民用核動(dòng)力船舶的安全可靠運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

目前，我國尚未建造過大型民用核動(dòng)力船舶，也未建立民用核動(dòng)力船舶的運(yùn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。開展民用核動(dòng)力船舶外部環(huán)境參數(shù)研究，其目的就是通過分析民用核動(dòng)力船舶和常規(guī)動(dòng)力民用船舶的相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，找出兩種船舶在海洋環(huán)境參數(shù)的極限值設(shè)置上的異同，在分析研究二者差異的基礎(chǔ)上，提出相關(guān)參數(shù)的建議參考值，為后期核動(dòng)力船舶的工程實(shí)施提供理論依據(jù)。

考慮到海洋環(huán)境對(duì)民用核動(dòng)力船舶的影響，在參考現(xiàn)有核商船設(shè)計(jì)規(guī)范以及國家軍用標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)艦船的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，通過甄別、判斷和分析，提取一系列船舶核動(dòng)力裝置運(yùn)行的外部環(huán)境參數(shù)，如艦船沖擊設(shè)計(jì)值、船舶及動(dòng)力裝置傾斜和搖擺參數(shù)、設(shè)備承受和工作溫度、海水含鹽量和鹽霧濃度值等。

1 船舶沖擊設(shè)計(jì)值

船舶在航行過程中不可避免受到各種沖擊載荷的威脅，對(duì)于一般民用船舶，其沖擊載荷主要是船舶碰撞或擱淺時(shí)的碰撞力載荷。對(duì)于民用核動(dòng)力船舶的沖擊設(shè)計(jì)值，可參照《艦船環(huán)境條件要求-機(jī)械環(huán)境（GJB1060.1-1991）》中所列舉的相關(guān)公式，計(jì)算出船舶各個(gè)部位沖擊參數(shù)的極限值[1]。水面艦船的沖擊設(shè)計(jì)值如表1所示。

表1 水面艦船的沖擊設(shè)計(jì)值

表1中，A0為基準(zhǔn)加速度，m/s2；V0為基準(zhǔn)速度，m/s；Aa為設(shè)計(jì)加速度，m/s2；Va為設(shè)計(jì)速度，m/s。A0、V0按下列公式計(jì)算。

1）對(duì)與船體和外板安裝部位：

2）對(duì)于甲板安裝部位

其中：ma為模態(tài)質(zhì)量，kg。

2 船舶及核動(dòng)力裝置的搖擺和傾斜

受海浪沖擊、海風(fēng)等海洋條件的影響，船舶在運(yùn)行中會(huì)伴隨搖擺、起伏和傾斜等多自由度附加運(yùn)動(dòng)。劇烈搖蕩會(huì)降低航速，造成貨損，損壞船體和機(jī)器。民用核動(dòng)力船舶更要考慮到搖擺和傾斜對(duì)反應(yīng)堆等動(dòng)力裝置的影響。因此民用核動(dòng)力船舶和反應(yīng)堆系統(tǒng)需對(duì)搖擺和傾斜有一定的承受能力。

2.1 船舶搖擺性

對(duì)于船舶的搖擺和傾斜參數(shù)，參考《艦船通用規(guī)范0組-艦船總體與管理（GJB 4000-2000）》中對(duì)艦船多自由度搖擺和傾斜的規(guī)定[2]，如表2所示。

表2 水面艦船的傾斜和搖擺參數(shù)

2.2 核動(dòng)力裝置對(duì)船舶搖擺的要求

對(duì)核動(dòng)力裝置系統(tǒng)的安全級(jí)別和設(shè)計(jì)級(jí)別，參照《核商船安全規(guī)范（譯文）》，根據(jù)系統(tǒng)和部件對(duì)安全的重要程度，將其安全級(jí)別分成1到4級(jí)[3]。同時(shí)，在各安全級(jí)別內(nèi)的各個(gè)系統(tǒng)或部件也應(yīng)規(guī)定從1到4級(jí)的相應(yīng)設(shè)計(jì)等級(jí)。1級(jí)設(shè)計(jì)（DC-1）要求采用設(shè)計(jì)和質(zhì)量保證的最高標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于承壓部件，設(shè)計(jì)應(yīng)考慮當(dāng)船舶在經(jīng)受直到 30°的靜態(tài)橫傾，或直到45°的橫搖角，或10°的艏艉縱傾，或這極限角度的任意組合的情況下仍能繼續(xù)運(yùn)行；在所有的傾斜角度的情況下，要確保船舶的完整性。

反應(yīng)堆安全系統(tǒng)及其電源應(yīng)設(shè)計(jì)成當(dāng)船舶經(jīng)受直到30°的靜態(tài)橫傾，或直到45°的橫搖角，或10°的艏艉縱傾時(shí)能正常工作。即使在快速停止或反應(yīng)堆功率驟增時(shí)，向一邊不超過 45°的單向運(yùn)動(dòng)也不應(yīng)引起設(shè)備失靈或超應(yīng)力。如果能向政府證明并使政府相信船舶不會(huì)遇到這種狀態(tài)，則這些角度還可以減少，在這種情況下，允許的減少量應(yīng)該寫在反應(yīng)堆裝置的適應(yīng)性證書上。

在船舶橫傾45°或艏、艉縱傾10°或船舶橫傾到喪失整體穩(wěn)性的角度（取其小者）的情況下，快速停堆（緊急停堆）系統(tǒng)應(yīng)能在較小的傾角下自動(dòng)操作。但僅僅由于較上述條件中更小角度的橫傾和縱傾，反應(yīng)堆不應(yīng)自動(dòng)停堆。

3 船舶動(dòng)力裝置環(huán)境條件參數(shù)

船舶動(dòng)力裝置的環(huán)境條件包括溫度、濕度、海水含鹽量和鹽霧等，對(duì)于常規(guī)動(dòng)力船舶，機(jī)艙內(nèi)布置有主機(jī)、發(fā)電機(jī)、鍋爐等大量的動(dòng)力裝置設(shè)備，不同的環(huán)境條件對(duì)動(dòng)力裝置設(shè)備的正常工作有著重大的影響。船舶航行于世界不同的海域，有時(shí)一個(gè)航次就要跨越不同的季節(jié)區(qū)帶。因此，對(duì)于船舶動(dòng)力裝置來說，環(huán)境條件是一個(gè)很大的變數(shù)，不同的環(huán)境參數(shù)將直接影響其工作性能[4,5]。對(duì)于民用核動(dòng)力船舶，可以參考常規(guī)動(dòng)力船舶及核潛艇的動(dòng)力裝置環(huán)境參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 空氣溫度和相對(duì)濕度

民用核動(dòng)力船舶對(duì)環(huán)境氣候條件的適應(yīng)性可以參考《艦船通用規(guī)范 2組-推進(jìn)系統(tǒng)（GJB4000-2000）》中艦船推進(jìn)系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性的標(biāo)準(zhǔn)[6]。船舶推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)能在下列空氣溫度和相對(duì)濕度的環(huán)境條件下正常可靠地工作。

1）對(duì)于水面艦船：汽輪機(jī)艙、鍋爐艙內(nèi)的最高空氣溫度為60℃；柴油機(jī)艙和燃?xì)廨啓C(jī)艙內(nèi)的最高空氣溫度為 55℃；其他艙室內(nèi)的最高空氣溫度為40℃；露天部位的最高空氣溫度為65℃；在冬季有保溫的主、輔機(jī)艙內(nèi)，最低空氣溫度為 5℃（當(dāng)艙外空氣溫度為-12℃、海水溫度為0℃時(shí))；艙外或非保溫艙室內(nèi)的最低空氣溫度為-28℃；空氣相對(duì)濕度為大于95%（有凝露）。

（3）在計(jì)算鋼纖維體積率中，需要按照試驗(yàn)抗拆強(qiáng)度的要求按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算，通常體積率取值范圍在1.0%～1.5%。

2）對(duì)于常規(guī)潛艇：柴油機(jī)艙、主推進(jìn)電機(jī)艙、蓄電池艙內(nèi)的最高空氣溫度為45℃；其余艙室內(nèi)的最高空氣溫度為40℃；艙外露天部位的最高空氣溫度為65℃；主、輔機(jī)艙內(nèi)的最低空氣溫度為50℃，艙外露天部位的最低空氣溫度為-28℃；空氣相對(duì)濕度為大于95%（有凝露）。

3）對(duì)于核潛艇：反應(yīng)堆艙內(nèi)的最高空氣溫度65℃；主機(jī)艙和輔機(jī)艙內(nèi)的最高空氣溫度60℃；柴油機(jī)艙內(nèi)的最高空氣溫度45℃；艙外部位的最高空氣溫度65℃；各機(jī)艙內(nèi)的最低空氣溫度為5℃；在濕熱環(huán)境下，主機(jī)艙、輔機(jī)艙和柴油機(jī)艙內(nèi)空氣溫度38℃；相對(duì)濕度為95%。

3.2 海水溫度

推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)能在最低海水溫度為-2℃，最高海水溫度為35℃的范圍內(nèi)正常可靠地工作。同時(shí)，對(duì)于使用海水冷卻的設(shè)備，其進(jìn)口海水溫度的選取也有一定要求，如表3所示。

表3 各種冷卻設(shè)備進(jìn)口海水溫度

從表3中可以看出，核潛艇與各常規(guī)動(dòng)力船舶相比，其冷卻設(shè)備需要溫度更低的冷卻水，因此對(duì)于民用核動(dòng)力船舶推進(jìn)系統(tǒng)，其環(huán)境參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)可以參照核潛艇的標(biāo)準(zhǔn)制定。

3.3 海水含鹽量和鹽霧

船舶設(shè)備主要受到海洋大氣、海水飛沫、雨雪、沖洗甲板時(shí)所用的海水以及凝結(jié)水的侵蝕。其中海洋大氣中的高濃度鹽霧是造成設(shè)備腐蝕的一個(gè)重要因素。鹽霧對(duì)艦船水上設(shè)備的腐蝕直接影響了船舶的環(huán)境適應(yīng)性、使用的可靠性和船體的壽命，以及船舶的海上生存能力。高鹽霧條件對(duì)設(shè)備主要造成以下影響：產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕、加速應(yīng)力腐蝕和鹽在水中電離后形成的酸/堿溶液的腐蝕影響；由于鹽沉積引起的電子裝備損壞、導(dǎo)電層產(chǎn)生等絕緣材料和金屬腐蝕的電氣影響；機(jī)械部件和組件的活動(dòng)部分阻塞或粘結(jié)、由電解作用導(dǎo)致漆層起泡的影響[7,8]。

對(duì)于海水含鹽量和鹽霧的標(biāo)準(zhǔn)，可以參照《艦船環(huán)境條件要求-氣候環(huán)境（GJB1060.2-1991）》中的要求[9]。海水含鹽量的最高記錄為35kg/m3，其中氯化鈉為 27kg/m3。因此，對(duì)于暴露在水中的艦船設(shè)備，應(yīng)能在含鹽量最高紀(jì)錄的海水環(huán)境中正常工作。對(duì)于露天部位的設(shè)備，應(yīng)能在 5mg/m3的鹽霧環(huán)境中正常工作；艙室內(nèi)的設(shè)備，應(yīng)能在 2mg/m3的鹽霧環(huán)境中正常工作。

4 結(jié)束語

通過對(duì)民用核動(dòng)力船舶外部環(huán)境參數(shù)的研究及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的分析，能為后期核動(dòng)力船的工程實(shí)施提供一定的理論依據(jù)，主要分析結(jié)論如下：

2）傾斜和搖擺設(shè)計(jì)值可參照GJB對(duì)于船舶傾斜和搖擺設(shè)計(jì)值的規(guī)定以及《核商船安全規(guī)范（譯文）》中核動(dòng)力裝置對(duì)于船舶搖擺性的工作要求。

3）核動(dòng)力裝置的環(huán)境條件參數(shù)可參照GJB中對(duì)于空氣溫度、相對(duì)濕度、海水溫度以及海水含鹽量和鹽霧的標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)水面艦船和核潛艇的不同參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，找出更適合民用核動(dòng)力船舶的安全嚴(yán)格的環(huán)境參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

[1] GJB1060.1-1991, 中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)艦船環(huán)境條件要求-機(jī)械環(huán)境[S]. 1991.

[2] GJB 4000-2000, 中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)艦船通用規(guī)范0組-艦船總體與管理[S]. 2000.

[3] 核商船安全規(guī)范[S]. 1981.

[4] 李品芳, 蔡振雄. 環(huán)境條件對(duì)船舶主機(jī)運(yùn)行的影響與管理對(duì)策[J]. 集美大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2005, 10(1): 49-52.

[5] 施祝斌, 王琪. 航行環(huán)境對(duì)船舶主機(jī)運(yùn)行參數(shù)的影響[J]. 上海海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 28(2): 53-57.

[6] GJB4000-2000, 中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)艦船通用規(guī)范2組-推進(jìn)系統(tǒng)[S]. 2000.

[7] 董言治, 尉志蘋, 沈同圣, 等. 高鹽霧條件下艦船設(shè)備的腐蝕防護(hù)研究進(jìn)展[J]. 現(xiàn)代涂料與涂裝, 2003(3): 35-36.

[8] 董言治, 周曉東, 沈同圣, 等. 艦船設(shè)備鹽霧防護(hù)及實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù), 2004,16(1): 29-32.

[9] GJB1060.2-1991, 中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)艦船環(huán)境條件要求-氣候環(huán)境[S]. 1991.