冬季低溫下船舶建造防凍方案設(shè)計(jì)

大連中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司 李江波 大連電子學(xué)校 趙瑩

中國(guó)北方沿海地區(qū)冬季氣溫較低，以往的氣象數(shù)據(jù)顯示，船舶建造項(xiàng)目區(qū)冬季平均氣溫-6 ℃～-8 ℃，極端最低氣溫可達(dá)-20 ℃左右。根據(jù)船舶建造經(jīng)驗(yàn)，船舶封閉區(qū)域溫度通常比環(huán)境溫度高6 ℃～8 ℃。在冬季船舶建造期間，在建船舶封閉區(qū)域溫度在-2 ℃～2 ℃之間。

船舶設(shè)備和管路的設(shè)計(jì)與選用時(shí)基于環(huán)境溫度，均考慮了設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度，以避免由于低溫超過(guò)允許使用溫度而造成凍壞現(xiàn)象。但在冬季低溫下船舶建造期間，在建船舶上可能出現(xiàn)由設(shè)備和管路內(nèi)留存液體造成的銹蝕或凍壞，帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，也給現(xiàn)場(chǎng)施工和維護(hù)帶來(lái)較大的困難，影響船舶建造質(zhì)量。

本文在分析船舶設(shè)備和管路凍壞原因的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了防凍方案，并通過(guò)實(shí)船防凍方案設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，為船舶冬季低溫防凍提供了參考。

一、問(wèn)題提出和分析

每艘船舶都是由船體、輪機(jī)、電氣三大部分組成。舾裝部分主要包括推進(jìn)裝置、輔助裝置（船舶電站、輔助鍋爐裝置）、管路系統(tǒng)、甲板機(jī)械、自動(dòng)化設(shè)備、特種系統(tǒng)。管路系統(tǒng)是用來(lái)連接各種機(jī)械設(shè)備并輸送相關(guān)流體的管系，由各種閥件、泵、濾器、熱交換器等組成[1]。船體結(jié)構(gòu)艙室、裝置和管路系統(tǒng)中的流體介質(zhì)主要是燃油、滑油、海淡水、空氣。

船舶建造期間搭載的船用燃油，有輕油（船用餾分燃料油）和重油（船用殘?jiān)剂嫌停］p油（MDO）在冬季凝點(diǎn)一般是-3 ℃～-5 ℃,重油的凝點(diǎn)一般是13 ℃～15 ℃。燃油的密度隨溫度而變，在冬季低溫下，燃油將會(huì)凝固。低溫凝固后，燃油密度將變大，體積變小[2]。滑油的凝點(diǎn)較低，在冬季低溫環(huán)境下，一般不會(huì)凝固。滑油密度隨溫度降低而增加，體積變小。海淡水在冬季低溫下，將結(jié)冰膨脹。

在冬季環(huán)境溫度低于流體介質(zhì)凝點(diǎn)時(shí)，留存液體物理特性變化產(chǎn)生凝固，依據(jù)介質(zhì)的不同低溫特性，對(duì)船體艙室、管路、設(shè)備產(chǎn)生不同影響。燃油、滑油凝固后密度增大，體積變小，不會(huì)造成凍裂。海淡水凝固后轉(zhuǎn)變?yōu)楸w積膨脹，可能會(huì)造成船舶部件脹裂。

二、方案設(shè)計(jì)和對(duì)比

通過(guò)加熱保溫使環(huán)境溫度在海淡水凝點(diǎn)以上或添加防凍液改變海淡水的物理特性，可以避免海淡水在低溫下凝固，給海淡水預(yù)留結(jié)冰后膨脹的空間，防止船舶部件脹裂。將存留在船舶管路或設(shè)備中的海淡水泄放處理干凈，進(jìn)行干式存放，可避免結(jié)冰。防凍方案的設(shè)計(jì)，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮。

(一)具體方案

1.改變環(huán)境溫度

通過(guò)改變環(huán)境溫度，加熱保溫，使環(huán)境溫度高于海淡水凝點(diǎn)，避免海淡水低溫凝固膨脹。根據(jù)實(shí)際建造經(jīng)驗(yàn)，在船舶建造過(guò)程中，如船用輔鍋爐未安裝，可利用岸上蒸汽管路接入。在船用輔鍋爐安裝調(diào)試正常后，開(kāi)啟船用輔鍋爐，產(chǎn)生蒸汽，利用蒸汽管路或增加暖氣設(shè)備來(lái)改變環(huán)境溫度。在利用蒸汽改變環(huán)境溫度過(guò)程中，要注意對(duì)開(kāi)口區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)封堵，減少與環(huán)境區(qū)域進(jìn)行熱交換時(shí)產(chǎn)生的損失，例如機(jī)艙吊物口等。在船舶設(shè)計(jì)階段，要考慮蒸汽管路預(yù)留用于冬季防凍蒸汽接入的進(jìn)出口、泄放口。

2.添加防凍液

在水中添加防凍液可以防止冬季低溫下水結(jié)冰脹裂設(shè)備或管路。防凍液的冰點(diǎn)是防凍液最重要的指標(biāo)之一，也是防凍液能否防凍的關(guān)鍵條件，應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境溫度條件選擇防凍液的冰點(diǎn)(即凝固點(diǎn))。一般情況下，防凍液冰點(diǎn)應(yīng)選擇在比環(huán)境最低氣溫低10 ℃～15 ℃為宜。一般應(yīng)選用具有防銹、防腐及除垢能力的防凍液，能對(duì)管路系統(tǒng)的部件起到防腐防銹保護(hù)作用，避免降低管路系統(tǒng)的散熱作用。同時(shí)要考慮選擇與橡膠密封圈相匹配的防凍液，避免對(duì)橡膠密封圈產(chǎn)生溶脹和侵蝕等副作用。防凍液的種類(lèi)很多，目前在船舶建造防凍中使用的主要是含乙二醇母液的防凍劑。

水密試驗(yàn)的目的是檢查管路、艙室有無(wú)滲漏現(xiàn)象和強(qiáng)度好壞[3]。在試驗(yàn)過(guò)程中，注水后需要存水保壓一段時(shí)間。在冬季低溫環(huán)境下，水可能在保壓過(guò)程中結(jié)冰膨脹，造成管路損害。管路系統(tǒng)一般在全船區(qū)分布較散，不便整體改變環(huán)境溫度，所以在做防凍設(shè)計(jì)時(shí)，最好選用防凍液防凍。

3.存水管理

船體結(jié)構(gòu)的水艙在嚴(yán)寒中可能因存水結(jié)冰而膨脹變形或崩裂。如水艙的外壁屬于船殼板的一部分，外壁在水線(xiàn)以上的面積/體積大，或水艙外壁位于迎風(fēng)一側(cè)，艙室內(nèi)的水容易結(jié)凍。如果水艙內(nèi)的存水不作循環(huán)也不流動(dòng)，則更易結(jié)凍。

針對(duì)艙室面積/體積大、加熱設(shè)備不易布置的特點(diǎn)，防凍設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮對(duì)存水進(jìn)行管理，預(yù)留膨脹空間。一般要求水艙的存水不要太滿(mǎn)，但應(yīng)避免將各水艙的存水過(guò)量抽掉，引起穩(wěn)性降低或過(guò)強(qiáng)、自由液面增加、吃水差改變、受風(fēng)面積增加、螺旋槳露出水面等問(wèn)題[4]。根據(jù)實(shí)際建造經(jīng)驗(yàn)，對(duì)上層邊水艙、邊水艙、前后尖艙應(yīng)優(yōu)先考慮，其實(shí)際存水量應(yīng)不超過(guò)滿(mǎn)艙的85%。對(duì)位于水線(xiàn)以下的艙室，因?yàn)榕撏夂Ｋ灰捉Y(jié)冰，海水溫度可傳至艙室內(nèi)的存水，使其不易結(jié)冰，所以艙室存水量不能超過(guò)其容量的95%。此外，對(duì)于水艙的空氣管和測(cè)深管來(lái)說(shuō)，在其艙室艙頂以上的部分不要存水。

冬季低溫下進(jìn)行船舶建造時(shí)，建立嚴(yán)格的質(zhì)量安全管理體系，船舶建造人員應(yīng)根據(jù)艙室防凍設(shè)計(jì)要求，實(shí)時(shí)進(jìn)行存水管理，這是船舶艙室建造防凍的關(guān)鍵[5]。

4.對(duì)介質(zhì)清除處理

將管路系統(tǒng)或設(shè)備中留存的海水或淡水進(jìn)行清除處理，保持其中干燥，可避免管道或設(shè)備凍壞。針對(duì)不同管路系統(tǒng)、設(shè)備可設(shè)計(jì)不同的存水處理方法。

（1）進(jìn)行泄放

船舶設(shè)計(jì)階段應(yīng)該對(duì)管路系統(tǒng)和設(shè)備的泄放方法以及泄放位置予以考慮。在管路系統(tǒng)中設(shè)計(jì)泄放管路，并且將泄放點(diǎn)盡量布置在整個(gè)系統(tǒng)的最低點(diǎn)，以保證存水被泄放干凈，泄出的水需設(shè)計(jì)為可引至污水井內(nèi)或排舷外。在設(shè)備中也要設(shè)計(jì)泄放口，泄放口的位置同樣要保證存水能被泄放干凈。設(shè)備發(fā)運(yùn)到船廠前，要求設(shè)備廠家將設(shè)備內(nèi)的存水泄放，采用干式保養(yǎng)發(fā)運(yùn)。對(duì)于新船、新管路、新設(shè)備，在船舶設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)專(zhuān)門(mén)進(jìn)行泄放設(shè)計(jì)。

對(duì)于泄放操作方法信息，要提供給船舶現(xiàn)場(chǎng)建造人員，供其實(shí)施，形成設(shè)計(jì)及信息傳遞建造現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)效機(jī)制和實(shí)施效果的反饋機(jī)制[6]。

（2）利用壓縮空氣吹除

對(duì)于已泄放后或水壓試驗(yàn)后的殘水，可利用壓縮空氣進(jìn)行吹除。

（3）設(shè)計(jì)改善，避免殘水存留

對(duì)管路、設(shè)備中容易存水的部分進(jìn)行設(shè)計(jì)改善，使積水可以泄放干凈，避免有殘留積水導(dǎo)致管路系統(tǒng)和設(shè)備凍壞。例：管路在進(jìn)行變形量調(diào)節(jié)或避讓用U 形彎管設(shè)計(jì)時(shí)，布置方向由豎直改為水平，可避免殘留積水。

(二)方案對(duì)比

下面對(duì)前文所述各防凍方案的特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比，如表1 所示。

表1 冬季低溫建造防凍各方案的對(duì)比

從上述對(duì)比結(jié)果可以看出，各種防凍方案在經(jīng)濟(jì)性、適用性方面是不同的。利用鍋爐加熱改變環(huán)境溫度和添加防凍液，經(jīng)濟(jì)費(fèi)用較高，并且有些區(qū)域不適用，但防凍效果好。對(duì)管路/設(shè)備中水進(jìn)行泄放處理，即能達(dá)到防凍的目的，又可反復(fù)使用，且費(fèi)用較低。存水管理，只適用于必須存水艙室的防凍。

對(duì)介質(zhì)清除處理防凍方案的各具體方法的對(duì)比，見(jiàn)表2。采用壓縮空氣進(jìn)行設(shè)備/管路內(nèi)水處理，只適用于小管徑管路，且根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)績(jī)，通常殘水處理不凈。進(jìn)行設(shè)計(jì)改善、避免殘水積留是預(yù)防的可靠措施。存水泄放是管路/設(shè)備冬季低溫防凍設(shè)計(jì)中操作性強(qiáng)、可反復(fù)使用的主要方法。

表2 介質(zhì)清除處理各方法對(duì)比

表3 各建造階段特點(diǎn)和防凍方法

三、應(yīng)用實(shí)例

某30 萬(wàn)噸礦砂船的建造期為：塢內(nèi)建造、岸壁舾裝、海試、岸壁待交船。海試中船舶保持航行狀態(tài)，設(shè)備處于運(yùn)轉(zhuǎn)中，且可利用鍋爐、空調(diào)來(lái)進(jìn)行環(huán)境溫度調(diào)節(jié)，只要進(jìn)行充分的準(zhǔn)備，采取必要的防凍管理措施，可保證船舶防凍。而在其他三個(gè)階段，對(duì)船舶不同區(qū)劃，應(yīng)該針對(duì)介質(zhì)留存的特點(diǎn)考慮防凍的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，以采用不同防凍方案，見(jiàn)表3。

根據(jù)不同建造階段船舶舾裝的工作特點(diǎn)、介質(zhì)留存的特點(diǎn)，以及船舶不同區(qū)劃艙室、系統(tǒng)、設(shè)備的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用一種或多種防凍方法，即可達(dá)到船舶部件防凍的目的，又能提高船舶建造的經(jīng)濟(jì)性。

四、結(jié)語(yǔ)

在冬季低溫建造期間，針對(duì)船舶不同區(qū)劃和場(chǎng)合，應(yīng)設(shè)計(jì)采用不同的防凍方法，避免船舶管路或設(shè)備因其中海淡水結(jié)凍膨脹而對(duì)船舶造成損害。防凍方法的設(shè)計(jì)既要考慮防凍效果，又要考慮經(jīng)濟(jì)性。

采用鍋爐蒸汽加熱改變環(huán)境溫度或添加防凍液，其經(jīng)濟(jì)成本較高。進(jìn)行存水管理時(shí)，需要現(xiàn)場(chǎng)建造人員根據(jù)實(shí)際建造情況動(dòng)態(tài)跟蹤調(diào)整。對(duì)于存水清除處理，需要在船舶設(shè)計(jì)階段對(duì)泄放方法、泄放管路、泄放口、泄放水處理進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)考慮。

船舶建造防凍工程從最初的防凍設(shè)計(jì)，到建造中的防凍方案實(shí)施，再到最后船舶交付，全程是動(dòng)態(tài)和交互的。各個(gè)階段和區(qū)劃所用防凍方法，需要提前設(shè)計(jì)并傳遞給建造人員。建造人員需根據(jù)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)調(diào)整選用防凍方法，不斷完善設(shè)計(jì)方案。

[1]于洪亮,黃連忠.船舶動(dòng)力裝置[M].大連:大連海事大學(xué)出版社,2006:1-2.

[2]李斌.船舶柴油機(jī)[M].大連:大連海事大學(xué)出版社,2008:87-90.

[3]龍進(jìn)軍.船舶檢驗(yàn)[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2006:100-102.

[4]薛國(guó)善.船舶冬季防凍防滑工作[J].世界海運(yùn),2013(3):30-31.

[5]孫密.冬季船舶安全工作的特點(diǎn)和措施[J].航海技術(shù),1999(6):10-12.

[6]陳志勇.LPG船冬季低溫下不適裝問(wèn)題及對(duì)策[J].水運(yùn)管理,2012(1):8-10.