冰級(jí)船海水系統(tǒng)的防冰堵設(shè)計(jì)

劉維國(guó)，呂　君，楊海燕

(1.海軍駐426廠軍事代表室，遼寧 大連 116005；2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

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冰級(jí)船海水系統(tǒng)的防冰堵設(shè)計(jì)

劉維國(guó)1，呂君2，楊海燕2

(1.海軍駐426廠軍事代表室，遼寧 大連 116005；2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

摘要：介紹國(guó)外部分冰級(jí)船設(shè)計(jì)規(guī)范中冰級(jí)船海水系統(tǒng)的防冰設(shè)計(jì)技術(shù)要求，從吸入控冰、內(nèi)部隔冰和加熱除冰3個(gè)方面分析海水系統(tǒng)防冰堵的措施，得出該系統(tǒng)防冰設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：冰級(jí)船；海水系統(tǒng)；防冰；除冰；通海閥箱

冰級(jí)船在冰區(qū)水域航行時(shí)，水中的冰塊和冰泥可能通過(guò)船舶的海水吸入口進(jìn)入通海閥箱，從而堵塞海水管路系統(tǒng)，造成海水供應(yīng)不足。本文通過(guò)對(duì)國(guó)際海事組織(IMO)[1-2]、國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)(IACS)[3]、挪威船級(jí)社(DNV)[4-5]以及美國(guó)船級(jí)社(ABS)[6-7]等機(jī)構(gòu)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，從吸入控冰、內(nèi)部隔冰和加熱除冰3個(gè)方面提煉冰級(jí)船海水系統(tǒng)的防冰堵措施，并對(duì)利用循環(huán)水回路除冰的海水冷卻系統(tǒng)進(jìn)行介紹，旨在為我國(guó)發(fā)展該項(xiàng)防冰堵設(shè)計(jì)技術(shù)提供參考。

1吸入控冰

通海閥箱的吸入口作為海水的惟一進(jìn)口，在海水系統(tǒng)的防冰堵設(shè)計(jì)中非常重要。吸入控冰是指通過(guò)船舶通海閥箱海水吸入口的合理布置來(lái)防止或最大程度上減少冰的攝入。而提供最佳保護(hù)的位置僅取決于船型和船的尺寸。比如，一些有限吃水的小船可能將吸入口布置在靠近船中線的地方，以免吸入從艏往艉漂移的浮冰。一般而言，吸入口應(yīng)布置在靠近船中、盡可能低且盡量遠(yuǎn)離船艉的地方。

圖1　堰板型通海閥箱的設(shè)計(jì)

2內(nèi)部隔冰

內(nèi)部隔冰是指在通海閥箱中安裝堰板或隔離板來(lái)分離冰塊以實(shí)現(xiàn)海水進(jìn)口管防冰堵的目的。在波羅的海海域航行的破冰船常采用這種堰板型的通海閥箱。如圖1和圖2所示，由于海水進(jìn)口管通過(guò)一塊固體堰板(低于水線)或隔離板(高于水線)和海水吸入口隔離，所以可能進(jìn)入通海閥箱的冰塊會(huì)漂浮在閥箱頂部，防止冰塊被吸入進(jìn)口管，減少了通海閥箱中海水進(jìn)口管堵塞的可能。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DN20 mm。此外通海閥箱吸入口的流通面積應(yīng)為和海水艙相連的所有泵進(jìn)口面積之和的5～6倍。

3加熱除冰

3.1通海閥箱的除冰

雖然通海閥箱的上述布置考慮以及加裝堰板或隔離板的結(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。為減少冰級(jí)船在寒冷地區(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、熱油或熱水盤管，以達(dá)到除冰的目的，見(jiàn)圖2。

實(shí)際應(yīng)用中可能更普遍地采用直接加熱的除冰方式(見(jiàn)圖3)，在通海閥箱內(nèi)靠近吸入口的位置安裝低壓蒸汽噴頭或壓縮空氣用于融化或吹除吸入口格柵上的冰塊。不過(guò)加拿大東部冰區(qū)海域的船舶航行實(shí)踐表明，即使在薄冰工況下僅依靠蒸汽融冰或空氣吹冰還是無(wú)法維持足夠的海水吸入量。需在通海閥箱上加裝一根通大氣的透氣管，其橫截面積至少應(yīng)等于海水進(jìn)口管的橫截面積。透氣管應(yīng)布置在防凍區(qū)域或加裝伴熱帶作為預(yù)防措施，以免因冰堵造成船體結(jié)構(gòu)的破壞。

圖2　帶加熱盤管的隔離板型通海閥箱的設(shè)計(jì)

圖3　利用循環(huán)水系統(tǒng)除冰的海水冷卻系統(tǒng)原理

國(guó)際海事組織推薦一種利用循環(huán)水回路除冰的海水冷卻系統(tǒng)。當(dāng)冰級(jí)船在冰區(qū)水域航行時(shí)，海水從船舶低位通海閥箱流入海水艙，然后經(jīng)海水泵運(yùn)送到空調(diào)、淡水造水機(jī)和蒸汽冷凝器等各換熱器，進(jìn)行熱交換后各海水支管合成一條總管，合管后的海水溫度得到升高。然后將這部分海水經(jīng)循環(huán)管路系統(tǒng)重新導(dǎo)入低位通海閥箱和海水艙去融化冰塊，此時(shí)舷外排出閥處于關(guān)閉狀態(tài)，以保證換熱后的海水能回流到通海閥箱和海水艙中。在非冰區(qū)水域航行時(shí)，海水從船體舷外經(jīng)吸入口進(jìn)入高位通海閥箱，然后由海水泵運(yùn)送到各換熱器進(jìn)行熱交換后匯成一條總管，合管后的海水全部經(jīng)舷部附件排出舷外。2種工況下海水輸運(yùn)流程見(jiàn)圖4、5。

圖4除冰工況下海水輸運(yùn)流程

圖5非除冰工況下海水輸運(yùn)流程

3.2粗效過(guò)濾器的除冰

圖6　通海閥箱和粗效過(guò)濾器進(jìn)口前的除冰回路

低位通海閥箱出口管路上安裝的粗效過(guò)濾器也是船舶易受冰堵的設(shè)備之一。在通海閥箱和粗效過(guò)濾器進(jìn)口前各加裝一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)除冰回路，見(jiàn)圖6。為防止吸入冰，過(guò)濾器中過(guò)濾板的孔徑約為DN20 mm。需要注意的是，帶截止閥的循環(huán)管路必須在船進(jìn)入干塢時(shí)才能安裝，且通海閥箱上需安裝新截止閥。取消圖6中通海閥箱上的除冰回路是可行的，只要通海閥箱和粗效過(guò)濾器之間有足夠的空間便可隨時(shí)安裝帶截止閥的循環(huán)管路。

4系統(tǒng)防冰堵措施

1)從減少冰的吸入考慮，海水吸入口應(yīng)盡量布置在遠(yuǎn)離船艉且靠近船中線的地方。

2)在船舶內(nèi)部隔冰方面，帶堰板或隔離板的通海閥箱結(jié)構(gòu)可以起到分離冰塊，減少海水進(jìn)口管被冰堵塞的作用。

3)從加熱除冰的角度出發(fā)，既可以在通海閥箱、海水艙或其連接管路及附件上安裝加熱盤管，也可以利用循環(huán)海水回路直接除冰。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙遠(yuǎn)征,呂君,房玉吉,等.冰級(jí)船海水系統(tǒng)防冰設(shè)計(jì)技術(shù)初步研究[J].船舶標(biāo)準(zhǔn)化工程師,2014,48(1),18-20.

[2] IMO. Guidelines for ships operating in arctic ice-covered waters[S].2002.

[3] IACS. Requirements concerning-Polar Class[S].2011.

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

[5] DNV. Ships for navigation in ice[S].2003.

[6] ABS. Guide for vessels operating in low temperature invironments[S].2012.

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

Research on Anti-Icing Design Technology for Ice Class Ship Seawater System

LIU Wei-guo1, LV Jun2, YANG Hai-yan2

(1 Navy Representative Office in No.426 Factory, Dalian Liaoning 116005, China;2 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:Anti-icing design technical requirements for the ice class ship seawater system on some ice class ship design rules abroad are introduced. Three anti-icing measures of seawater system are analyzed including the way of suction controlling of ice, separating the ice in the ship and heating de-icing. Some key points of anti-icing design technology for the ice class ship seawater system are summarized.

Key words:ice class ship; seawater system; anti-icing; de-icing; sea box

中圖分類號(hào)：U674.21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2016)02-0027-03

第一作者簡(jiǎn)介：劉維國(guó)(1961-)，男，碩士，高級(jí)工程師E-mail:lvjun5238036@126.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.008

修回日期：2016-01-21

研究方向:船舶系統(tǒng)