船級社對寒冷地區航行船舶的輪機設計要求

李晚俠，陶盛山，許小紅

(中外運長航集團金陵船廠，江蘇 南京 210015)

船級社對寒冷地區航行船舶的輪機設計要求

李晚俠，陶盛山，許小紅

(中外運長航集團金陵船廠，江蘇 南京 210015)

摘要：考慮到寒冷地區航行的船舶越來越多，各船級社針對不同的環境條件，編制了各自的設計要求。以挪威(DNV)和勞氏(LR)船級社為例，分析船級社對寒冷地區航行要求等級的劃分方法，理清船級社對寒冷地區航行船舶輪機設計要求的思路，以期對航行于寒冷地區船舶的設計有所幫助。

關鍵詞：冰區航行;船級社;設計規范；輪機設計

0引言

隨著極地航線的開辟，越來越多的船開始考慮航行于寒冷地帶。船舶在寒冷地帶航行時既要考慮海水低溫甚至海水結冰的影響，又要考慮大氣低溫造成設施凍裂的影響，因而設計時應從各個方面全方位考慮才能保證船舶順利航行于寒冷地帶[1]。

各船級社針對船舶航行于寒冷地帶的情況，制定了各自的入級符號，從安全航行角度給出了具體要求。通過對多個船級社規范的研究，發現船級社對相關寒冷地帶航行的規定涉及設計方面內容一般分為3類：與芬蘭-瑞典等同的冰區加強符號要求、極地航行要求和防凍(winterization)要求，至于更多考慮冰載荷撞擊的破冰船著重要求的船體強度設計，本文不涉及該內容。各船級社對輪機設計的該類要求大抵相同。本文主要以常用的挪威(DNV)和勞氏(LR)船級社為例，分別從這3個方面具體分析船級社的要求。

1冰區加強要求

冰區加強等級通常依據冰層厚度劃分。因地理位置關系，芬蘭和瑞典較早制定出了冰級規則，對不同冰級提出了不同的技術要求[2]，成為了冰區航行的標準，得以被各大船級社借鑒。勞氏及挪威船級社與芬蘭-瑞典冰級規則冰區加強符號[3]對應關系見表1。

1.1芬蘭-瑞典冰級規則對輪機設計的要求

在輪機設計方面，冰級規則分別從主機、推進軸系、起動系統和冷卻水系統等方面提出了要求，簡單概括如下。

表1　勞氏及挪威船級社與芬蘭-瑞典冰級的對應符號

1.1.1主機功率輸出要求

主機輸出功率不能小于計算值，不同冰級相關系數不同，計算結果也會有所差異；且至少對IA/IB/IC冰級不低于1 000 kW，對IA super冰級不低于2 800 kW。

1.1.2螺旋槳及推進軸系要求

螺旋槳、軸及齒輪箱等都有相應的強度要求，對不同冰級有各自詳細的計算公式。

(1)對于IA super冰級，如果主機為可逆轉，空壓機應能在30 min內充滿空氣瓶。

(2)冷卻水系統的要求：

①海水進口應盡可能位于船中線附近，并盡量靠近船艉；

②每750 kW的主輔機功率應盡配約1 m3的海水箱容積。海水箱應有足夠的高度，以使冰塊積聚在吸入管口以上。冷卻水排放管以同樣的管徑接至海水箱頂部。海水進口格柵的通流面積應不小于進水管截面積的4倍。根據需要，海水箱上部可設加熱盤管，并按實際情況，可利用壓載水艙內的壓載水作為備用冷卻水[4]。

1.2船級社冰區加強符號對輪機的設計要求

船級社的要求相對于芬蘭-瑞典冰級規則更為詳細和具體，并有各自特殊的要求。

1.2.1勞氏冰區加強符號的主要特殊要求

(1)主推進系統部件材料為鋼質或其他認可的可延展材料。

(2)位于最大載重線及以下的海水進口和出舷閥要提供低壓的蒸汽或壓縮空氣接頭用于清洗[5]。

(3)至少有1臺消防泵連接至有除冰設施的海水箱。

(4)在特定溫度下進行材料的夏比( Charpy) 沖擊試驗。

1.2.2挪威船級社冰區加強符號的主要特殊要求

對冰級1C及以上等級，水線以上的壓載艙要提供有效的防凍措施,吹泡和加熱布置均可接受[6],并特別提出按-10 ℃的環境溫度設計。其他要求與勞氏船級社基本相同。

2極地航行要求

2014年國際海事組通過了《國際極地水域船舶作業規則》將于2017年1月1日生效。極地規則適用于在北極和南極作業的船舶。根據極地所在水域分為3類：中等一年冰、薄一年冰、開敞水域/嚴重程度不如前2類的冰況，從船舶安全作業和極地環境保護方面做出規定。

各船級社也分別制定了自己相應的極地航行規定，以后會隨著生效的國際極地規則作適當修訂。

2.1國際極地規則對輪機設計的主要要求

在防凍方面對輪機設計的主要要求如下：

(1)供給柴油機的空氣要滿足廠家對溫度的最低要求。

(2)供給重要設備及安全設備和系統的液體及滑油要滿足低溫使用。

(3)海水箱和壓載艙要避免冰塊聚集，配備合適的壓縮空氣、蒸汽或熱水沖洗設施。

(4)透氣管、注入和排放管應設計防結冰和積雪。

(5)液體艙包括壓載艙應考慮低溫結冰引起的損害。

(6)需要連續運轉的系統，要提供結冰和積雪的吹除措施。

(7)冰區海水箱要提供有效的除冰和透氣。

(8)水線以上的海水箱、舷邊閥和附件等應有防凍措施。

(9)所有油艙和燃油管系要保溫至燃油所需溫度范圍。

2.2勞氏和挪威船級社極地航行要求

2.2.1勞氏船級社極地航行要求

勞氏船級社極地航行符號為PC1-PC7，對輪機設計的主要要求如下：

(1)由于結冰而損壞的系統都要可泄放。

(2)對PC1-PC5，單推進的船舶要能在槳損壞后能有合適的措施保證船舶的操縱。

(3)暴露于海水和低溫的材料要進行合適的夏比(Charpy) 沖擊試驗。

(4)水線以上的壓載艙要提供有效的防凍措施。

(5)推進系統尺寸及強度等需重新核算。

(6)對設備進行保護，防止結冰及被雪覆蓋。需連續運轉的設備要提供吹除冰雪的設施。

(7)對裝有液體的艙柜防止結冰造成破損。

(8)透氣管、進或排出管和相關系統要有措施防止結冰和積雪造成堵塞。

(9)對PC1-PC5，至少應設2個冰區海水箱，每750 kW的主輔機功率應配約1 m3的海水箱容積。

(10)水線以上的海水箱、舷邊閥和附件等應有防凍措施。

(11)水線以上的首尾艙和兩翼艙及其他有必要的艙均要設計防凍措施。

(12)機艙和居住區通風進口應在船的兩舷均有設置。

(13)居住區和機艙通風進口提供加熱設施。提供給設備的進風溫度應適于設備運行。

2.2.2挪威船級社極地航行符號

挪威船級社極地航行符號為PC1-PC7，破冰船的附加標志為ICE05/10/15和POLAR10/20/30；對輪機設計主要要求類似勞氏船級社。

另外，挪威船級社特別給出了設計溫度的范圍，對PC-1到PC-5，設計溫度取-20 ℃；對PC-6和PC-7設計溫度取-10 ℃。對POLAR符號設計溫度低于-30 ℃，對冰區加強符號如無特殊要求則無需考慮較低的溫度。

3防凍臨時導則要求

防凍(winterization)等級符號大多依據大氣溫度來劃分，大多船級社作為臨時性導則要求。各船級社對不同防凍等級下的設計有非常詳細的要求，具體內容參見規范原文，本文僅給出防凍等級符號的劃分方法和溫度低于-30 ℃的典型要求。

3.1勞氏船級社防凍符號設計要求

勞氏船級社防凍等級符號的劃分見表2。

表2　勞氏船級社防凍等級符號的劃分

下面以防凍等級winterization C(最低設計溫度低至-30 ℃)為例，列舉一些主要的特殊要求：

(1)所有的管件及附件盡量位于室內，盡量少暴露于低溫和結冰區。

(2)露天甲板的設備要能在最低的外部設計溫度下運行，并提供必要的加熱設備。

(3)供給主輔機的空氣、滑油等要滿足廠家對溫度的最低要求。

(4)海水箱防凍布置參照芬蘭-瑞典冰區加強要求。

(5)方位推、舵機等的電氣和液壓系統提供防凍設施，提供加熱布置和合適的低溫油脂和滑油等。

(6)系統設計充分考慮泄放，防止管系結冰，也要考慮泄放閥和支管關閉閥的合適設置。

(7)保證蒸汽系統的循環和凝水管防凍，采取絕熱包扎或干空氣吹洗等措施。

(8)重要用途的閥、儀表和監控設備要有防結冰保護、除冰措施或保護罩，露天的不易接近的閥和儀表等要有保護罩或放置在加熱箱內。重要的閥的驅動頭、電磁和傳感器等要有加熱布置。

(9)用于遙控的液壓管路的控制閥要有加熱布置，防止機械部件被凍。

(10)露天的淡水和海水管路提供防凍保護。提供放在能加熱區域的隔離閥便于露天管段可以泄放，或者也可以提供泄放閥和空氣吹洗接頭等，或者提供加熱布置或者保持水不斷的循環等。

(11)甲板上的起動裝置要提供防止凝水保護，露點接近外部設計溫度或者帶空氣干燥器或者有加熱布置等，管路最低點提供泄放閥。

(12)排油監控的露天管路提供加熱布置，出舷部分提供蒸汽吹洗。

(13)機器處所和居住區域進出風口的百葉窗要提供防凍保護包括除冰和加熱布置等。

(14)臨近舷側，位于壓載水線以上的淡水艙和壓載水艙要有防凍保護。對于完全位于水線以上的艙，加熱盤管是有效的防凍保護。對于部分位于水線以下的艙，加熱盤管、氣泡和循環都能被認為是有效的防凍保護。水線以上的壓載出舷管布置適當的加熱設施。

(15)臨近舷側的生活污水艙及其相關管路要位于可加熱處所或者提供加熱保護。

(16)露天的透氣管頭要易于接近，盡可能位于有保護的處所，提供蓋子防止積冰。布置了加熱盤管的壓載艙，可在透氣管下方增設加熱盤管防止透氣管道結冰。

3.2挪威船級社防凍符號設計要求

挪威船級社防凍等級符號的劃分及對應的設計條件分別見表3和表4。

表3　挪威船級社防凍等級符號的劃分

表4　挪威船級社防凍等級對應的設計條件

挪威船級社以表格的形式列出了上述3種等級符號的具體要求。相比勞氏船級社，挪威船級社的防凍符號要求更細致具體，通過比較發現，Basic(平均設計溫度低至-10 ℃，最低設計溫度低至-30 ℃)符號的要求與winterization C類似。

4結語

通過以上的分析可以看出，冰區符號從冰級出發，主要考慮船體強度方面的影響，輪機細節方面注重海水溫度對輪機設計的影響，并應特別考慮低溫下液壓系統的功能，水管、水箱和水艙的防凍措施，其對環境溫度無相關定義和要求；極地符號會多少考慮低溫環境的影響，對大氣溫度亦無明確的對應關系；而防凍符號則是從大氣溫度方面考慮防凍措施，船舶的防凍設計主要是從規定的設計溫度考慮，

可參照對應的防凍(winterization)臨時導則。

綜上所述，船舶航行于寒冷地區的設計要求主要從船舶環境溫度條件、冰區符號、極地符號以及防凍符號方面等對照船級社規范規定，這些條件要由船東依據航線合理提出，設計中綜合考慮才能滿足船舶航行安全等方面的要求。

參考文獻：

[1]陸昌榮.航行于寒冷地區的船舶設計中應注意的問題[J].船舶設計通訊，2001(3)：26-29.

[2]許運秀.冰區航行船舶規范標準的發展[J].中國船檢，2010(9):38-40.

[3]關東浩. 冰區航行船舶的設計[J].廣船科技，2003(3)：32-36.

收稿日期：2015-10-12

作者簡介：李晚俠(1980—)，女，工程師，工程碩士，從事船舶輪機專業設計工作。

中圖分類號：U662.1

文獻標志碼：A