極地航行船舶輪機管理要點探析

李 宇 程 剛

極地航行船舶輪機管理要點探析

李 宇 程 剛

隨著全球變暖和北極海冰快速減少，國際航運界正在積極開發北極航線。但同時，極地航行的環境、航道條件非常惡劣，船舶輪機管理者面臨著極大的困難和挑戰。通過分析極地航行的特點以及因此導致的極地船舶動力裝置的特殊設計，歸納總結極地航行船舶動力裝置的管理要點，以期為極地航行船舶的輪機管理提供參考，并最終實現船舶在極地水域的安全航行。

北極航道；極地船舶；輪機管理；極端低溫運行

隨著全球氣候變暖，北極冰蓋加速融化，北極航道正逐步開通，如圖1所示。圖1（a）為北極地區2011年9月海冰密集度及全年船舶流量衛星觀測圖[1]，這一時段北極地區海冰覆蓋區域最小。每年7—11月，北極地區具備一定的通航條件（部分航段需要岸基支持和破冰船協助），形成圖1（b）所示的北極航道。北極航道是指穿過北冰洋，連接大西洋和太平洋的海上航道，該航道主要包括“東北航道”和“西北航道”。東北航道西起挪威北角附近的歐洲西北部，經北冰洋南部的巴倫支海、喀拉海、拉普捷夫海、東西伯利亞海、楚科奇海，穿過白令海峽至太平洋的一系列海上航線的集合。[2]東北航道是連接大西洋和太平洋的最短航線，大部分航段位于俄羅斯北部沿海的北冰洋離岸海域，通常稱之為北方海航路（Northern Sea Route，NSR），是如今北極地區最有吸引力和可行性的商業海運航道。西北航道是大西洋和太平洋之間沿北美北部海岸跨越加拿大北極群島的各條海上航線的總稱，是連接大西洋和太平洋的捷徑。西北航道大部分航段位于加拿大北極群島水域，是以白令海峽為起點，向東沿美國阿拉斯加北部離岸海域，穿過加拿大北極群島，直到戴維斯海峽，目前該航道的通航條件較差。

圖1 北極通航概況

北極航道將成為中國至歐洲和美國海上貨物運輸的新通道，可顯著縮短中國至歐洲和美國的海上運輸距離和航行時間，海上運輸成本將顯著降低。北極通航對國際航運及能源和資源格局，尤其是對我國的航運事業和對外貿易將產生重大影響，因此具有重要的戰略意義。[3]2008年8月，由于北極海冰加速消融，西北航道與東北航道相繼打通。2009年夏天，在未借助破冰船的情況下，德國兩艘貨船成功完成了穿越整個東北航道的全部航程。2013年8月8日中遠集團“永盛”輪從大連港出發試水東北航道，歷經27天的航行順利抵達鹿特丹，標志著中國商船首次成功經由東北航道到達歐洲。[4]但同時我們也應該注意到，北極通航是一個新鮮事物，我們積累的航行、操縱和管理經驗還非常有限。通過理論分析和相關實踐經驗的總結，能在一定程度上形成一套管理經驗，為極地航行船舶的輪機管理提供一定的借鑒和參考。

一、極地航行的特點

相對于在傳統航線上航行，極地航行船舶對輪機管理而言有兩點需要格外關注：

1. 海冰環境

在北冰洋和南極大陸周圍水域，漂浮著隨季節變化的海冰，給極地航行帶來了極大的困難和風險。海冰系指在海上發現的由海水結冰產生的任何形式的冰。根據世界氣象組織的定義，海冰包括新冰、初期冰、當年冰和舊冰或固定冰和流冰等類型。在視野范圍內海面上浮冰覆蓋的比例量稱之為海冰密集度，其大小用來表示船舶在冰區中航行的困難程度。海冰對輪機管理的影響主要表現在兩方面：

（1）海冰觸碰螺旋槳導致螺旋槳及整個推進系統的載荷增加。船舶在冰區航行時，部分浮冰或碎冰會被推擠到船體下方，導致螺旋槳與之接觸。海冰與螺旋槳的作用過程包括五個階段：接近；阻塞；碰撞；銑削；排擠。[5]接近和排擠過程海冰的影響較小，海冰對螺旋槳的影響主要在阻塞、碰撞和銑削三個階段。海冰在接觸螺旋槳之前，它們之間的距離較小，造成阻塞效應，導致螺旋槳推力和轉矩增大；碎冰在螺旋槳的抽吸作用下被加速，并在到達槳盤面后由螺旋槳拋出，因相對速度較大，螺旋槳受到額外的碰撞載荷，而且出現頻率較高；對于大塊的海冰，冰槳相互作用多為銑削，海冰因為槳葉的沖擊、剪切受到破壞，冰槳接觸載荷是造成螺旋槳受損的主要原因。對于主機-傳動軸系-螺旋槳構成的推進系統，海冰對螺旋槳施加的額外載荷將引起主機的瞬時過載，導致機械性損壞、燃燒不良或熱應力過大等問題。

（2）海冰經由海底門吸入導致管路堵塞和機艙冷卻系統失效。船舶動力裝置產生的熱量主要由開式海水系統帶走。在極地水域航行時，碎冰經由海底門吸入，將有可能堵塞主海水管路和海底門濾器，造成機艙冷卻水系統失效。從這方面來講，海冰對航行安全存在致命威脅。

2. 低溫環境

低溫環境包括低氣溫和低水溫兩方面。船舶低氣溫操作系指預期駛往或穿越最低日均低溫（LMDLT）低于-10 ℃的區域。極地處于高緯度地區，得到的太陽輻射少，同時夏季冰雪融化消耗大量熱量，常年氣溫都較低。如北極水域，冬季最低氣溫低于-50 ℃，夏季最高氣溫一般也低于5 ℃。在低氣溫區域和/或季節操作的極地船舶，部分機械、設備及系統表面暴露在極低的環境溫度下，可能導致管系和水艙積水結冰、滑油失去流動性而潤滑不良、設備熱應力過大等問題。此外，北極地區海水溫度常年維持在-2～2 ℃，過低的海水溫度對機艙動力設備的冷卻也會形成有害影響。

二、極地航行船舶動力裝置的特殊設計

極地船舶動力裝置的結構形式和布置應充分考慮其預期進入極地水域的任務，有效適應相關的低溫環境、偏遠地區及其存在的海冰狀況等操作條件，以確保極地船舶在冰覆蓋水域安全航行，盡可能避免在低氣溫等惡劣氣候條件下，因系統故障導致船舶停滯或被海冰圍困進而引發海損或污染事故。為此，其機電設備，包括主推進裝置、操舵裝置、甲板設備、電氣設備及其他輔助設備均有一些特殊設計要求，具體可參考文獻[2]。部分特殊設計而導致后續輪機管理有一些額外的關注點，因此有必要理解其設計的出發點。

1.主柴油機進排氣系統

為了給主推進裝置（主柴油機）、副柴油機、鍋爐等熱能機械提供燃燒用空氣，同時排除設備散熱和實現機艙換氣，機艙設有通風裝置。當環境氣溫極低時，主柴油機從機艙吸入燃燒空氣，船舶機艙將無法保證適宜的艙內溫度。此時，需要在機艙配置加熱設施，具體措施包括通風預加熱或布置艙室散熱器。主柴油機空氣消耗量約占到機艙通風量的2/3，當船舶在低氣溫條件下運行，主柴油機的空氣供應應格外受到關注。柴油機燃燒空氣溫度下降有助于降低油耗，但進氣溫度過低可能發生超負荷。這是因為，在通常情況下，柴油機與廢氣渦輪增壓器的匹配設計環境參考條件為大氣壓力1000 mbar、廢氣渦輪增壓器進口溫度25℃、掃氣空冷器冷卻介質溫度25℃。基于此，柴油機在-10～45 ℃環境溫度范圍內均能發出約定最大持續功率。當在標準環境參考條件下匹配的柴油機在極地水域的極低環境溫度下運行時，廢氣渦輪增壓器吸入的空氣溫度太低而密度太高，將導致柴油機掃氣壓力、壓縮壓力和最大發火壓力過高，這對于柴油機的可靠運行是不被允許的。通常極地航行船舶機艙布置有加熱設備，主柴油機從機艙吸入經加熱的燃燒空氣，進氣溫度不會太低。但當外界氣溫低至-30℃甚至更低時，主柴油機燃燒空氣進氣溫度過低可能會引起壓縮混合氣無法自行點燃，導致發動機啟動失敗；低溫空氣具有較高的密度，可能導致增壓器喘振；過多的燃燒空氣可能導致汽缸超壓、發動機超負荷。因此，為確保主柴油機在極低溫環境條件下的正常運行，柴油機的進排氣系統需要進行處理。

圖2 柴油機極地條件下的進排氣系統

MAN Diesel&Turbo公司極低環境溫度下運行的柴油機的進排氣系統布置如圖2所示。該柴油機有一套依據負荷調節的廢氣旁通系統，在極低溫環境條件下，進入渦輪機的部分廢氣被旁通，壓氣機將獲得較少的能量，因此減少了柴油機的空氣供應和掃氣壓力。同時，該系統還能保證廢氣溫度相對較高。

Wartsila公司生產的一款極低環境溫度下運行的W-X92柴油機的進排氣系統布置如圖3所示。該柴油機從機艙外直接吸入燃燒空氣，采用高壓比廢氣渦輪增壓器，在5～45 ℃環境溫度范圍內能正常工作，也就是說在低至5 ℃的低溫環境條件下無須空氣預熱等特別措施，僅需確保掃氣空冷器的冷卻介質溫度不低于25 ℃。當在環境溫度低于5 ℃的極地水域運行時，為避免空氣密度增加而導致柴油機缸內壓力超過允許值，該機器設置了掃氣泄放裝置。在掃氣總管上最多可安裝三個泄放閥。當廢氣渦輪增壓器的進氣溫度低于5 ℃時，第一個泄放閥打開泄氣；同樣，第二個和第三個泄放閥能依據掃氣壓力和最大發火壓力之間的關系自動打開泄氣。泄放閥由進氣總管上的溫度傳感器發出的信號控制。

圖3 Wartsila 柴油機極地條件下的進排氣系統

2.海水冷卻系統

極地水域航行的船舶，如果沒有采取特殊的布置，其冷卻海水的進口易遭受海冰堵塞。因失去冷卻水導致主機或發電機組停止工作進而極有可能引發船舶擱淺等海上事故。因此，海水冷卻系統防冰塞的設計通常從布置、構造和加熱三個方面來考慮。

海底門（或稱冰水箱）應布置在船的低位處，并遠離冰帶水線，使用擋板、圍堰、濾器和其他措施把水和冰隔離開來。典型的冰水箱結構如圖4所示。海底門的設計應有有效的除冰和透氣措施，處于載重水線上的海底門、海水總管、舷側閥及附件應提供防凍措施，可以采用蒸汽加熱、熱水加熱或熱的冷卻水回注來防冰除冰。此外，還應有手動除冰的措施，例如打開濾器或從水線以上開口進入海底門除冰塊，因此，海底門配有可拆格柵和人孔，有通道直通海底門頂部。

圖4 冰水箱示意圖

3. 其他輔助系統和設備

（1）甲板設備。極地航行船舶甲板設備的布置和功能應考慮極地水域低氣溫和積冰的不利影響。甲板設備可能會由于海水飛濺而凍結，應通過選擇材料和采取適當的防寒措施，如使用加熱或遮蔽措施，來確保甲板設備包括欄桿、船首通道、錨系泊設備、起貨設備、應急拖帶裝置、舷梯等在極地服務溫度下功能完好。安裝在露天甲板和低溫處所的電氣設備、電控箱應設置防冷凝裝置，例如可通過配備額外的加熱元件來保護線圈繞組受到極端低溫和冷凝的損害。甲板設備的軸承如果需要強制潤滑或預潤滑，應配備適合在設計服務溫度下工作的潤滑油。

（2）甲板管系。受低氣溫影響的船舶甲板管系，包括液貨船甲板上的管系，為了防止任何不適當的熱應力或凍裂，管路可以設有伴熱。透氣管及其他管路進出口及相關系統的設計應防止冰塊或積雪而造成堵塞。

（3）水艙。極地船舶的壓載艙和/或淡水艙部分或全部位于輕載水線或低位冰區水線（LIWL）以上，并接鄰船殼或者露天甲板，如長期在低溫環境操作，則應設置適當的防冰凍系統和溫度監視系統，以防止艙內壓載水和淡水冰凍，排水時導致艙內負壓，損壞結構。全部位于輕載水線或低位冰區水線以下（取小者）的壓載水艙一般無須加熱，但服務于該水艙的管系（包括透氣管）應防止冰凍堵塞。

三、極地航行船舶動力裝置的管理要點

1. 海冰的應對

（1）應避免螺旋槳因與海冰觸碰而損傷。調整好船舶的吃水和吃水差，一般應盡可能增大吃水，并保持尾傾，使螺旋槳盡可能浸入水中，這樣能使船舶具有較好的破冰能力，提高穩性并保護螺旋槳和舵不受損傷。吃水差也不宜過大，否則有可能引起浮冰滑過船底而堵塞船底海水吸口。如果船舶是空載，則應以安全為重，必要時貨艙應該壓水，以保證推進器的安全。

（2）應避免海冰堵塞海水管路。當船舶進入海冰區，大塊海冰覆蓋海底吸入閥的柵欄，堵塞進水口，此時也會有大量細小冰晶順水流進入機艙內冷卻器管系統，大量堆積冰體會造成冷卻管系的堵塞，嚴重時造成冷卻系統癱瘓，導致冷卻水溫過高，主、副機不能正常工作，乃至造成船舶動力系統癱瘓而失控。因此，極地水域航行使用低位海底門，盡量使海水吸口保持在浮冰的下面，不讓海冰堵塞海底門吸口及管路；關閉冷卻海水的通海閥，打開通往海水箱的冷卻水回注閥，主機、副機冷卻水系統改為內循環， 以防冰塞。一旦出現冷卻水高溫、海水低壓等現象，應懷疑海冰吸入、海水管路堵塞，此時應采取通蒸汽、通熱水等措施對海水箱進行除冰，必要時可打開海水箱人孔門進行人工除冰。此外，如果船舶設計有應急海水艙或壓載水艙作為海水的應急來源，此時可吸入應急海水作為冷卻介質。但應注意，采用該方法時海水冷卻后若排回至應急海水艙或壓載水艙，應避免海水溫度過高導致艙內結構腐蝕。

2.低溫的應對

（1）低水溫的處理。海水溫度過低，有可能導致中央冷卻系統的冷卻淡水溫度過低，從而導致被冷卻的機械設備熱應力過大、潤滑油黏度過大、設備內部結露而導致潤滑油乳化和設備銹蝕等問題。因此，進入極地水域航行時，應通知機艙將冷卻水系統改為內循環，將熱的冷卻海水回注到冰水箱，以確保合適的冷卻水溫度；或使用船中前部壓載艙的壓載水循環冷卻，確保合適的冷卻水溫度，海底門吸口不被碎冰堵住，同時保障壓載艙不凍。

（2）低氣溫的處理。低氣溫環境下，柴油機燃燒空氣進氣具有較高的密度，可能導致增壓器喘振、汽缸超壓、發動機超負荷等；此外，燃燒空氣進氣溫度過低可能會引起壓縮混合氣無法自行點燃，導致發動機啟動困難。因此，機艙應具備有效的保溫和加熱措施，包括機艙通風預熱、機艙散熱器保溫、缸套冷卻水和滑油系統加熱等措施。為了控制機艙溫度，可適當或斷續啟閉機艙煙囪出風口的天窗和防火風閘，當內外溫差增大甚至高達60 ℃（例如，機艙內25 ℃，而機艙外的氣溫達到-35 ℃）時，可逐步關閉可調節的天窗和防火風閘至較小的流通面積，以防艙內熱空氣散失過多。為了控制掃氣壓力，采取的規避措施包括掃氣旁通或廢氣旁通，確保這類裝置的有效工作是關鍵。為確保主柴油機的可靠性和機動性，極地航行船舶壓縮空氣的儲存量在設計時會考慮適當增加，平常輪機管理中就應確保壓縮空氣的壓力和儲存量，避免因啟動空氣不足而導致船舶失去動力后發生意外事故。此外，嚴寒氣候條件下操作的船舶，控制空氣需要確保足夠干燥，露天和低溫處所布置的雜用空氣也需要足夠的干燥以防管路中因產生凝水而發生冰凍。

（3）應考慮暴露結構、設備和系統表面遭受的環境溫度。在低氣溫區域和/或季節操作的極地船舶應考慮暴露結構、設備和系統表面遭受的環境溫度，針對極地低溫條件，通過采取適當的保護措施和/或操作控制的防寒措施，確保機械裝置、壓載艙、管系等不受冰雪積聚的影響，以確保船舶及設備具備在極地服務溫度環境下的操作能力。對于船舶安全（包括航行、操舵、推進、錨泊、消防和救生等）至關重要的區域應通過加熱或加罩來保持無冰狀態。這些區域至少包括：安全到達船首區域、救生艇、救助艇等的步橋和梯道；脫險通道的出口；救生艇、艇架、救生筏和降放區域；救生設備的儲存設施；消防系統的給水分配系統；航行設備（例如雷達）；駕駛室的窗戶；包括錨機、錨鏈和錨鏈筒在內的甲板錨泊區域。布置在甲板上的錨機、絞纜機、舷梯升降機、救生艇架等可能會由于海水飛濺而凍結，因此應使用加熱或遮蔽措施，并盡可能保證活動部件（如減速齒輪和剎車）不被凍結。位于生活區外露天甲板的消防管、淡水管等應用布包住，在其較低位置安裝有泄水閥，通水后應注意及時排干管路殘水，并用壓縮空氣吹干。消火栓應安裝在保護位置或采用加熱遮蓋罩等措施，以防冰雪積聚和冰凍。所有沖艙皮龍、淡水管， 用壓縮空氣吹干后收存到生活區內。位于露天甲板的隔離閥和真空閥可采用遮蓋罩或加熱遮蓋罩等措施，以有效防止冰雪凍結或結冰導致無法操作。汽笛應放盡殘水，并開啟加熱器，防止凍結。

3.其他安全管理注意事項

（1）應充分考慮船舶的船體強度和船齡狀況，分析船舶適航能力。確保船舶及船上設備處于良好的工作狀態，能夠滿足極地航行需要。航次消耗的富余量要增加，以應對途中冰情帶來的延誤。甲板上、機艙內的可移動重物及器具應加固、綁定，確保一切排水口暢通。關閉水密門、窗，擰緊測量管蓋。盡量減少一切水柜、油柜自由液面的存在。

（2）確保主動力裝置可用，加強駕機聯系。極地航行期間持續傾聽主機、螺旋槳的聲音，若有異常，立即采取緊急停車、檢查設備等應急措施。船舶靠泊后，應立即檢查螺旋槳、舵葉情況，一旦出現損壞，及時申請維修。必要時輪機長坐鎮集控室指揮，注意保護主機，與駕駛臺時刻保持聯系，保證船舶安全。

（3）低氣溫環境下航行的船舶，為了防止壓載水或淡水在艙內嚴重結冰脹裂船體，艙內存儲的壓載水或淡水不能超過艙容的90%。液艙采用的加熱盤管、內部循環或吹泡系統等防冰凍系統和溫度監視系統應可靠工作，防止由于艙內壓載水和淡水冰凍，排水導致艙內負壓狀態，損壞結構。根據需要在大洋中間水溫較高處或在暖流處更換壓載水，以保證有較高溫度的壓載水，不容易結冰。

（4）各艙柜透氣管及其他管路進出口及相關系統應防止冰塊或積雪造成堵塞。透氣口應避免因外部飛濺積冰導致阻塞，以免泵送時引發艙內壓力發生變化進一步導致艙柜或船體結構損壞。保持壓載艙測量管暢通，防止結冰凍住。

（5）對于可能需要在低氣溫環境下工作的發動機，需特別注意其滑油應按制造商的推薦保持適當溫度以使機器正常啟動。舷外發動機如救生艇、救助艇艇機及應急發電機等的燃油盡可能換成低凝點柴油并添加防凍液。

[1]CHNL Information Office. Statistics 2011-Sea ice concentration and ship traffic during a yearly cycle[EB/OL].(2016-03-03)[2017-05-01].http：//www.arctic-lio.com/nsr_transits.

[2]中國船級社.極地船舶指南[EB/OL].(2016-03-03)[2017-05-01].http：//www.ccs.org.cn/ccswz/font/fontAction!article.do?articleId=ff 8080815330b37701533a31cb520059.

[3]李振福,閆倩倩,劉翠蓮.北極航線經濟腹地范圍和等級的劃分研究[J].世界地理研究,2016(5)：22-28.

[4]彭振武,王云闖.北極航道通航的重要意義及對我國的影響[J].水運工程,2014(7)：86-89,109.

[5]孫文林,王超,康瑞,等.冰區航行船舶推進系統設計的若干考慮[J].船舶工程,2015(9)：31-36.

10.16176/j.cnki.21-1284.2017.10.006

李宇（1978—），男，寧波海運股份有限公司，機務經理。

程剛（1979—），男，中遠船務工程技術服務（大連）有限公司，經營代表。