極地多用途集裝箱船液艙及管系防凍設計技術探討

閻曉麗

摘 要：本文介紹了極地多用途集裝箱船液艙及管系防凍防結冰設計技術，研究提出了液艙、露天甲板管系及海底門等免于結冰的方法，使用加溫伴熱、吹氣或其它防凍方法保證船舶各系統的正常運行，為極地航行船舶液艙及管系防凍設計提供技術參考。

關鍵詞：極地；防凍；除冰；液艙；管系

中圖分類號：U664.8 文獻標識碼：A

Abstract： This paper introduces the anti-icing technique for the liquid tanks and pipes for the polar multi-purpose container vessel， the mechanism or method to prevent the liquid tank， exposed deck pipes and sea chest from getting frozen such as heating tracing and air bubbling， etc. to ensure that all the system of the vessel are functional.

Key words： Polar region； Anti-icing； De-icing； Liquid tank； Pipes

1 前言

我國開展極地船舶研究的時間不長，建造實踐經驗不多，在極地船舶設計和建造方面與先進國家相比還有較大的差距。針對北極航道開通對多用途運輸船的市場需求及國家海洋發展的戰略需求，未來極地多用途集裝箱船具有廣闊的前景，各船廠也在為承接極地船舶做好各項技術準備，本課題的研究也將為今后承接建造極地船積累寶貴的設計經驗。

2 極地船發展現狀及規范規則

在全球變暖的大環境下，北極通航已成為世界的熱點。近年來，俄羅斯、美國、加拿大、芬蘭、瑞典、英國等破冰船設計建造先進國家均加大了對冰區航行船舶的研制力度。我國海洋船舶經過多年的發展，已經達到了世界先進的水平，但對于極地海域，航行船舶卻涉足不多，主要的船型只有極地科考船和極地遠洋漁業船舶兩類。

從用途上區分，極地航行船舶主要分為兩類：一類是具備在結冰海域獨立破冰航行的船舶，如破冰油船、極地科考船、極地沿海巡邏艦、破冰運輸船等；另一類是專門用于為其他船只開辟航道、引導冰區航行的專用破冰船。

極地航行船舶的設計與船舶的冰級密切相關，不同的冰級適用不同的設計規范。目前世界氣象組織將海冰分為首年冰、兩年冰和多年冰。其中：首年冰的厚度不超過1.2 m，冰強度低；多年冰的厚度可以達到3 m以上，冰強度高。世界上多數船級社的規范僅適用首年冰的航行要求，僅俄羅斯海事局的冰級規則可適用于多年冰。為此，國際船級社IACS出臺了統一標準“極地船級要求”，可適用于多年冰，并被各大船級社采納（表1）。

3 液艙防凍主要方法

液艙防凍定義：通過各種擾動、循環、絕熱和加熱等措施，使暴露在低氣溫環境下的艙柜、設備和管路等內部的液體不發生凍結。

液艙防凍的主要方法有：

（1）通過蒸汽、熱的液體或加熱電纜來進行加熱；

（2）使用壓縮空氣吹通、擾動，使液體循環而不發生凍結；

（3）船舶通過合理布置，有效地防止壓載水艙、淡水艙和其他液艙艙面凍結；

（4）采用不同的防凍措施，如持續循環、氣泡擾動或加熱對流等；當服務溫度低于-45 ℃時采用加熱對流的防凍措施，如垂直布置的加熱盤管等；

（5）每個壓載水艙都安裝溫度傳感器，并在艙內低溫時報警。

若壓載水艙完全位于輕載水線或低位冰區水線以下（取小者）時，可不設防凍措施（除非另有規定）。

4 液艙防凍保護方案

極地船舶的壓載艙或淡水艙部分或全部位于輕載水線或低位冰區水線以上，并接鄰船殼或者露天甲板時，應具有適當的留空容積（一般為10%），以防止壓載水和淡水凍冰膨脹的影響；若全部位于輕載水線或低位冰區水線以下（取小者）的壓載水艙一般無需加熱，但服務于該水艙的管系（包括透氣管）應防止冰凍堵塞。

4.1 壓載艙、淡水艙管系防凍方案（一）

最有效和常用的方案是采用蒸汽加熱盤管，它一般安裝在水線以上近船殼板的位置。為了確定加熱盤管的布置數量而進行熱交換計算時，可以將壓載水溫度設定為2 ℃左右。

蒸汽管路和凝水管路應設有足夠的泄放口，以防止不用時發生冰凍堵塞管路。

4.2 壓載艙、淡水艙管系防凍方案（二）

壓縮空氣吹泡系統是一種通過不停擾動，促使壓載水局部內循環以達到防凍的措施，其存在的缺點是艙內氣溫偏低導致局部區域仍然會有冰凍現象發生，艙內布置的管路可能會遭到墜落冰塊的撞擊損傷，艙內涂層和構件也可能會因此受損；此外，寒冷的壓縮空氣還可能導致壓載水過冷并形成冰晶，多冰晶的壓載水變得粥狀粘稠難以泵送。因此，壓縮空氣吹泡系統并不適合極端嚴寒的氣候條件下使用。這種方案的優點是管路少且通徑小、施工方便，重量輕。

5 露天甲板區域管系防凍的主要方法

5.1 露天甲板管系防凍方法

（1）通過蒸汽、熱的液體或加熱電纜進行加熱；

（2）使用永久的或可拆卸的保護罩。

5.2 露天甲板管系除冰方法

（1）通過熱水或蒸汽沖洗冰；

（2）采用手動機械方法除冰；

（3）利用熱空氣或化學藥劑除冰等。

5.3 露天排水舷口、泄水溝等防凍方法

（1）排水舷口應設置防凍保護；

（2）若排水舷口上裝設擋板，則應為蓋板提供足夠的加熱以保持暢通；endprint

（3）泄水孔、排水溝應設置防凍保護。

5.4 進出風口防凍要求

（1）機艙進風口需考慮除冰，使用數量需滿足主機等設備的使用要求；

（2）空調進風口需預防結冰；

（3）應急發電機室的進風口需考慮除冰措施；

（4）貨艙的進出風口需預防結冰，但進風口數量只需要滿足裝載危險品貨物時換氣要求的數量即可，其他的貨艙通風口不需要考慮防冰。

6 海水箱、海底門防凍方法

6.1 海水箱防凍方法

（1）海水進口應盡可能布置在船舯處，盡量靠后；

（2）海水箱應有足夠大的容積；

（3）海水箱應足夠高，以使浮冰處在進水管口的上方；

（4）全容量排出的冷卻水連接到海底門；

（5）海底門開口應不小于4倍的進水管徑橫截面積。

6.2 海底門的防凍方法

（1）海底門應布置在船的低位處，并遠離冰帶水線；使用擋板、圍堰、濾器和其他措施將水和冰隔離開來；

（2）海底門的容積應根據船上海水冷卻所有可能同時工作的發動機的總功率來確定；

（3）海底門的布置應考慮船的線型和船的尺度；

（4）海底門頂部盡可能高、引至海水艙的管路進口盡可能低地布置；應有手動除冰措施，（下轉第頁）（上接第頁）例如打開濾器或從水線以上進入海底門除冰塊；海水艙應至少可以從兩個獨立的海底門飲水；海底門至海水艙的引水管路的流通面積，應根據不同的冰級考慮4～6倍所有可能同時使用的海水泵吸入管截面積的總和；海底門舷側格柵、開孔或開槽等引水開口的流通面積，應不小于引水管路的流通面積；

（5）海底門和海水艙應設有帶截止閥的透氣管，透氣管截面積與冷卻水吸入管相當；透氣管頭應避免積冰而堵塞；

（6）海底門和冷卻水吸入口應考慮除冰措施，可以采用蒸汽除冰、熱水除冰、壓縮空氣吹、布置加熱盤管等。

7 結束語

對于極地航行的船舶，必須綜合分析船舶的類型、航線，充分考慮各種可能的結冰狀態，采取合適的措施預防液艙及管系結冰，保證船舶各系統正常運行和船舶的營運安全。

參考文獻

1.中國船級社. CCS 極地船舶指南[S].

2. 海安會MSC.385（94）決議， 2014.

3. 中國船級社. 鋼質海船入級規范[S]， 2016.endprint