2萬t極地多用途船安全設計

葛 沛，劉燦波，徐宏偉，張 會

(南通中遠海運川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

0 引言

北極航道潛在的巨大航運、經濟等價值使其受到越來越多航運公司的青睞。北極航道比普通航線的通航情況要復雜得多，漂浮的海冰、風、海流、高寒低溫、能見度差等惡劣環境條件都給極地航行帶來了較大的危險性和不確定性。文獻[1]研究表明，極地船舶的破艙穩性采用確定性方法，以極地多用途船為例，指出需要從提高空氣管頭高度、破損之前的初始初穩性高度等方面提高破艙穩性。徐義剛以一型PC3冰級的萬噸級極地自破冰科學考察船為研究對象，重點討論了冰級、骨架型式及參數、艏部形狀等[2]對冰帶區域骨架系統規范設計的影響。閻曉麗[3]探討了極地多用途集裝箱船液艙及管系防凍設計技術。這些研究對極地航行船舶的穩性、結構強度、艙室和管路防凍方面的設計起到積極的推動作用。本文以2萬t極地多用途船為對象，深入研究了船體結構、甲板機械防護、消防救生設備防護、通道防凍、居住區安全、航行安全及通信等方面開展的安全措施。

1 船體結構加強

1.1 冰區加強范圍確定

首先根據船級社規范和芬蘭-瑞典冰級規則確定冰區船航行時結構加強范圍。規范通常將船體沿船長方向分為艏部、艏部過渡區、舯部和艉部。各區域除艏部以外，按照吃水不同又分為冰帶區、冰帶以下區以及底部區。從艏部往艉部以及從冰帶區域往底部區域，強度要求逐漸減弱[4]。

1.2 外板骨架形式選擇

極地運輸船結構強度設計分為兩部分：一部分為考慮局部結構承受冰載荷作用時的結構強度，另一部分為考慮冰載荷和靜水載荷時船體梁的總縱強度。規范對冰區加強區域的最小板厚、縱骨剪切面積和剖面模數都有要求，設計時須兼顧規范要求和施工要求，合理布置縱骨。本文利用挪威船級社(DNV)冰區船規范[4]中計算板厚的公式，比較了橫骨和縱骨架式兩種骨架型式下的外板板厚。在相同的骨材間距和設計壓頭高度下，橫骨架式所需的外板凈厚要小于縱骨架式所需的板厚，從而有利于減輕船體重量，同時減少分段合攏時的縱骨對接，有利于施工。以某2萬t多用途船為例，傳統船舶舷側采用縱骨架式結構，在雙舷側內布置了兩道平臺,見圖1(a)。極地運輸船船舯外板結構區域采用了橫骨架式，一直延伸到舭部。為了減小肋骨跨距，在肋骨中間布置了舷側縱桁，而且減小了肋骨尺寸，降低了空船重量。此外，在確定肋骨尺寸時，為了應對海冰的碰撞和擠壓，采用大型T型材以增加結構強度，尤其是艏部區域。其結構形式見圖1(b)。

1.3 總縱強度校核

極地運輸船總縱強度設計需要綜合考慮冰區航行和非冰區航行兩種情形。在非冰區航道，船舶總縱彎矩及剪力需要考慮靜水載荷及波浪載荷；而在冰區航行時，波浪較小，則主要考慮靜水載荷及冰載荷影響。船體梁的總縱強度校核借助DNV開發的Nauticus Hull規范計算軟件進行。一般船體梁分段縫附近構件尺寸沿船長方向有明顯變化，剪力在分段縫處有突變，最有可能出現強度不滿足的情況。在進行總縱強度校核時，需要對每個分段縫附近的截面進行計算，以滿足規范要求。在軟件內輸入板厚、材料、縱骨尺寸、彎矩和剪力等信息，對剖面的局部強度、剪切強度和剖面模數進行校核，確保每個剖面擁有足夠的抗彎和抗剪切剛度。

圖1 傳統船舶與極地船骨架型式

1.4 材料選擇

極地船在低溫環境營運，船體材料必須具有耐低溫特性，對于暴露在空氣和海水中的船體結構以及與之連接的構件，采用的鋼材耐低溫等級根據冰區規范中其所在區域來選取。極地船各區域板厚及鋼材耐低溫等級與傳統船舶相比，板厚有明顯增加(對于2萬t多用途船，冰帶區域平均增加5 mm)，而且在冰區加強范圍均采用高強鋼。

2 船舶設備及通道防護

由于極地低溫環境的影響，船舶設備及通道需要采取不同的措施進行保護，以保證設備的正常操作運行。

2.1 甲板機械防護

錨泊設備作為船舶最重要的設備之一，在防凍規則中有明確的要求：在極地低溫狀態下錨泊設備要能保持穩定的工作狀態，要求錨絞機和止鏈器布置在室內，以保證船員能在冰雪、大風和飛濺的狀態下工作。對于錨絞機和止鏈器，露天的工作環境顯然不能滿足要求。低溫和風雪不僅會將設備冰凍，也會使船員無法工作，因此需要采用遮蔽的結構進行保護，見圖2。用舷窗進行封閉舷邊較大的開口，較小的孔則用帆布覆蓋防止結冰，使錨絞機和止鏈器保持在可操作的狀態，也使船員有適宜的工作環境。錨泊設備的液壓控制系統，可以使用低溫用液壓油，確保在寒冷氣候下，液壓油的粘度較低，液壓系統能夠正常運作。

錨和錨鏈設計結構形式見圖3。從圖3(a)看出，常規的錨唇設計顯然不能滿足極地航行的要求，海浪飛濺會在低溫狀態下凍結錨和錨鏈，使船舶無法進行拋錨操作，而且浮冰也會對凸出船體外的錨造成沖擊破壞。因此，極地船采用圖3(b)錨穴設計形式。該形式不僅能保護錨不受到浮冰的沖擊，同時便于采用加熱設備從內部對內凹的鋼壁結構進行加熱，利用鋼壁的導熱性融化冰凍，使錨和錨鏈一直保持在無冰狀態，滿足極地航行的要求。

圖2 錨絞機和止鏈器保護布置

圖3 錨和錨鏈設計結構形式

船艏纜機和錨絞機為一臺設備，纜機的防護結構與錨絞機一同考慮，其防護結構見圖2。船艉的纜機位于艙蓋高度甲板頂部以下，兩舷做成半封閉結構，所以艉部纜機可以近似看成布置于半封閉的結構圍壁內。當船舶航行于極地環境時，可以使用帆布將兩舷的結構封閉，確保纜機不會被冰雪凍住，同時人員在操作時也可以免于暴露在冰雪、大風、海水飛濺的環境下。船艉纜機布置見圖4。

2.2 消防設備保護

船舶配備的主要消防系統或設備有CO2滅火系統、甲板消防系統、水噴淋系統及便攜式滅火器。為確保航行于極地水域船舶消防系統或設備在惡劣環境或緊急情況下可用，防止極地環境對消防系統產生破壞性影響，其防護措施如下：

(1)CO2滅火系統屬于氣體消防系統。一般氣體釋放噴嘴布置于貨艙內部。氣體釋放管部分位于寒冷區劃，部分位于室內區劃。管路內無液體存在，不會發生管路內結冰的狀況，所以一般CO2滅火系統無需設置額外的保護措施。

圖4 船艉纜機布置

(2)甲板消防系統屬于液體消防系統，理論上本系統應該設置加熱措施來保證管路內的液體不結冰，消防栓不被冰塊堵住。但舵機房和機艙的溫度高于5 ℃，布置其中的管路無需考慮防凍。甲板下通道、水手長室、暴露區劃的溫度低于-2 ℃，但甲板消防系統在貫穿機艙前壁處已設置了隔離閥，而該閥門在航行于寒冷海域時常閉，即甲板下通道、水手長室、暴露區劃的消防管內無液體。同時在消防管路最低點設置放殘閥門。因此，對于甲板消防系統，僅需提供消防栓的保護罩。

(3)水噴淋系統屬于液體消防系統。該系統使用甲板消防系統來供水，控制閥門布置于室外。當船員使用時，僅需打開消防泵、消防管線隔離閥、水噴淋控制閥門即可。使用完畢后，可以利用消防管線的放殘管，將管路中的液體放出即可，從而無需設置額外的防凍保護措施。

(4)便攜式滅火器主要布置于居住區、機艙及其他室內區劃。低溫并不會對滅火器造成影響，無需額外設置保護措施。

2.3 救生設備防護

為保證救生設備在低溫情況下不被外部環境損壞，船員能夠在設計環境溫度下釋放、操作救生設備并安全撤離，對于救生設備(包括救生艇和救生筏)所在的處所及撤離通道需要采用船體結構進行遮蔽，即將所有的救生設備保護在半遮蔽的室內，而對于救生設備釋放所要求的開口，則采用帆布罩進行保護。將救生設備所處區域與外部寒冷環境隔離，一方面能夠防止外部海水飛濺和水汽進入而造成結冰，另一方面防止空氣流通形成室內低溫而對救生設備的功能造成影響。同時通過加熱器對整個空間進行加熱，使救生設備所處空間一直保持在適宜的溫度，保證救生設備的功能和可靠性，也為船員集結和撤離提供安全的環境。

2.4 通道防凍布置

船上的通道有：從居住區至錨絞機操作區域的通道、逃生通道、登輪點至救生設備的通道、集結站等。對于極地航行船舶，由于外界氣溫極低，通道表面如不設置防凍對策，極有可能被冰雪覆蓋，從而影響人員通行。

錨絞機通常布置于船的艏艉。為確保船員能夠安全到達錨絞機操作區域，需要對通道設備操作區域的通道設置防凍措施，即對居住區至操作區域的室外通道進行加熱以保證寬度為700 mm的無冰通道，加熱通道的表面溫度為+3 ℃。

對于逃生通道，部分位于暴露區劃，有可能被冰雪覆蓋，需要采取加熱等防凍對策，確保通道表面無冰，以便人員能安全并迅速地撤離。

極地船的集結站，需要布置在室內區劃。集結站可布置在居住區甲板的兩翼，靠近救生艇，并配備應急照明和廣播。提供半封閉的船體結構，開口部分用加熱帆布罩封閉，可以看成封閉的結構，這樣不必布置額外的防凍措施。

3 居住安全措施

居住區是人員居住的環境。由于船舶航行在極地環境，外界的環境溫度極低，保障船員的居住環境溫度的舒適顯得尤為重要。根據DNV Winterization Cold船級符號要求，在設計環境溫度下，居住區區域需要達到確保船上人員安全健康的溫度(至少+18 ℃)。極地船在計算居住區室溫時，設計環境溫度為-45 ℃，室內溫度為+18 ℃，室內外溫差達到63 ℃。而船只航行于普通海域時，室外環境溫度為-20 ℃，室內溫度為22 ℃，室內外溫差為44 ℃，采用的是一級蒸汽加熱。由于溫差太大，如果依照常規設計，采用一級溫度加熱，不能達到設計的要求，可考慮采用預加熱和再加熱兩次蒸汽加熱的方式。經過比較分析，先通過預加熱器將新風溫度從-45 ℃加熱到-15 ℃，與回風混合成-2 ℃的混合空氣，再通過再加熱器將-2 ℃的混合空氣加熱到38 ℃，經過風管供應到各房間，以使各房間的溫度達到規范要求的18 ℃。根據計算結果，結合廠家標準以及空間布置的限制，與常規船相比，某極地多用途船的中央空調蒸汽消耗量增加208%，壓縮機電機功率增加14%，風機電機功率增加62%。而空調吸風口采用了電加熱裝置，以保證在極地環境下寒冷潮濕的空氣無阻礙吸入中央空調。

4 航行安全

極地航行安全主要考慮航行設備的配置、性能滿足低溫和高緯度的環境。基于以上考慮及Polar Code和DNV Winterization規則中要求，航行設備進行特殊配置及考慮。

(1)配備冰情信息接收和顯示設備，以接收最新的冰情信息；測深儀配置2個獨立探頭；配置手動紅色閃光燈，視距至少2 n mile。

(2)雷達天線配加熱器，以保證天線旋轉不受冰雪影響；DGPS/AIS等圓形(或棒狀)天線提供機械保護防止被雪覆蓋；室外布置緊急無線電示位標時考慮除冰措施；配置電笛以代替原汽笛；船艏配置探照燈以搜尋浮冰，駕駛室可對探照燈進行遙控；駕駛室前方窗戶玻璃提供加熱，以保證雨刮器正常工作且保持不結冰。

(3)航行于高緯度環境時，常規的陀螺儀式電羅經無法滿足要求，需要配置2套光纖羅經。

5 通信

極地航行的通信主要考慮低溫環境對無線電、衛星等通訊設備的性能影響。極地屬于SOLAS公約定義的A4海域，因此需要考慮A4海域對通訊設備的特殊要求。為適應極地低溫環境，需對通訊設備進行特殊配置如下：

(1)氣象傳真機/無線甚高頻電話/海上安全信息播發系統(NAVTEX)天線配置帶加熱的天線罩；INM-C/INM-FBB等圓形(或棒狀)天線提供機械保護防止被雪覆蓋。

(2)在A4海域航行，需要額外增加1套中高頻通訊(MF/HF)窄帶直接印字電報(NBDP)和1套銥星(IRIDIUM)系統，實現船舶遠程識別和跟蹤(LRIT)功能。

6 結論

本文介紹了極地航行船船體結構加強、甲板機械防護、消防救生設備防護、通道防凍、居住區安全、航行安全及通信方面的安全設計措施，以排除極地惡劣環境對航行船舶帶來的安全隱患，保證極地船安全航行。可以得出以下結論：

(1)船體結構需要在冰帶范圍內進行加強，舷側外板采用橫骨架式能有效降低外板凈厚度，從而減輕空船重量。總縱強度設計需要綜合考慮冰區和非冰區兩種情形，并取兩種情況的最大值。

(2)甲板機械需要布置在室內或用遮蔽的結構進行保護，以保證船員能在極地冰雪、大風和飛濺的環境狀態下工作的安全。

(3)CO2滅火系統無需設置額外的防護措施，甲板消防管路最低點設置放殘閥門，消防栓提供必要的保護罩。

(4)對于救生設備所在的處所及撤離通道需要采用船體結構進行遮蔽，將救生設備保護在半遮蔽的室內。而對于救生設備釋放所要求的開口，則采用帆布罩進行保護。

(5)通往設備操作區域的通道、逃生通道提供加熱等防凍對策。集結站布置在室內區劃，保證人員安全通行。

(6)居住區設計時，由于外界環境溫度極低，為確保船上人員安全健康的溫度，可考慮采用預加熱和再加熱兩次蒸汽加熱的方式。

(7)配備冰情信息接收和顯示設備，接收最新的冰情。天線要配加熱器或機械保護裝置，保證天線正常工作。船首配置探照燈以搜尋浮冰。駕駛室前方窗戶玻璃提供加熱功能，通導系統額外配置2套光纖羅經。