極地船舶舾裝設備國產(chǎn)化技術現(xiàn)狀與展望

張海瑛 湯霄揚 閆鳳超 陳 鵬

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

0 引 言

南北兩極是人類目前正在逐步探索研究的區(qū)域。南極由于地理環(huán)境、人員稀少等因素，目前以夏季科學考察和捕撈為主要研究發(fā)展方向；對于冬季極夜情況，國內由于沒有相應的裝備在南極海域開展研究，因此還未深入開展。北極航道極具商業(yè)價值，而且能源豐富，越來越多的航運公司已經(jīng)在夏季開始利用北極航道；在冬季極夜環(huán)境下，國外也有部分船舶可以滿足北極冬季航行要求，而國內在此領域仍需進一步加強研究。

吳剛[1]從“雪龍2”號研制談中國極地裝備發(fā)展，系統(tǒng)介紹“雪龍2”號的研制過程，指出國內還缺乏高冰級核心設備的基礎攻關和示范應用。余麗等[2]在極地裝備關鍵基礎技術研究進展綜述中，對于防冰除冰和加熱技術的應用進行闡述。黃維等[3]分析了“雪龍2”號極地科考破冰船設計要點，對于PC3 級冰區(qū)要求船舶以及舾裝設計進行歸納和總結。

舾裝設備零部件涉及金屬材料、非金屬材料、液壓系統(tǒng)和電氣元器件等。極地船舶舾裝設備設計的關鍵技術在于上述材料及元器件的低溫適應性設計。本文主要針對救生設備、甲板機械和操縱設備這3 個主要存放于露天區(qū)域或與冰載荷相關的設備，從規(guī)范及目前現(xiàn)狀進行分析，探索高冰級舾裝設備國產(chǎn)化的研制展望。

1 救生設備

救生設備是船舶發(fā)生棄船等重大危險時，幫助船員生存的必要設備。根據(jù)《國際極地水域營運船舶規(guī)則》要求，救生艇筏及集合和登乘布置需要考慮緊急情況下可能出現(xiàn)的惡劣環(huán)境條件[4]。中國船級社《鋼制海船入級規(guī)范》要求救生設備需在設計服務溫度（design service temperature, DST）下可以操作和使用[5]。對于滿足高冰級（如PC1）要求的船舶，救生設備（尤其是救生艇和艇架等）需要滿足規(guī)范要求。圖1 為“雪龍2”號的救生艇及艇架。

圖1 “雪龍2”號救生艇及艇架

設計服務溫度的確定是先根據(jù)預定海域近10年的環(huán)境溫度統(tǒng)計數(shù)據(jù)，得到該海域基于10年周期的每日最低氣溫平均值曲線；進而得到1年中溫度最低的日均低溫；然后將最低日均低溫減去10 ℃便得到設計服務溫度。

船舶在夏季航行于極地，如“雪龍2”號，設計服務溫度取值為-30 ℃[3]；船舶在冬季航行于極地，如凝析油輪，設計服務溫度取值為-50 ℃。

對于極地低溫，救生艇及救助艇的發(fā)動機需要在設計服務溫度下2 min 內能啟動，燃油、冷卻、潤滑等系統(tǒng)在設計服務溫度下操作。若溫度低至-50 ℃，救生艇主機、燃油、潤滑、冷卻系統(tǒng)均需要抗低溫或者有保溫措施，以滿足極地要求。在救生艇釋放裝置區(qū)域，需要提供加熱系統(tǒng)，防止釋放裝置和艇由于結冰而導致系統(tǒng)失效。就艇自身系統(tǒng)設計和材料而言，我國與國外水平相當。

救生艇及救助艇降放設備的電機、液壓零部件、吊鉤零部件等需在設計服務溫度下可正常工作，目前一般采用保護罩并采取適當?shù)募訜岽胧源_保設備不被凍壞。對于設備的組成部件而言，由于采取了保護罩附加加熱裝置，故部件自身無需使用特殊材料來抵抗低溫，只需在低溫實驗室設置相應的低溫工況測試保溫設計是否有效即可，國產(chǎn)化較易實現(xiàn)。雖然國內部分救生艇及艇架制造商所交付的產(chǎn)品符合設計服務溫度-50 ℃，但是國內還未完全形成整個救生設備的防寒體系，仍需要從規(guī)范層面、產(chǎn)品認證到產(chǎn)品國產(chǎn)化配套等方面進行整體研究，真正實現(xiàn)完全國產(chǎn)化。目前，就降放設備系統(tǒng)設計和材料而言，我國與國外水平相當。

2 甲板機械

甲板機械是安裝在船舶甲板上的機械設備，主要包含舵機、錨絞機和起重機等設備，可保證船舶正常航行及船舶停靠碼頭、裝卸貨物等功能。

2.1 舵機

在極地船舶指南[6]及其他主流船級社（如英國勞氏船級社和挪威船級社）的規(guī)范中，根據(jù)冰級不同，舵機扭矩需要設置放大系數(shù)，舵機轉速根據(jù)冰級要求進行加大，并需設置扭矩釋放措施保護轉舵機構。在規(guī)定的轉舵速度下，液壓系統(tǒng)需要設置泄放閥等設施，保護舵機液壓系統(tǒng)安全。另外，規(guī)范中還要求舵機動力單元附近設置永久的電加熱裝置。選用大功率舵機可解決其扭矩增加的問題。舵機本身設置在舵機艙內，屬于室內環(huán)境，液壓動力系統(tǒng)及電氣元器件不需要額外考慮抗低溫措施，因此關于低溫防護部分的要求與常規(guī)船舶舵機相同。國產(chǎn)化方面，舵機自身的結構和機械組件均可在國內自主生產(chǎn)，但是大型鑄鋼件質量不穩(wěn)定；涉及密封和控制系統(tǒng)的可靠性，需要與國內知名品牌開展進一步合作，提高舵機的整體可靠性。舵機進口及國產(chǎn)零部件性能指標對比見表1。

表1 舵機國內外性能對比

2.2 錨絞機

錨絞機在常規(guī)船舶設計中既可露天存放，也可布置在有圍壁或者半圍壁甲板區(qū)域內。在極地船舶指南[6]中，考慮到甲板上的錨絞機會由于海水飛濺而凍結，需要加熱或者布置在遮蔽區(qū)域內。如果錨絞機露天存放，應盡可能在駕駛室設置應急釋放裝置，這主要是對于操作人員的保護，在中國船級社《鋼制海船入級規(guī)范》中也有類似要求。由此可見，錨絞機的設置既需要考慮設備自身的防寒要求，也需要考慮船員在低溫環(huán)境下安全操作的因素。

（1）錨絞機設置在有圍壁區(qū)域

中國建造的“雪龍2”號、極地重載甲板運輸船和極地凝析油輪均將錨絞機設置在有圍壁的艏部艙室，圖2 為“雪龍2”號艏部示意圖。這樣設置不僅可以大幅度降低對于錨絞機的低溫要求，也增加了錨絞機的可靠性和人員操作安全性。

圖2 “雪龍2”號艏部示意圖

（2）錨絞機設置在露天區(qū)域

俄羅斯的新北極號便采用此方式（見圖3），但這對于錨絞機本身的抗低溫能力要求更高。

圖3 新北極號艏部錨泊區(qū)域

錨絞機設置在露天區(qū)域，對于高冰級的船舶而言，設計服務溫度可低至-50 ℃，整個系統(tǒng)設計需要采取相應的低溫設計或者采用合適的保溫措施對錨絞機進行整體保護。對于電動液壓驅動的錨絞機,由于動力單元液壓泵站可存放在遮蔽區(qū)域，相應的環(huán)境溫度可適當提高，因此主要考慮核心液壓元器件低溫啟動及關鍵部件與系統(tǒng)防寒設計[7]等方面。對于電機驅動的錨絞機，其動力單元電機與設備本體相連，且從中國出發(fā)到南極的船舶先經(jīng)過熱帶海區(qū)，然后再到達南極區(qū)域，故溫差梯度大。因此, 研制能適應大溫差且耐低溫的電動機及耐低溫元器件非常重要。

目前，國內對低溫電動液壓錨絞機進行了技術攻關，但是對于低溫電動錨絞機還需要開展進一步研究。對于極地環(huán)境而言，電動錨絞機較液壓錨絞機更綠色環(huán)保且無液壓油泄漏等問題，在極地環(huán)境中使用，更能凸顯其優(yōu)點。另外，雖然電動液壓錨絞機進行了技術攻關，但仍需要經(jīng)過實船驗證，從而形成極地航行船舶錨絞機的防寒體系，推動低溫基礎產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，才能真正實現(xiàn)低溫甲板機械從設備研制到交船后全壽命使用的完整體系，實現(xiàn)真正的國產(chǎn)化。系泊絞車與錨絞機處于相同工作環(huán)境，與錨絞機要求相似，此處不再贅述。錨絞機進口及國產(chǎn)零部件參數(shù)對比見表2。

表2 錨絞機國內外參數(shù)對比 ℃

2.3 起重機

起重機通常設置在露天甲板區(qū)域，需滿足設計服務溫度的要求。中國船級社《鋼制海船入級規(guī)范》中，對于露天的起重機要求操控室內部應提供空間加熱，操縱室窗戶應提供加熱裝置防止結冰；甲板起重機在低溫環(huán)境下發(fā)生積冰時，起重機能在放置和操作狀態(tài)承受積冰質量，基座與支撐結構應能承受上述積冰質量；露天的起重機應在設計服務溫度下進行冷啟動，需配備合適的潤滑油、油脂和液壓油的循環(huán)設施和沖洗系統(tǒng)。對應到起重機本身，需要考慮增加額外的冰載荷，鋼材選用低溫鋼材，潤滑系統(tǒng)需要滿足低溫要求。

露天甲板起重機通常采用電動液壓形式，由機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成。機械系統(tǒng)由筒體、塔身、吊臂、潤滑和絞車系統(tǒng)組成；液壓系統(tǒng)分為液壓動力單元、臂架液壓系統(tǒng)、回轉液壓系統(tǒng)和絞車液壓系統(tǒng)；電控系統(tǒng)由啟動箱、控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、監(jiān)控及檢測系統(tǒng)組成。

在極地低溫環(huán)境下，對于起重機的液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)及外部結構，均需要進行防冰防凍保護。具體措施為：主要結構增加防護罩及電熱絲，避免結冰；起升絞車采取增加防護罩措施，避免因雨雪或者海水的接觸而導致結冰等。

在啟動狀態(tài)下，起重機通過合適的加熱保溫措施才能正常工作，否則會由于露天區(qū)域液壓油溫度低，出現(xiàn)使用卡頓及異響現(xiàn)象；在作業(yè)狀態(tài)下，起重機馬達等本身會產(chǎn)生熱量；在非作業(yè)狀態(tài)下，關鍵液壓及控制系統(tǒng)零部件低溫保護及選型需要進行深入研究，并進行低溫試驗驗證。另外，還需要關注密封件如耐低溫橡膠或樹脂材料的合理選用；若選用不當，會造成液壓油泄漏，污染極地水域。

經(jīng)過上述分析，液壓系統(tǒng)元器件（如油泵、馬達、閥件和油缸等）需要進行低溫性能試驗，尤其是當選取設計服務溫度為-50 ℃時，國內市場知名品牌的配套能力還需要進一步提高，滿足極地使用需求。或者，若設備選型采用普通形式，對于設備采取保溫設計，避免直接裸露在空氣中，也可作為嘗試的方向。國產(chǎn)化方面，電液式起重機由于系統(tǒng)相對簡單且低溫實現(xiàn)可行性高，目前已經(jīng)有國內單位進行研究并交付產(chǎn)品。

電動起重機在較小安全工作負荷的起重機上應用較多。電動起重機采用電機驅動，較液壓起重機更加環(huán)保，適合在極地使用。但是由于低溫大功率電機國內市場份額較小，僅北歐一些國家可提供滿足此要求的電機，因此對于電動液壓起重機而言，大功率低溫電機是需要重點突破的領域。

極地凝析油輪甲板上配備的可變幅油管吊（見圖4），采用電動液壓形式，設計服務溫度為 -50 ℃且經(jīng)過低溫試驗驗證，但其中還有一部分關鍵零部件（比如大功率低溫電機、液壓元器件等）選用進口產(chǎn)品。

圖4 凝析油輪甲板油管吊

因此，不論電液驅動還是電動驅動的低溫起重機，若要達到設備自主可控，關鍵零部件需國產(chǎn)化。

在頂層規(guī)劃方面，需要開展體系研究，包括設計、主要零部件、驗收等形成標準體系，推動低溫起重機國產(chǎn)化。起重機進口及國產(chǎn)零部件具體參數(shù)對比見表3。

表3 起重機國內外參數(shù)對比 ℃

3 操縱設備

船舶在冰況海域中航行，航速一般較低，但對于操縱性要求較高，側推器可以顯著改善船舶在低速航行、停航或者倒航時的操縱性。但對于艏部側推器而言，艏部區(qū)域在浮冰區(qū)作業(yè)過程中，有一定的概率浮冰會進入側推隧道，導致螺旋槳槳葉被浮冰損壞；也存在碎冰覆蓋在格柵區(qū)域，導致海水不能順暢地進入格柵槽道內。因此，在極地船舶指南中，要求盡量避免在冰中使用艏側推，若必須使用，則建議采取措施以避免艏側推失效[6]。

極地船舶采用側推，需要考慮側推自身的強度，可采用高強度的材料（比如不銹鋼）替代常用的銅合金材料。所有的結構件及緊固件（比如漿轂、漿帽、螺旋槳軸、齒輪箱、法蘭和連接螺栓等）均需要考慮冰載荷的工況（具體見圖5），還需要考慮密封等材料在冰載荷的沖擊下系統(tǒng)低溫可靠性。

圖5 極區(qū)側推設計示意圖

此外，側推隧道在浮冰區(qū)不推薦設置，否則碎冰覆蓋在格柵區(qū)域，造成進水不暢，導致側推損壞。側推封蓋在極地也不推薦使用，艏部破冰區(qū)域的結構強度需要承受較大冰載荷，側推封蓋位于該區(qū)域，因此也需要承受較大冰載荷，會導致側推封蓋整個系統(tǒng)承受大的沖擊載荷，設備活動及密封部件選型困難，大幅度降低設備可靠性。

極地航行的高冰級船舶，較少采用艏側推裝置。不過，也有部分船舶采用艏側推，比如極地重載甲板運輸船以及澳大利亞科考船Nuyina 號等，均在艏部安裝了滿足冰級要求的艏側推。但是，這些艏側推全部為進口產(chǎn)品，國內還未開發(fā)出滿足冰級要求的側推。基于國內目前的工業(yè)水平，我國正在逐步提升側推設計加工能力和螺旋槳本體設計建造能力，且國內已有能生產(chǎn)不銹鋼材質主推的設備商。因此，槳葉建造能力基本具備，但還需要在密封低溫和常溫交替及浮冰撞擊下，對不同結構形式的密封性能和緊固部件在低溫情況下浮冰撞擊引起的強度和疲勞等方面進行研究，防止?jié)櫥秃鸵簤河托孤┪廴灸媳睒O海域，以滿足冰區(qū)環(huán)保要求。艏側推進口及國產(chǎn)零部件主要性能對比見表4。

表4 艏側推國內外主要性能對比

4 結 語

通過對露天區(qū)域設備、救生艇及艇架、甲板機械及受冰載荷影響較大的舵機和側推裝置在規(guī)范中的要求及國內外高冰級船舶的設備配置情況分析，可以得出：若要確保極區(qū)設備的可靠性，上述設備必須實現(xiàn)真正的國產(chǎn)化能力體系，包括從規(guī)范要求到研發(fā)、試驗、驗收和全壽命維護修理，其中的耐低溫電動機、耐低溫電氣元器件和耐低溫密封件等關鍵零部件的研制尤需進一步加強，從而實現(xiàn)完全自主可控。