某極地科考船的管路防寒設(shè)計(jì)

摘" " 要：本文基于自主研發(fā)的某極地科考船管路系統(tǒng)的防寒設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)要介紹常用管路防寒設(shè)計(jì)的基本要求、耐低溫管子、閥件材質(zhì)的選用方法，以及本船主要管路系統(tǒng)的防寒設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：極地船；管路；防寒設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U674.81 " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Winter Protection Design of Pipe Systems for Polar"Scientific Research Vessel

ZHANG Ruihua，" PEI Yangyang，" ZENG Wei，" LIANG Bo，" LI Weizeng

（ Guangdong GSI Marine Research Center ，" Guangzhou 511458 ）

Abstract： According to the winter protection design experience of pipe systems on the polar research ship independently developed by GSI， this article reviews the basic requirements of the winter protection design of pipe system， the selection of low-temperature cold-resistant pipe materials and the selection of low-temperature resistant valves， etc. At the same time， it summarizes the winter protection design experience of the key pipe system on board. The summary of the relevant experience can provide reference for the design of the new polar vessels in the future.

Key words： polar research vessel;" pipe system;" winter protection design

1" " "前言

本船為深遠(yuǎn)海多功能科學(xué)考察船，要求具備無(wú)限水域航行、載人深潛、深海探測(cè)、綜合作業(yè)等功能，具有在夏季前往南北極海域進(jìn)行海洋環(huán)境調(diào)查、深潛科學(xué)考察研究等能力，為此本船的部分管系需要考慮防寒設(shè)計(jì)。本文基于CCS船級(jí)社規(guī)范對(duì)入級(jí)符號(hào)POLAR CODE相關(guān)要求，結(jié)合本船的設(shè)計(jì)服務(wù)溫度、破冰等級(jí)等情況，簡(jiǎn)要介紹其適應(yīng)低溫環(huán)境的管系材料選用方法及其防寒措施。

2" " 設(shè)計(jì)依據(jù)

2.1" "入級(jí)規(guī)范

本船入級(jí)CCS，需滿足《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》相關(guān)要求，在極地水域航行及執(zhí)行相關(guān)科考作業(yè)，需滿足極地規(guī)則的相關(guān)要求。此外，本船還需滿足CCS的極地級(jí)入級(jí)符號(hào)PC4和防寒附加符號(hào)ACC-POLAR（-25℃）的要求。

2.2" "極地級(jí)確定

確定合適的極地級(jí)，通常是以船東為主導(dǎo)，主管機(jī)關(guān)對(duì)與該船擬行駛航區(qū)或營(yíng)運(yùn)要求相匹配的合適的極地級(jí)給出指導(dǎo)，設(shè)計(jì)者基于規(guī)范提出建議。確定設(shè)計(jì)極地級(jí)，主要是根據(jù)船舶擬航行或營(yíng)運(yùn)海域的冰層情況進(jìn)行分析，合理選擇。極地級(jí)船舶附加標(biāo)志可以表達(dá)不同的冰級(jí)，基于本船的作業(yè)任務(wù)和航行水域，確定為PC4極地級(jí)，即表示航行于當(dāng)年冰況下可夾舊冰的水域。

2.3" "設(shè)計(jì)服務(wù)溫度

極地級(jí)的船舶，其推進(jìn)功率應(yīng)能在相應(yīng)的極地級(jí)別的冰況下獨(dú)立操作，并保持持續(xù)航速，它關(guān)聯(lián)到螺旋槳的材質(zhì)選用、推進(jìn)軸系、機(jī)器及起居處所通風(fēng)等；同時(shí)，極地級(jí)的船舶對(duì)于海水進(jìn)口及海水箱設(shè)計(jì)、輔助系統(tǒng)的防寒有相應(yīng)要求，要按照規(guī)范相關(guān)要求進(jìn)行相應(yīng)的配置和防冰防寒設(shè)計(jì)。由于極地符號(hào)未對(duì)管路材質(zhì)、管附件材質(zhì)作出具體要求，管路防寒設(shè)計(jì)主要依據(jù)船舶設(shè)計(jì)服務(wù)溫度，該溫度由船東根據(jù)船舶用途和服務(wù)工況確定， 一般應(yīng)設(shè)為低于擬定的船舶操作區(qū)域和季節(jié)的最低日均低溫（LMDLT）至少 10 ℃。

由于本船的設(shè)計(jì)要求是在南北極的夏季到極地進(jìn)行相關(guān)作業(yè)，根據(jù)南北極可作業(yè)范圍的溫度情況，作業(yè)區(qū)間的最低日均低溫為-15 ℃，因此本船的極地服務(wù)溫度取-25 ℃。

本船具有CCS船級(jí)社的極地防寒標(biāo)志符號(hào)ACC-POLAR（DST），需要滿足CCS關(guān)于低氣溫環(huán)境下操作船舶的補(bǔ)充規(guī)定中的相關(guān)要求。根據(jù)規(guī)定，結(jié)構(gòu)、設(shè)備和管路的加熱布置、液艙防凍保護(hù)和艙室加熱系統(tǒng)等，應(yīng)慮及船舶操作的預(yù)期最低環(huán)境溫度，該溫度應(yīng)低于極地服務(wù)溫度以下20 ℃，因此本船的預(yù)期最低環(huán)境溫度取-35 ℃。

3" " "管路系統(tǒng)防寒設(shè)計(jì)

3.1" " 管路系統(tǒng)防寒設(shè)計(jì)的基本要求

1）處于露天或低氣溫處所的管系，要選用耐低溫材質(zhì)，設(shè)有加熱措施或輸送熱介質(zhì)的管除外。例如，本船蒸汽及凝水管路包覆有隔熱絕緣，所輸送的介質(zhì)具有較高溫度，其不需要采用耐低溫管材；

2）處于露天或低氣溫處所的管路，應(yīng)避免冰雪的侵入及低溫和積冰可能帶來(lái)的不利影響。本船露天的管路應(yīng)適用于預(yù)期的最低環(huán)境溫度，即-35 ℃，如閥控單元、指示器、密封墊片以及傳感器等熱工儀表和其他附件等，應(yīng)有防冰、防凍或其他保持功效的措施，露天的閥門應(yīng)避免兩側(cè)的流體凍結(jié)以及雪和飛濺結(jié)冰的積聚；

3）管內(nèi)的流體易于冰凍的管路，應(yīng)布置一定的斜度，并在低位設(shè)置泄放口，或配置電伴熱；

4）舷側(cè)排出口為防止結(jié)冰堵塞，一般應(yīng)設(shè)在水線以下；

5）低溫處所或水線上設(shè)置的舷側(cè)排出閥，應(yīng)可以連接低壓蒸汽和壓縮空氣進(jìn)行融冰吹掃，或?qū)⒈┞队诘蜏丨h(huán)境的舷側(cè)排出管和閥的流通截面積增加30%，或?qū)苈烽y件配置電伴熱；

6）露天和低溫處所的管路布置，應(yīng)避免溫差帶來(lái)的熱脹冷縮對(duì)管路的破壞。

3.2" "管路材料的選擇

依據(jù)本船的設(shè)計(jì)服務(wù)溫度、管子級(jí)別和壁厚參數(shù)，確定沖擊試驗(yàn)要求，如表1所列。

由于不銹鋼管本身具有良好的低溫韌性和抗沖擊性，其應(yīng)用于-100 ℃以上的工作環(huán)境時(shí)均不要求進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

對(duì)于碳鋼管，基于相關(guān)規(guī)范的要求，參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T8163-2018 中對(duì)碳鋼管的拉伸性能要求，本船用于低溫環(huán)境的II級(jí)管和III級(jí)管部分壁厚的管系管材，可選用Q345-B材料，而Q345-C材料適用于本船低溫等級(jí)所有管材的壁厚要求。

另外，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) 《ASTM A333 /A333M-2010 低溫設(shè)備用無(wú)縫和焊接鋼管的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格》中的鋼管規(guī)格，其中Grade 6 級(jí)別的管材適用于本船，但由于其船級(jí)社證書及采購(gòu)周期等不能滿足施工需求，故全部選用Q345-C牌號(hào)。

對(duì)于銅管，其亦具有優(yōu)異的耐低溫性能，但其若應(yīng)用于低溫處所，需要在訂貨協(xié)議時(shí)規(guī)定出沖擊試驗(yàn)溫度和吸收能量參數(shù)。

3.3" "管附件材料的選擇

對(duì)于碳鋼漏水口、通岸接頭、閥件等附件，可根據(jù)《GB/T 700-2006 碳素結(jié)構(gòu)鋼》中對(duì)于交貨狀態(tài)力學(xué)性能的要求，再依據(jù)其厚度、級(jí)別，并參照各種鋼材規(guī)格的沖擊溫度來(lái)選用相應(yīng)的材質(zhì)。例如，通岸接頭的厚度為16mm，該接頭的材質(zhì)需要在0 ℃時(shí)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，按各種材質(zhì)的力學(xué)性能，該通岸接頭的材質(zhì)選用Q235C或Q235D。

由于灰鑄鐵因在低溫環(huán)境下易發(fā)生脆性斷裂現(xiàn)象，所以低溫處所通常禁止采用灰鑄鐵材質(zhì)的閥件；球磨鑄鐵與灰鑄鐵相比，雖具有較好的耐低溫性能，但參見《GB/T 1348-2019 球墨鑄鐵件》可知，其夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)的沖擊能量小于27 J，不滿足低溫環(huán)境下的使用要求。

材質(zhì)為ZG230-450的鑄鋼閘閥， 其沖擊能量達(dá)到35 J，滿足低溫環(huán)境使用要求；鑄鋼材質(zhì)為ZG275-485的鑄鋼截止閥，其沖擊能量達(dá)到27 J，也滿足低溫環(huán)境使用要求。因此，上述材料的閥件可以用于本船的低溫處所。

對(duì)于青銅類閥件，由于青銅鑄件標(biāo)準(zhǔn)中無(wú)沖擊試驗(yàn)的要求及相關(guān)說(shuō)明，無(wú)法判定其是否滿足規(guī)范相關(guān)要求，因此不宜選用于低溫環(huán)境。

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，低溫處所管路及附件材質(zhì)的選用，如表2所示。

3.4" "管路系統(tǒng)防寒設(shè)計(jì)

在滿足防寒要求的前提下，本船的管路設(shè)計(jì)原則是盡可能減少位于低氣溫環(huán)境中的管路，即盡可能將管路布置在非低溫處所；對(duì)于不得不位于低氣溫環(huán)境中的管路，則采用耐低溫管材、耐低溫閥件、電伴熱防冰、包覆帆布罩等措施。

下面簡(jiǎn)要介紹本船主要管路系統(tǒng)的防寒設(shè)計(jì)：

1）蒸汽加熱系統(tǒng)

由于本船航行于寒冷水域，船上蒸汽加熱用戶多于常規(guī)船型。蒸汽加熱系統(tǒng)除了滿足本身的防寒設(shè)計(jì)要求外，還需要為艙室加熱、壓載艙防凍提供蒸汽供應(yīng)。

本船除消防控制站、醫(yī)務(wù)室、應(yīng)急發(fā)電機(jī)室等處所外，其他艙室、生活設(shè)施加熱主要采用蒸汽加熱，包括通風(fēng)進(jìn)風(fēng)加熱、獨(dú)立空間加熱器等，通過(guò)熱平衡計(jì)算，其加熱能力可保證在預(yù)期最低環(huán)境溫度下艙室為正常溫度。

考慮到預(yù)期的最低環(huán)境溫度，船舶應(yīng)通過(guò)合理布置有效防止壓載水艙、淡水艙和其他液艙液面凍結(jié)，因此對(duì)于本船接鄰船殼或者露天甲板的部分或全部位于輕載水線或低位冰區(qū)水線以上的壓載艙和淡水艙，設(shè)置了蒸汽加熱盤管，加熱盤管垂直布置，可避免壓載艙內(nèi)形成完整冰層。

在露天甲板、直升機(jī)懸停區(qū)域等設(shè)置蒸汽零用接頭，零用接頭在不使用時(shí)包覆帆布罩用于防冰防雪。

位于露天處所或低氣溫處所的蒸汽管路，由于包覆保溫絕緣，且在進(jìn)入低氣溫環(huán)境時(shí)管路內(nèi)有高溫蒸汽，該部分管路選用常規(guī)管材即可。

2）消防系統(tǒng)

消防系統(tǒng)的性能易受低溫或在海水吸口到消防栓范圍內(nèi)冰雪積聚的影響，消防系統(tǒng)選型與配置需適當(dāng)考慮極端操作條件下適用性。

消防設(shè)備和器具、滅火劑和系統(tǒng)，應(yīng)保持不受冰凍影響的狀態(tài)，消防閥與消防水龍帶一起放置于帶電伴熱的存放箱內(nèi)。

通常位于低氣溫處所的消防管路需要采用干式管路設(shè)計(jì)，即在管路的最低處設(shè)置泄放閥，用于在消防使用完畢后排干管路，以避免管路內(nèi)海水結(jié)冰破壞管路或者影響使用；位于低溫處所的干式消防管系，其管路材質(zhì)選用耐低溫材質(zhì)Q345-C，消防栓、閥件等則配置電伴熱帆布罩進(jìn)行保護(hù)；用于首部錨鏈沖洗的消防水管路，在末端設(shè)置泄放閥及軟管閥，用于管路內(nèi)殘水泄放及使用壓縮空氣或蒸汽吹送管線防冰。

室內(nèi)正常溫度處所內(nèi)的消防主管路可設(shè)計(jì)為濕式管路，但當(dāng)其經(jīng)過(guò)低溫處所時(shí)相應(yīng)的管段需要設(shè)置電伴熱進(jìn)行防護(hù)，避免管內(nèi)消防水結(jié)冰。

海水進(jìn)口管要接到專門為低氣溫環(huán)境設(shè)置的冰水箱上，冰水箱的防冰雪吸入設(shè)計(jì)可以保證消防系統(tǒng)的有效性。

3）透氣測(cè)量系統(tǒng)

透氣口布置，應(yīng)減少因外部的雨水飛濺積冰而導(dǎo)致的阻塞，以免泵送時(shí)引發(fā)艙內(nèi)壓力發(fā)生變化導(dǎo)致相應(yīng)的艙柜或船體結(jié)構(gòu)損壞。基于上述要求，本船艙室的透氣系統(tǒng)的空氣頭均采用了電伴熱空氣頭，其位于低溫處所的液艙透氣管路設(shè)置了電伴熱保護(hù)。

為了保證液艙的液位檢測(cè)裝置在預(yù)期的最低環(huán)境溫度下亦能保持有效，位于低氣溫處所的液艙測(cè)量管配置電伴熱保護(hù)。

對(duì)于經(jīng)過(guò)低氣溫處所的空艙測(cè)量管、透氣管，則采用耐低溫管材。

4）疏排水系統(tǒng)

暴露在低溫環(huán)境的船外排出口的截面積，應(yīng)相較于非低溫船舶增加30%，并應(yīng)設(shè)在水線下，以保持排水口暢通；另外，為避免水線下的船外閥的閥前管端積水而結(jié)冰，在該位置的管路上需要設(shè)置電伴熱，如圖1所示。

4" " "結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合某極地科考船管系的防寒設(shè)計(jì)案例，簡(jiǎn)要介紹耐寒管系材質(zhì)的選用和主要管路系統(tǒng)的防凍措施，愿能為同型船舶設(shè)計(jì)予以一定的啟示。

參考文獻(xiàn)

[1] CCS 鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[S]." 北京：人民交通出版社，2022.