冬季低温下船舶建造防冻方案设计

大连中远川崎船舶工程有限公司 李江波 大连电子学校 赵莹

中国北方沿海地区冬季气温较低，以往的气象数据显示，船舶建造项目区冬季平均气温-6 ℃～-8 ℃，极端最低气温可达-20 ℃左右。根据船舶建造经验，船舶封闭区域温度通常比环境温度高6 ℃～8 ℃。在冬季船舶建造期间，在建船舶封闭区域温度在-2 ℃～2 ℃之间。

船舶设备和管路的设计与选用时基于环境温度，均考虑了设计基准温度，以避免由于低温超过允许使用温度而造成冻坏现象。但在冬季低温下船舶建造期间，在建船舶上可能出现由设备和管路内留存液体造成的锈蚀或冻坏，带来严重的经济损失，也给现场施工和维护带来较大的困难，影响船舶建造质量。

本文在分析船舶设备和管路冻坏原因的基础上，设计了防冻方案，并通过实船防冻方案设计进行验证，为船舶冬季低温防冻提供了参考。

一、问题提出和分析

每艘船舶都是由船体、轮机、电气三大部分组成。舾装部分主要包括推进装置、辅助装置（船舶电站、辅助锅炉装置）、管路系统、甲板机械、自动化设备、特种系统。管路系统是用来连接各种机械设备并输送相关流体的管系，由各种阀件、泵、滤器、热交换器等组成[1]。船体结构舱室、装置和管路系统中的流体介质主要是燃油、滑油、海淡水、空气。

船舶建造期间搭载的船用燃油，有轻油（船用馏分燃料油）和重油（船用残渣燃料油）。轻油（MDO）在冬季凝点一般是-3 ℃～-5 ℃,重油的凝点一般是13 ℃～15 ℃。燃油的密度随温度而变，在冬季低温下，燃油将会凝固。低温凝固后，燃油密度将变大，体积变小[2]。滑油的凝点较低，在冬季低温环境下，一般不会凝固。滑油密度随温度降低而增加，体积变小。海淡水在冬季低温下，将结冰膨胀。

在冬季环境温度低于流体介质凝点时，留存液体物理特性变化产生凝固，依据介质的不同低温特性，对船体舱室、管路、设备产生不同影响。燃油、滑油凝固后密度增大，体积变小，不会造成冻裂。海淡水凝固后转变为冰，体积膨胀，可能会造成船舶部件胀裂。

二、方案设计和对比

通过加热保温使环境温度在海淡水凝点以上或添加防冻液改变海淡水的物理特性，可以避免海淡水在低温下凝固，给海淡水预留结冰后膨胀的空间，防止船舶部件胀裂。将存留在船舶管路或设备中的海淡水泄放处理干净，进行干式存放，可避免结冰。防冻方案的设计，主要从以下几个方面进行考虑。

(一)具体方案

1.改变环境温度

通过改变环境温度，加热保温，使环境温度高于海淡水凝点，避免海淡水低温凝固膨胀。根据实际建造经验，在船舶建造过程中，如船用辅锅炉未安装，可利用岸上蒸汽管路接入。在船用辅锅炉安装调试正常后，开启船用辅锅炉，产生蒸汽，利用蒸汽管路或增加暖气设备来改变环境温度。在利用蒸汽改变环境温度过程中，要注意对开口区域进行适当封堵，减少与环境区域进行热交换时产生的损失，例如机舱吊物口等。在船舶设计阶段，要考虑蒸汽管路预留用于冬季防冻蒸汽接入的进出口、泄放口。

2.添加防冻液

在水中添加防冻液可以防止冬季低温下水结冰胀裂设备或管路。防冻液的冰点是防冻液最重要的指标之一，也是防冻液能否防冻的关键条件，应根据使用环境温度条件选择防冻液的冰点(即凝固点)。一般情况下，防冻液冰点应选择在比环境最低气温低10 ℃～15 ℃为宜。一般应选用具有防锈、防腐及除垢能力的防冻液，能对管路系统的部件起到防腐防锈保护作用，避免降低管路系统的散热作用。同时要考虑选择与橡胶密封圈相匹配的防冻液，避免对橡胶密封圈产生溶胀和侵蚀等副作用。防冻液的种类很多，目前在船舶建造防冻中使用的主要是含乙二醇母液的防冻剂。

水密试验的目的是检查管路、舱室有无渗漏现象和强度好坏[3]。在试验过程中，注水后需要存水保压一段时间。在冬季低温环境下，水可能在保压过程中结冰膨胀，造成管路损害。管路系统一般在全船区分布较散，不便整体改变环境温度，所以在做防冻设计时，最好选用防冻液防冻。

3.存水管理

船体结构的水舱在严寒中可能因存水结冰而膨胀变形或崩裂。如水舱的外壁属于船壳板的一部分，外壁在水线以上的面积/体积大，或水舱外壁位于迎风一侧，舱室内的水容易结冻。如果水舱内的存水不作循环也不流动，则更易结冻。

针对舱室面积/体积大、加热设备不易布置的特点，防冻设计时主要考虑对存水进行管理，预留膨胀空间。一般要求水舱的存水不要太满，但应避免将各水舱的存水过量抽掉，引起稳性降低或过强、自由液面增加、吃水差改变、受风面积增加、螺旋桨露出水面等问题[4]。根据实际建造经验，对上层边水舱、边水舱、前后尖舱应优先考虑，其实际存水量应不超过满舱的85%。对位于水线以下的舱室，因为舱外海水不易结冰，海水温度可传至舱室内的存水，使其不易结冰，所以舱室存水量不能超过其容量的95%。此外，对于水舱的空气管和测深管来说，在其舱室舱顶以上的部分不要存水。

冬季低温下进行船舶建造时，建立严格的质量安全管理体系，船舶建造人员应根据舱室防冻设计要求，实时进行存水管理，这是船舶舱室建造防冻的关键[5]。

4.对介质清除处理

将管路系统或设备中留存的海水或淡水进行清除处理，保持其中干燥，可避免管道或设备冻坏。针对不同管路系统、设备可设计不同的存水处理方法。

（1）进行泄放

船舶设计阶段应该对管路系统和设备的泄放方法以及泄放位置予以考虑。在管路系统中设计泄放管路，并且将泄放点尽量布置在整个系统的最低点，以保证存水被泄放干净，泄出的水需设计为可引至污水井内或排舷外。在设备中也要设计泄放口，泄放口的位置同样要保证存水能被泄放干净。设备发运到船厂前，要求设备厂家将设备内的存水泄放，采用干式保养发运。对于新船、新管路、新设备，在船舶设计时，就应专门进行泄放设计。

对于泄放操作方法信息，要提供给船舶现场建造人员，供其实施，形成设计及信息传递建造现场的长效机制和实施效果的反馈机制[6]。

（2）利用压缩空气吹除

对于已泄放后或水压试验后的残水，可利用压缩空气进行吹除。

（3）设计改善，避免残水存留

对管路、设备中容易存水的部分进行设计改善，使积水可以泄放干净，避免有残留积水导致管路系统和设备冻坏。例：管路在进行变形量调节或避让用U 形弯管设计时，布置方向由竖直改为水平，可避免残留积水。

(二)方案对比

下面对前文所述各防冻方案的特点进行了对比，如表1 所示。

表1 冬季低温建造防冻各方案的对比

从上述对比结果可以看出，各种防冻方案在经济性、适用性方面是不同的。利用锅炉加热改变环境温度和添加防冻液，经济费用较高，并且有些区域不适用，但防冻效果好。对管路/设备中水进行泄放处理，即能达到防冻的目的，又可反复使用，且费用较低。存水管理，只适用于必须存水舱室的防冻。

对介质清除处理防冻方案的各具体方法的对比，见表2。采用压缩空气进行设备/管路内水处理，只适用于小管径管路，且根据现场实绩，通常残水处理不净。进行设计改善、避免残水积留是预防的可靠措施。存水泄放是管路/设备冬季低温防冻设计中操作性强、可反复使用的主要方法。

表2 介质清除处理各方法对比

表3 各建造阶段特点和防冻方法

三、应用实例

某30 万吨矿砂船的建造期为：坞内建造、岸壁舾装、海试、岸壁待交船。海试中船舶保持航行状态，设备处于运转中，且可利用锅炉、空调来进行环境温度调节，只要进行充分的准备，采取必要的防冻管理措施，可保证船舶防冻。而在其他三个阶段，对船舶不同区划，应该针对介质留存的特点考虑防冻的可靠性和经济性，以采用不同防冻方案，见表3。

根据不同建造阶段船舶舾装的工作特点、介质留存的特点，以及船舶不同区划舱室、系统、设备的特点，设计采用一种或多种防冻方法，即可达到船舶部件防冻的目的，又能提高船舶建造的经济性。

四、结语

在冬季低温建造期间，针对船舶不同区划和场合，应设计采用不同的防冻方法，避免船舶管路或设备因其中海淡水结冻膨胀而对船舶造成损害。防冻方法的设计既要考虑防冻效果，又要考虑经济性。

采用锅炉蒸汽加热改变环境温度或添加防冻液，其经济成本较高。进行存水管理时，需要现场建造人员根据实际建造情况动态跟踪调整。对于存水清除处理，需要在船舶设计阶段对泄放方法、泄放管路、泄放口、泄放水处理进行统一设计考虑。

船舶建造防冻工程从最初的防冻设计，到建造中的防冻方案实施，再到最后船舶交付，全程是动态和交互的。各个阶段和区划所用防冻方法，需要提前设计并传递给建造人员。建造人员需根据实际情况动态调整选用防冻方法，不断完善设计方案。

[1]于洪亮,黄连忠.船舶动力装置[M].大连:大连海事大学出版社,2006:1-2.

[2]李斌.船舶柴油机[M].大连:大连海事大学出版社,2008:87-90.

[3]龙进军.船舶检验[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2006:100-102.

[4]薛国善.船舶冬季防冻防滑工作[J].世界海运,2013(3):30-31.

[5]孙密.冬季船舶安全工作的特点和措施[J].航海技术,1999(6):10-12.

[6]陈志勇.LPG船冬季低温下不适装问题及对策[J].水运管理,2012(1):8-10.