冰区加强型油轮电气配置特殊性研究

杨 森，顾洪彬

（上海外高桥造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

俄罗斯油气资源丰富，近年来其对周边地区的石油开采进度明显加速，伴随着全球气候变暖，北方航道的通航天数逐年增加，大大刺激了国际市场对冰区加强型油轮的需求。冰区加强型油轮相对于常规油轮，从船体结构、船舶推进到设备配置方面，都存在很多差异，本文主要从电气角度研究其特殊性。

1 航区环境的风险因素

目前世界上主流的冰区加强型油轮一般选用芬兰-瑞典冰级 FSICR 1A（相当于IACS PC7）或FSICR 1A Super（相当于IACS PC6）[1,2]，航区主要集中在波罗的海、北方航道（主要有巴伦支海、喀拉海、拉普捷夫海、东西伯利亚海和楚科奇海等海域），再经由白令海峡到达鄂霍次克海（见图1中实线），航行时段仅限夏秋两季，黄金通航期在8～9月，约60d左右。基于上述情况，电气配置方面需考虑以下几点风险因素：低温环境；船上结冰；海冰；高纬度；极昼极夜。

图1 北方航道（实线）和传统航道（虚线）

2 环境风险的影响、分析及应对措施

2.1 低温环境下的设备

波罗的海北部是波的尼亚湾，地处芬兰和瑞典之间，1月份平均气温约-5 ～ -10℃，7月份平均气温约15 ～ 17℃。北方航道，冬季海面的平均气温在-20 ～ -40℃之间，夏季海面的平均气温在2℃左右，最高气温能达到19℃，最低气温约-3℃左右，其中东西伯利亚海相对最冷，平均气温在-1℃左右。通过上述资料可以看出，这段航区一般都处在低温环境下，船上的电气设备，特别是安装在室外（比如露天甲板）的电气设备，需要能够适应这种低温环境，比如设备材料应耐低温、设备在低温环境下应能正常运作以及便于人员操作等，否则需配有相应的保温措施。目前，油轮上安装在室外的电气设备通常有通信导航用的天线、航行信号灯、投光灯、气笛等，这些设备在-25 ～ 45℃的环境温度下一般都可以正常工作，不仅如此，一些设备厂家还能够提供在-40 ～ -50℃环境温度下使用的航行信号灯、投光灯以及通信导航用的天线以满足极地航行的需要。

2.2 结冰的影响和防冻处理

对电气设备而言，船上结冰才是最大的考验（见图2）。虽然空气温度低对电气设备的影响不是很大，但它却是导致结冰的重要因素。为什么会结冰？空气中存在水分，特别是遇到雨、雪、雾天气时水分更多，而且船舶在航行过程中会不可避免地接触大量的海水水雾，再加上长年低温的气候，船上露天的设备会很容易结冰。结冰会导致设备性能下降、运转故障或操作困难，甚至无法运转和操作。比如，航行信号灯灯罩结冰会影响其透光性，能见距离减小；雷达天线（扫描单元）结冰会影响其旋转，从而无法探测船舶周围 360°的物体情况；气笛结冰，如果堵住其出气口会发不出声音，导致一些重要的声音报警或信号无法传递。由于这些设备的失效会严重影响船舶航行的安全，所以一些船级社推出了相应的船级符号，提出了防冰除冰的要求或措施，如挪威船级社（DNV）的WINTERIZED BASIC、WINTERIZED COLD（t1，t2）、WINTERIZED ARCTIC（t1，t2）和DEICE[3]，美国船级社（ABS）的CCO（TDST，TMAT）、CCO（TDST，TMAT）+、CCO-POLAR（TDST，TMAT）、CCO-POLAR（TDST，TMAT）+和DE-ICE[4]，船东可以根据船舶实际的运营情况来选取合适的符号。

图2 船上结冰

现依据挪威船级社（DNV）的防冻处理（WINTERIZATION）要求，从船级社的角度去了解所关注的船舶极地航行安全问题，着重介绍在严寒气候环境下船舶设备及系统的防护要求和措施。

DNV WINTERIZED系列的符号分为BASIC、COLD、ARCTIC三级，级别由低到高，防冰除冰措施分为两大类：Ⅰ类和Ⅱ类。

2.2.1 Ⅰ类措施

通常采用加热或加护罩的方式防止结冰，使设备或区域一直处于无冰状态， 适用范围主要有：通信导航、操舵、船舶推进、锚系、救生等相关设备，以及逃生通道。

通信导航设备主要是针对安装在室外的部件，以天线居多，一般都安装在罗径甲板上，这类处所很容易结冰，所以雷达扫描单元、DGPS以及卫星通信的天线需配备电加热装置，保持无冰状态，从而保证系统的正常运行。值得一提的是，大部分天线均为鞭状天线，这类天线可以不用配备加热装置。

对于航行信号灯，如果采用的是白炽灯，通常认为其自身发出的热量可以防止结冰，但在舷边以及艏部较低位置的航行信号灯仍会结冰，故需配备电加热装置；如果采用的是LED（发光二极管）灯，其为冷光源，发热量很少，不足以对抗结冰，故内置电加热器也是必要的。

此外，还有一些具体的设备或区域需要防止结冰，比如气笛、驾驶室窗户、驾驶室至两翼通道、冷却海水箱（与主推进有关）、消防管路、压载舱和淡水舱的透气管头、货油舱减压阀、机舱通风进口、应急发电机室通风进出口、救生救助艇及艇架、救生筏、逃生出口及门、装有救生设备和除冰设备的存储柜、加热甲板或区域的排水孔等。

2.2.2 Ⅱ类措施

设备或区域已经结冰，但能够在一定时间内（通常 4～6h）除冰，可以采用手动或加热方式，适用范围主要有：露天甲板、走道梯道、直升机甲板、上建、扶手、室外管路、绞盘、甲板照明灯具。

加热在防冰除冰措施中是一种比较有效的手段，通常可以分为电加热和蒸汽/热水加热两类。电加热以敷设电伴热电缆的形式为主（图3～6），均匀布置在需加热的设备或区域附近，将电能转化为热能，故需设立一个专门的分电箱用作电加热装置的馈电，并配备一个功率表或电流表显示实际总负荷，同时标注每一分路的负荷。分电箱内每一分路均有接地故障监测，一旦发生问题，能自动断开并报警，另外还配有通电指示、短路保护和过载保护。蒸汽/热水加热需要安装盘管或其他形式的管路，通过蒸汽/热水等介质的热传递达到加热的效果，管路上的阀应有开关指示并标明用途，比如用于哪些设备、哪些区域的加热。需要注意的是，当蒸汽/热水加热作为 I类措施时，输送热介质的泵应至少配两套。关于加热量，挪威船级社（DNV）的最低要求见表1，由于这些加热引起的额外电能消耗和蒸汽消耗，DNV也给出了计算原则：作为Ⅰ类措施时以100%计算，作为Ⅱ类措施时以50%计算。

图3 内置电伴热电缆的聚酯垫（用于室外甲板走道）

图4 电伴热电缆（用于室外梯道）

图5 电伴热电缆（用于栏杆扶手）

图6 电伴热电缆（用于船体结构）

表1 不同区域的加热量要求[3]

上述主要是DNV WINTERIZED BASIC符号的要求，适用于在严寒气候环境下短期运营的船舶。而WINTERIZED COLD（t1，t2）和WINTERIZED ARCTIC（t1，t2）符号则适用于在严寒气候环境下长期运营的船舶，这里的t1代表材料设计温度，t2代表极端设计温度，单位都以℃计。与船级社签订入级合同时，这两个设计温度需要由用户（船东）确定。材料设计温度应反映船舶航区的最低日平均气温，而极端设计温度，如果没有相关运营区域的气候信息，可以设定为比最低日平均气温（或材料设计温度）低20℃。

若要获取WINTERIZED COLD（t1，t2）符号，还需要考虑水管、压载舱、淡水舱、液压油系统、燃油储存舱以及燃油输送管路的防冻措施；重要的场所需要作封闭或半封闭处理，如驾驶室两翼需全封闭（见图7），救生艇区域、锚铰机区域、应急拖带区域、集管区需半封闭，到艏部需有遮蔽通道等；机械处所内重要设备应能在最低室内温度下正常运作，并且当全船失电30min后能顺利启动，应急发电机应能在极端设计温度（t2）下正常运转，否则均需配备加热装置；驾驶室顶部需配海冰探照灯，并在驾驶室内配该灯的遥控装置；考虑船上结冰增加的重量对船舶稳性和水密完整性的影响；暴露在低温环境下的设备材料应能适应材料设计温度（t1），电缆应满足最新版本的加拿大CSA标准C22.2 No. 0.3章节中-35℃下冲击试验要求和-40℃下弯曲试验要求；救生艇、救生筏、室外的通导设备需要在极端设计温度（t2）下做操作试验。

图7 全封闭式驾驶室桥翼

WINTERIZED ARCTIC（t1，t2）符号级别最高，除需满足BASIC和COLD要求外，还要求推进器采用柴油机驱动可调螺距桨的形式，或电力驱动（定距桨或可调螺距桨）的形式；主发电机及其辅助设备需布置在分开的两个机械处所内，其中一处失火或进水不会影响另一处，且任一处的主发电机容量都能够满足船舶的正常操作以及船员的生存需求，即主发电机容量的冗余，相当于两个独立的主电站，而对于主推进器容量，并未要求冗余；重要处所及上层建筑区域的加热设施（包括加热源和加热器）要求冗余，相互独立，用于同一处所加热的两个热介质传输回路尽量分开敷设，当一路加热源丧失或加热器故障，应有备用加热源和加热器保证该区域的加热；另外，还要考虑北极圈内不利的环境因素：海冰、高纬度和极昼极夜。

2.3 极地周边环境的不利因素及应对方案

航行船舶在服务航区内会遇到不同程度的海冰，故需配备能接收和显示冰况图像的设备，比如具备增强型冰况探测能力的雷达，该雷达可以是SOLAS要求中之一，也可以是一台独立的雷达。另外，如果计程仪和测深仪的换能器凸出船体下部，则应装有防冰保护装置。

整段航程主要分布在高纬度海域，其中北波罗的海在 60°N～66°N之间，北方航道和白令海峡在66°N～80°N之间（已处于北极圈内），而鄂霍次克海纬度相对较低，但也在45°N～60°N之间，高纬度地区由于卫星覆盖率低，常规的海事卫星收发设备通信不畅甚至无法使用，大大影响了通信效率，不利于航海信息的及时获取。所以，需配备一些特殊的通信设备，如铱星电话、121.5～123.1MHz对空通信设备以及满足A4海区的无线电设备。另外，高纬度地区距离极地较近，地球磁场强度会大幅变化，导致磁罗径误差太大不能使用，即使是电罗径也存在一定误差，需要校正后才能获得比较准确的艏向信号。

进入北极圈也就是66°34'N以北的区域，会出现极昼极夜现象，其中70°N的区域在一年内的极昼时间有72d，极夜时间有53d；而75°N的区域在一年内的极昼时间达到108d，极夜时间达到93d。这与该型船的航行时段有一定的重合，所以不得不考虑该现象对船舶航行安全的影响。极昼时会遇到长时间斜阳的情况，这会造成直射或反射的眩光，影响驾驶员的视线；极夜时，航行中的船舶一直处于黑暗中，故需安装必要的探照灯，同时还要考虑搜救直升机的夜降问题，比如安装直升机降落平台信号灯。

3 结 语

从冰区加强型油轮的航区环境分析入手，围绕船舶航行安全这个宗旨，针对其环境特性导致的风险因素，提出应对方案或措施，从而说明冰区加强型油轮上电气配置特殊性之所在，为该型船的电气开发设计提供指导。

[1] Finnish-Swedish Ice Class Rules 2010 [S]. Finnish Transport Safety Agency, 2010.

[2] IACS UR I Requirements Concerning Polar Class[S]. IACS, 2006.

[3] Rules for Classification of Ships, Part 5 Chaper 1 - Ships for Navigation in Ice [S]. Det Norske Veritas AS (DNV), 2012.

[4] ABS Notations and Symbols [S]. American Bureau of Shipping, 2013.