冰级船海水系统防冰设计技术初步研究

赵远征，吕 君，房玉吉，徐隽霏，谢承利，兰兴杰

（1．海军装备部舰船办公室，北京 100071；b.中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064）

0 引言

冰级船是指按船级社规则适当加固，可在某种程度冰情时航行的船舶[1]。冰级船在冰区航行时海水系统从船体周围的水域中抽取海水，然后通过管路输送到冷却水系统、消防系统以及压载水系统等。如果海水系统设计不当，那么冰级船的海水吸入孔就容易被冰区水域中的成冰或正在凝结的冰堵塞，造成海水供应不足，影响船舶的正常工作，比如主机冷却系统的管路中形成冰堵，则会导致发动机的过热和停机。为了降低海水吸入孔被成冰或正在凝结的冰堵塞的危险，有必要开展冰级船海水系统的防冰技术研究。

通过对国际船级社协会（IACS）[2]、挪威船级社（DNV）[3]以及美国船级社（ABS）[4,5]颁布的部分冰区加强型船舶或破冰船设计规范等相关资料的解读和对比，梳理了冰级船海水系统防冰设计的技术要求，对该系统防冰设计技术的要点进行了总结，下面对该海水系统中主要的组成单元——通海阀箱、海水舱、管路和阀件的布置及结构进行较详细的介绍。

1 通海阀箱

1.1 布置考虑

通海阀箱是非常重要的船体结构，通海阀箱的吸入孔为海水的唯一进口，所以吸入孔的位置应能防止冰的吸入，而提供最佳保护的位置仅取决于船型和船的尺寸。比如：大型油轮或货船在船尾底部几乎看不到冰，如果吸入孔位于船体的这个区域，那么航行中冰的吸入就不会成为一个严重问题。有限吃水的更小一些船可能将吸入孔布置在靠近船中心线的地方，以免吸入船艏往船艉漂移的浮冰。所以可能的话，海水吸入孔应尽量位于船艉且靠近中线的地方。

根据设计要求，每750kW推进发动机的输出功率（含船舶辅机的输出功率）配置容量为1m3的通海阀箱。为使冰块聚积在海水进口管的上方以防止冰块堵塞管路（见图1），通海阀箱的高度应满足（其中V为根据发动机输出功率确定的通海阀箱容量）。由于上述两个条件在实践中较难同时满足，因此可以在船的两舷分别设置一个小的通海阀箱来代替。

1.2 结构设计

为进一步降低冰块进入海水系统的风险，过去成功使用了堰板或隔离板，这种结构减少了通海阀箱中海水进口管堵塞的可能。由于海水进口管通过一块固体多孔隔离板（高于水线）或堰板（低于水线）和海水吸入孔隔离，所以可能进入通海阀箱的冰块会漂浮在阀箱顶部，这样能防止冰块被吸入进口管，如图1和图2所示。为防止吸入大的冰粒且能提供足够的冷却能力，ABS规范中推荐隔离板的孔径为DN20mm。

图1 带隔离板的海水系统原理示意图

图2 带堰板的海水系统原理示意图

1.3 加热方式设计

虽然通海阀箱的上述布置考虑以及结构设计会减少冰吸入的影响或阻止一些结冰，但是这些措施并不能排除上述可能性。为减少船舶在寒冷地区航行的这种内在危险，可以在通海阀箱的隔离板上安装蒸汽或热水盘管，以达到除冰的目的，如图3所示。如果加热盘管非常沉重且采用全焊接形式，那么也可以用热油加热盘管来代替蒸汽盘管。此外海水系统还应具备手动除冰的功能，所以需要设计从通海阀箱到海水吸入口格栅的出入通道。

图3 带加热盘管的海水系统原理示意图

2 海水舱

进入通海阀箱中的海水经过海水进口管路、过滤器以及隔离阀进入海水舱，用于船舶推进的所有重要设备和消防系统的冷却水从海水舱中吸入。根据规范要求，PC1-PC5冰级标志的船舶海水舱应布置在和龙骨尽可能近的地方，海水舱中的水来自至少两个独立的海水进口管，其中船体的每侧至少应设置一个。每个海水进口管的开口面积应不小于和海水舱相连所有泵的总进口面积的6倍。而对于航行在波罗的海海域IAA-IC冰级标志的船舶，上述最小数值为4倍。

大部分高冰级标志的船舶都有独立于海水舱之外的海水应急供应方式，将压载水舱或一个完全单独的海水舱作为海水的应急存储（如图4所示）。通过在这些舱外侧加装合适的管道、阀门和附件，使冷却海水在压载水舱（或海水舱）和上述管道间循环。这样一方面对压载水舱或海水舱中的海水进行“搅拌”，有助于减少这些舱自身的结冰，另一方面如果通海阀箱被堵，这些舱室也可以用作冷却的目的，提高了冰级船冷却水供应的可靠性。对于该循环系统也可以设置加热系统，比如在隔离阀处加装伴热带、在过滤器和海水吸入孔及格栅处安装蒸汽管等，如图5所示。

图4 带海水冷却循环的海水系统原理示意图

图5 带加热方式和海水应急舱的海水系统原理示意图

3 海水泵的流速

为船舶推进的重要设备服务的每个海水泵直接从海水舱抽水，根据规范要求，PC1-PC5冰级船任何吸入管道的设计流速不应超过2m/s。

4 海水管路（适用于所有冰级船）

1）可以在海水系统使用标准的管路、阀和附件，但是对于严重冰况下航行的任何船舶不建议使用铸铁材料，以往的经验表明由于这种材料的脆性，在螺旋桨和冰的交互作用期间严重的振动可能导致系统的损坏。

2）舷外排水应尽可能减少船舶阀门结冰的可能性。可能的话一般都不在载重水线上方排水。

3）在极端低温地区，所有舷外的排水处建议安装蒸汽盘管和伴热带。

4）另外也可以考虑电加热来清除通海阀箱和海水舱中的冰。

5 结论

综上可知，冰级船海水系统防冰设计技术的要点在于：

1）为减少冰的吸入，海水吸入孔应尽量布置在船艉且靠近中线的地方。

2）在通海阀箱中设置堰板或隔离板可以减少海水进口管被冰堵塞的可能。

3）在通海阀箱、海水舱或其连接管路及附件上安装蒸汽盘管或伴热带可以达到除冰的目的。

4）作为应急海水供应舱，通过在压载水舱或海水舱外加装冷却海水循环管路，有助于减少这些舱自身的结冰，且能提高冰级船冷却水供应的可靠性。

[1]IMO.Guidelines for ships operating in arctic ice-covered waters[M].2002.

[2]IACS.Requirements concerning-Polar Class[M].2011

[3]DNV.Rules for classification of ships-general regulations[S].2004.

[4]ABS.Guide for vessels operating in low temperature invironments[M].2012.

[5]ABS.Rules for building and classing-steel vessels[S].2013.