极地甲板运输船轮机设计

谢智康李辉

（上海船舶研究设计院，上海201203）

极地甲板运输船轮机设计

谢智康李辉

（上海船舶研究设计院，上海201203）

随着北冰洋水域通航安全性的提高，极地航线的商机日益显露。该船具备破冰能力，满足极地环境冬季作业，是运输建设亚马尔半岛天然气工厂所需模块的关键船型。根据极地气候及水域环境对船舶航行的影响，分别对船舶推进、防冻系统和压载水系统进行介绍，提出了极地航行船的设计要点。相关设计经验可供日后类似的船型轮机设计参考。

极地甲板运输船；极地航行；推进系统；防冻系统；压载水系统

0 前言

随着全球变暖，北冰洋海冰区域变小，使得船舶航行于极地水域的安全系数大幅增加。据英国劳氏船级社统计：2010年仅4艘破冰型/冰区加强型运输船经由北冰洋东北航道运输货物；2011年和2012年，分别增至34艘和43艘，运送货物分别达82万t和126万t，东北航道对航运的商机日益突显。相比传统航道，北冰洋航道的优势在于航程缩短，节约了运输时间和成本，降低了经由高敏感地区带来的风险。例如：一艘散货船运送41 000 t铁矿石从挪威北部港口希尔克内斯经由东北航道送至我国，相比经由苏伊士运河及印度洋的传统航线节约了15天。虽然低等级冰区加强型船（IACS B类船）在俄罗斯破冰船护航下可在夏季实现季节性通航，但是通航周期、额外的破冰船护航费及延误率等问题也使得全天候极地破冰运输船成为顺应市场需求的船型。

极地甲板运输船的使命是在北冰洋水域进行模块运输。位于北极圈的亚马尔半岛地区，已探明有大量的天然气储备。目前开采权限可至2045年底，预计年产量1 650万t。由此诞生了“亚马尔项目”，将建设液化天然气工厂和其他设施，需要建造许多大型模块。这些模块由普通半潜船运送到比利时的模块堆场，然后必须依靠适航于极地条件的模块运输船将模块运送到亚马尔半岛的萨贝塔港进行组装。该船正是因此诞生，成为了世界首创的具有破冰能力的极地甲板运输船。

1 主要参数

根据船东需要，该船运输的最大模块尺寸为：长40 m、宽39 m、高40 m，重量可达10 000 t/个，最多装运2个。由此确定了船舶的主尺度如下：

总长～206.3 m

垂线间长193.8 m

船宽43.0 m

型深13.5 m

设计吃水7.5 m

夏季载重线吃水8.0 m

最大压载吃水（港内）12.0 m

服务航速（设计吃水状态）13 kn

破冰航速（1.5 m冰厚，设计吃水状态）2 kn

该船入挪威船级社（DNV），满足亚马尔半岛水域全年气候作业。该水域的冰定义为全年在第二年冰龄状态下，可包括多年夹冰。船级符号如下：

+1A1，General Cargo Carrier，DK（+），PC-3，E0，NAUT-AW，CLEAN，BWM-T，BIS，TMON

由于该船主要航行于俄罗斯内部水域，除了满足以上的船级符号，需额外满足俄罗斯船级社（RMRS）的Arc-7附加标志设计。Arc-7的要求与PC-3比较见表1。

表1Arc-7与PC-3对比表

针对极地冰级开展设计是船舶轮机专业的一个重点。结合该船的作业及船型特点，下文分3大方面介绍轮机设计要点。

2 船舶推进

2.1 推进型式

该船采用柴油-电力推进方式。由2台推进电动机驱动2套轴系及定距螺旋桨。轴系布置图见图1。

图1 轴系布置图

采用常规轴桨的电力推进船舶的主推进轴系一般可分为两种：低速电动机直接驱动轴系及螺旋桨、中速电动机通过减速齿轮箱驱动轴系及螺旋桨。在极地甲板运输船上采用的是低速电动机配置。2种型式的主推进系统配置对比见表2。

需要注意的是，由于主推进系统与船舶安全密切相关，所以规范对于螺旋桨在水中可能受到的冰块撞击进行了充分考虑,主要包括以下方面：

1）浸没在海水的部件材料（包括桨叶、桨毂）满足特殊强度要求；

2）冰载荷对于螺旋桨产生额外的阻力和扭矩，同时也作用于整个轴系部件；

表2 推进型式对比表

3）桨叶失效载荷；

4）疲劳分析。

从安全设计的角度而言，越是简单的系统可靠性越高。齿轮箱内部的齿轮传动系统也会与中间轴一样受冰载荷影响，另外还需要对每对齿之间的啮合工作情况进行校核，故在动力装置配置时倾向于减少传动设备数量而采用低速电机与独立推力轴承的组合，提高整个推进系统可靠性。

2.2 推进功率

按照俄罗斯船级社规范要求，对于破冰船，传递至主推进螺旋桨轴的最小功率Pmin按式（1）计算。

式中：f1——定距螺旋桨时，取1.0；用于调距螺旋桨或电力推进时，取0.9；

f2——球状首柱时，取1.1；用于带斜度首柱时，按式（2）计算；

f3按式（3）计算，但不小于1.0；

Δ——夏季载重水线时船舶的排水量，t；

f1f2的乘积任何情况下都不应小于0.85；

f4和P0按表3选取。

式中：φ——首柱的斜度

式中：B——船宽，m

表3 冰区加强系数选取表

f1、f2、f3、f4、Δ、P0分别取值1.0、0.77、1.36、0.24、54 400、9 400代入式（1）计算。其中，因f1f2乘积为0.77小于0.85，取0.85计算。得出主推进功率Pmin为25.99 MW。此公式适用于初期估算，最终的推进功率需要根据设计的水域冰块情况，进行冰池模拟试验确定。该船在冰池模拟试验中，确定了主推进功率2×12 MW可满足1.5 m冰厚时以2 kn的航速破冰前进的需求。

2.3 轴系设计

DNV的极地冰级规范对于推进轴系需要计算的内容有明确要求，与常规船的主要区别在于：

1）冰载荷：冰块在水下直接与螺旋桨碰撞，产生额外的附加载荷作用于整个轴系，轴系上各个部件在冰载荷作用下都不应产生屈服或其他形式的失效。目前被广泛采用的是基于时域的冰载荷激励响应分析，计算所得的最大响应扭矩Tpeak将作为后续轴系设计的重要外界输入条件。

2）疲劳分析：通过建立轴系材料的疲劳极限对轴系部件的工作情况进行校核，在冰载荷的作用下不应产生疲劳失效。相应轴系部件材料的低周期疲劳和高周期疲劳应力上限与材料的表面粗糙度、抗拉强度、屈服强度、轴径等因素相关。

3）合金钢的使用：在对轴系部件进行强度和振动分析时均加入了冰载荷。如采用普通碳钢，会造成轴径偏大的结果。如增大轴径受到限制，可考虑在应力较大的轴段采用高强度合金钢材料。

DNV的极地冰级规范主要是建立在IACS PC规范的基础上，RMRS的规范是采用其自有的条款要求，许多计算公式和方法都与DNV不同，需要在设计时加以关注，本文不赘述。特别指出，RMRS明确规定螺旋桨轴不应直接暴露于海水。由于该船的螺旋桨是法兰连接形式，所以螺旋桨轴上与之配对的法兰外需要做一个保护罩来隔离海水。

3 防冻系统

北极圈冬季气温相当低，最低可达-50℃。为了使船上的人员适应极端气温，使设备和系统能正常地投入工作，极地航行船舶上必须有1套完整的防冻措施。

3.1 加热系统

部分或全部位于水线之上的压载水舱需要提供加热系统。常规冰级船上可以采用压缩空气对舱内的水吹气扰动，阻止冰层形成。但对于完全位于水线上方，直接暴露于极地气温下的压载水舱则必须采用蒸汽或热油舱内盘管进行加热。如果淡水舱的布置位置与外界空气有直接接触面，也需要满足上述要求。不过加热盘管可能带来水质隐忧，该船将淡水舱布置于无低温接触面的处所且与机器处所相邻，避免了设置加热系统。

对于机舱及其他重要处所，如舵机舱、推进器舱、应急发电机室等，要通过加热措施使其环境温度保持在适当的温度。加热设施可以分为两部分：通风预加热器和舱室散热器。通风预加热的换热量要满足将冬季通风量从室外设计温度加热到满足室内通风的温度。通常机械处所为5℃，居住舱室或空调系统可按设计要求而定。舱室散热器主要用于补偿因热传递而损失的热量，来维持室内温度。

布置于露天或与环境低温有直接接触的管路系统应保证在此温度环境下能保持其应有的正常功能，如：消防水管应设置放泄措施或进行绝热包扎及伴热，空气管头带加热装置，压缩空气应进行干燥，露点温度控制在环境温度之下等。

3.2 冰水箱及海水系统

服务于推进与安全系统的海水系统，包括其吸入口、冰水箱格栅等均应能在设计环境条件下正常运行。对于PC-3级，这样的冰水箱至少需要设置2个，每个冰水箱的容积应不小于每750 kW总装机功率对应1 m3。通常极地水域的海水以冰水混合物为主，温度范围2～-2℃。为了确保船上系统正常运行，要注意以下几点：

1）冰水箱应能有效地隔离海面冰块，防止其进入船内部管系中。该船采用的冰水箱内部结构如图2所示。

图2 冰水箱示意图

2）经过换热器后的高温海水要有回冰水箱的支管，管径不小于排舷外管的管径。

3）冰水箱顶需高于最大载重水线，并在上方设人孔及进入检视通道。

3.3 除冰措施

按船上不同区域及不同设备的要求，除冰等级可以分为：无冰（ice free）、加热融冰和人工除冰三类。通常与船舶正常运营及人命安全相关的设备及区域均应为无冰型，如应急逃生通道、救生艇登乘站、驾驶室窗、压载水舱等。电伴热和蒸汽盘管是实现无冰的主要方法。这类区域或设备应在船舶航行时保持全天候无冰，以应对各种可能发生的突发情况。加热融冰的区域主要在主甲板中后部的载货区域，这些区域甲板下面都设有蒸汽加热盘管。根据运营需要，在装卸货前开启融冰程序。经过约24 h的甲板加热以及辅助机械除冰后，装卸货区域达到无冰状态，适合于进行装卸货和固定等操作。同时全船各处均设有杂用蒸汽及压缩空气接头，为人工除冰提供高温蒸汽，服务于室外甲板、扶梯栏杆、锚系泊设备、通风进出口等区域。必要时可以采用木棒、刮刀、碎冰机等辅助工具进行局部除冰。

针对极地冰区航行船舶的防冻系统设计，如果船东没有明确要求的，可以参照DNV Winterized附加标志进行设计。

4 压载水系统

4.1 压载水系统设计

极地甲板运输船的作业特点及压载水系统的设计与半潜船极为类似，都是通过船上大量的压载水调驳来控制整船的吃水状态，以达到装卸货的目的。不同的是，该船的装卸货均在港口码头操作，且货物与陆地对接，并不需要将船体潜入水面以下。对于压载水系统就与常规的泵压排载半潜船系统无异。

全船共设有41个压载水舱，沿船长均匀分布，总装载量约为67 000 m3。前后各设置1个压载泵舱，每个压载泵舱内布置3台排量为2 500 m3/h的变频控制压载水泵。压载水总管为环形，总管上设置若干分区隔离阀，每个压载水舱设一路吸入/注入管，达到注水、排水及调驳的目的。

4.2 压载水处理流程

在前、后压载泵舱各布置了1台压载水处理装置，额定处理量为2 500 m3/h，采用过滤加紫外线处理形式，处理后的水质达到IMO D-2排放标准。常规处理流程是：将海水从舷外注入船舱时进行一次完整的处理，海水排出时再次通过紫外线处理装置，将航行期间复活和滋生的微生物再次杀灭。对于具有半潜船特点的压载水系统，其处理需求与其他类型的运输船及工程船都有较大的区别。主要有以下几类：

1）码头装载：码头装载之前，船舱内的压载水经过初次处理。装载之后，这部分水被运送到其他港口或水域，排出时需要进行再次处理。在装载期间于当地注入并排出的压载水旁通不必经过处理装置，因为这并没有改变当地水域的生态环境，所以这部分水不需要处理。

2）航行运输：用于航行途中为满足船舶浮态要求而注入的压载水，这部分水被运送到其他港口或水域，注入和排出时均要处理。

3）码头卸货：码头卸货之前，船舱内所装载的压载水已经过初次处理，这部分水排出时需要进行再次处理。对于卸货期间注入并排出的水过程与第一点类似。

从3种典型的工况中可以看出，大量的压载水在装卸货时进入船内又在原地被排出，只有少量被留在舱内的水需要处理。如果严格按照压载水公约，在前、后压载泵舱各布置满足3台压载泵排量的压载水处理装置，既占用大量空间，又会增加建造成本。所以，在设计时通过与船东及船级社的反复沟通，确定了在每个泵舱配置1台压载水处理装置的方案，其能力满足1台压载水泵的排量。

在装卸货期间，船舱内注入了大量未经处理的压载水。如果船舶在离港时仍携带有未处理的压载水，那这部分水将在航行过程中采用倒舱式循环进行初次处理［1］，即通过压载泵将1个舱内的水泵至压载水处理装置，经过处理的水注入另一个干净的空舱，如此视为完成初次处理。如果原本空置的压载舱在装卸货期间注入未经处理的压载水，并于当地排出，此舱内剩下少许残余水，那在船舶航行过程中也需要采取处理措施，以防止海洋生物的生成。处理方式是：通过海水箱取水，经过处理装置后注入该舱，再将舱内的混合水经过处理后排出。

5 结语

北极水域航行因其航程短、经济性好，日益成为业界的热点。低冰级船舶只能在夏季依靠俄罗斯破冰船的护航才能安全通过，限制条件较多。极地甲板运输船具有破冰能力，可全年航行于特定极地水域。建造适航于极地环境的高冰级破冰运输船，减少不可控因素，缩短运输时间，打破了原有局面，提供了一种全新的解决方案。以亚马尔项目为例，极地航行运输船的应用是项目配套建设的关键解决方案。

长期以来，极地船舶的研发设计及规范制定主要由俄罗斯及北欧各国主导，我国船舶行业内极少接触到其中的核心技术。通过该船的设计，初步掌握了船舶推进、防冻系统相关技术要点，应用了PC、Arc冰级规范。对该类船型的技术难点有待进一步学习提高。对于亟需提升产品附加值、进军高端海上装备的中国船舶行业而言，极地技术是个较有力的转型支点，值得深入研究。

［1］盛卫明，黄吉，仲伟东，等.5万t半潜船压载水处理系统设计［J］.船舶与海洋工程，2015，31（2）：45-46.

Machinery Design of a Polar Class Deck Carrier

XIE Zhi-kangLI Hui
（Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China）

With increased navigation safety in the Arctic Ocean，it becomes more and more economical to sail through the arctic water.Polar class deck carrier，with ice breaking capability，exactly satisfied the requirements of operation in the winter arctic environment，making the most crucial ship type of transporting modules to Yamal peninsula for LNG factory construction.Propulsion system，winterization and ballast water system were introduced in the article on the basis of the impact of arctic weather and sea environment on the navigation.The key points that were different between a polar class ship and a normal ship were listed，serving as reference for further machinery design of the similar ship type.

polar class deck carrier；navigation in arctic area；propulsion system；winterization；ballast system

U674.81

A

1001－4624（2016）02－0063－05

2016-03-01；

2016-09-01

谢智康（1985—），男，工程师，从事船舶轮机设计工作。

李辉（1983—），男，工程师，从事市场营销工作。