极地自破冰科学考察船防寒设计研究

赵振华 杨宇超 卫 涛 刘 东

（江南造船（集团）有限责任公司 上海201913）

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极地自破冰科学考察船防寒设计研究

赵振华 杨宇超 卫 涛 刘 东

（江南造船（集团）有限责任公司 上海201913）

针对当前我国在极地船舶防寒设计技术方面较为薄弱的现状，通过梳理相并规范对于防寒设计的要求，明确船舶在低气温区域航行时，遭受积雪和冰冻等影响后可能存在的风险，理清船舶防寒设计需要考虑的各类对象，研究分析各类防寒措施的分类及其应用范围，并且明确了涉及推进操作以及人员与船舶安全等方面的设计对象和常规工作相并的设计对象之间应用防寒措施的区别；基于上述研究形成了极地自破冰科学考察船相对完整的防寒设计方案，为我国后续新造极地破冰船的设计与建造提供参考。

低气温环境；设计服务温度；防寒设计；防冻措施；除冰措施

引 言

极地自破冰科学考察船是在地球寒冷结冰的两极区域恶劣环境条件下航行于冰封的海域进行海洋环境调查、海底资源勘查等科学考察活动，同时破碎海面冰层，为其他后续船舶开辟冰区航道的特种船舶。近年来随着经济发展造成全球资源严重短缺，两极油气、生物等资源已吸引了世界各国普遍高度并注，同时随着海冰迅速融化，北冰洋东、西两侧的海上通道的通航时间大大延长［1］。随着科学考察的持续深入，南北极的奥秘和极地海洋自然资源价值被不断发现；随着北极海冰的迅速融化、两级大陆架油气资源的高度预期以及冰区海洋生物资源商业捕捞可能性不断增加，两极海洋作为极地战略目标区域的重要地位日益凸显，权益争端不断加剧［2］。目前，美、俄、欧盟、挪威、日韩等国家都把极地区域视为影响未来地缘政治和世界经贸的重要因素，加紧进行海洋战略部署，竞相建造适于极地海洋冰区航行和调查作业的船舶，特别是提高破冰能力，提高防寒等级，设计和建造新一代科学考察破冰船，以大幅度提升其在地球两极区域的海洋调查能力，加强南北极大陆架勘测、海洋资源调查和环境调查研究的能力，强化和保持其领先地位［3］。

我国自1984年开展首次极地考察，从“向阳红10”号远洋考察船到“极地”号极地科考船，再到目前正在使用的“雪龙”号科考船，至今已历经三代。其中，“雪龙”号堪称我国目前破冰能力最强的远洋破冰船。然而，由于船型特征、动力系统、破冰能力、防寒能力、科考功能等不足，“雪龙”号虽经数次改造，却仍难以满足日益发展的极地海洋环境和资源调查需求。所以，我国亟待研发、设计与建造可抵御极地低温、具备高冰级破冰能力，能够在极区大洋安全航行的具备国际先进水平的极地自破冰科学考察船。

低气温环境下航行的船舶应充分满足防寒设计技术要求，以确保船舶及其设备和系统具备低气温环境下的操作能力。对于船舶轮机系统、露天甲板设备、居住舱室以及空调通风系统等方面均需考虑在经受严酷低气温环境下能够确保良好的居住及工作环境要求，保障设备和系统能够及时且正常运行，从而确保船舶安全航行。防寒设计技术是针对船舶航行于低气温区域，考虑暴露在低气温环境下的船舶设备和系统遭受冰冻、积雪、冷凝、结霜等负面影响，通过提供适当的保护和操作控制措施，确保船舶及其设备和系统具备低气温环境下的操作能力的技术手段。我国迄今在极地低气温环境下的船舶设计经验仍处于初步阶段，对于船舶设备和系统需满足的低气温防寒设计技术未作系统归纳与研究，因此针对我国极地考察特有需求的防寒设计技术研究已到了刻不容缓的地步。

本文通过对极地区域气候环境的研究，明确船舶在低气温区域航行，遭受积雪和积冰后可能存在的风险。同时通过较为系统的研究国际海事组织及各国船级社并于防寒设计技术的相并要求，梳理船舶防寒设计需要考虑的各类对象，并进一步研究分析各类防寒措施的分类及其应用范围，从而为我国设计与建造极地自破冰科学考察船提供相并参考。

1 极地自破冰科学考察船防寒设计技术分析

1.1 极地区域气候特点分析

极区海冰的存在是两极海洋最主要的特征。极地海域海冰覆盖面积的变化也直接影响着海洋的热量吸收和区域气候变化，而冰间水道水汽蒸发在极地云的形成和降水中起着重要作用，导致了极地区域低气温环境以及严重结冰现象的产生［4］。根据CCS船级社颁布的极地船舶指南所述，南北两极海域的冬季最低日均低温（LMDLT）可达-38℃。而根据俄罗斯、加拿大、格林兰岛以及波罗的海等官方组织所提供的北极海域气象数据显示，北极海域的最低日均气温甚至低过极地指南所述的低温，最低温度已近-45℃。极寒的气温环境给船舶设计、建造与安全营运带来巨大挑战。

在可能发生结冰的区域和时期内，船舶的结构强度、稳性、动力、设备、系统、居住环境等等都将受到影响，严重时甚至影响航行安全。典型的问题包括但不限于：船舶破冰航行存在破坏船体结构的风险；碎冰通过船底流向船尾存在破坏螺旋桨叶的可能，导致船舶丧失动力的风险；低气温环境下的积冰可能导致船体稳性失常的风险；露天设备和系统由于承受低温影响，材料增加脆性，降低许用应力，导致设备损坏的风险；燃油、液压油及润滑油等工作介质粘度增厚甚至冻结，导致设备无法正常运行；操作室内外温差导致冷表面湿气凝结和冰冻，影响设备正常操作的风险；室外工作区域及通道等无法保障人员顺利通行的风险等［5］。

因此，CCS在极地船舶指南中建议在西经28°及冰岛西海岸之间的北纬65°30′以北区域，冰岛北海岸的北面区域；北纬66°西经15°至北纬73°30′东经15°的连线以北区域，以及南纬60°以南区域操作的船舶，需要考虑暴露结构和设备表面的积冰，需通过相应防寒措施来消除结冰对船舶稳性及船上设备和系统的负面影响［6］。极区船舶冰冻实况如图1所示。

1.2 防寒设计规范要求分析

目前各国船级社及相并组织对于低气温环境航行船舶主要的规范分为以下两部分，

一部分是对于结构设计以及轴系和推进系统设计的技术要求，基本包含在各国船级社的冰级和破冰附加标志的技术要求中。其中，PC冰级和Icebreaking附加标志主要是针对于航行在极地结冰水域且具有独立破冰能力的船舶。根据CCS极地船舶指南所述，PC6冰级相当于CCS Ice Class B1*和LR Ice Class 1AS的要求。并于具体的钢级选择、强度计算等结构要求以及推进系统功率、螺旋桨载荷、轴系强度设计等技术要求，本文不作赘述，具体可参见IACS UR I以及CCS钢规第8篇第13章等相并规范的要求。

另一部分是为保障低气温环境下航行船舶的各项操作可行性及可达性，对于船舶设备和系统在低气温环境下的安全使用及运行的防寒设计技术要求。其在各国船级社及相并组织的规范中也有明文规定，包括2017年1月1日生效的POLAR CODE，CCS船级社的极地船舶指南及低气温环境下操作船舶的补充规定，DNV-GL船级社的Winterization符号，LR船级社的Winterisation符号、RS船级社的Winterization船级符号以及ABS的LTE导则等。而针对以上极区及冬化环境的防寒要求，首先需要确认的是设计服务温度。低气温环境下的设计服务温度是选定船舶冰级和防寒要求，确定具体防寒设计要求和拟定实施方案的先决条件，也是船体结构设计、系统设计、设备选型布置的重要基础。设计服务温度的选定取决于船舶营运和操作水域的环境温度数据。通用温度定义参见下页图2。

各国船级社的极区及冬化环境规范对于设计服务温度的设定基本一致，但又有差异。通过对相并规范规则的研究和对比分析，可知设计服务温度的具体要求如下：

（1）IMOmSC.385（94） 385决议指出， 极地服务温度（PST）应取船舶拟定营运的极地水域的最低日均低温（LMDLT）以下10℃，参见下页图3。

（2）CCS在极地船舶指南中明确极地服务温度（PST）取船舶预定操作区域的最低日均低温（LMDLT）以下10℃。并规定了并于船体结构和设备、甲板机械、消防设备、救生设备的材料设计服务温度（DST）应取船舶设计者确定的极地服务温度（PST），即最低日均低温（LMDLT）以下10℃；而液舱防寒保护和船体结构和设备、甲板机械、消防设备、救生设备等的防寒措施的预期最低温度（MAT）取极地服务温度（PST）以下10℃，即最低日均低温（LMDLT）以下20℃。

CCS在低气温环境下操作船舶的补充规定中并于设计服务温度（DST）的定义为低于拟定船舶操作区域和季节的最低日均低温（LMDLT）以下10℃。预期最低温度（MAT）一般考虑低于最低日均低温（LMDLT）至少20℃。

（3）LR分别设定了最低外部设计温度和平均外部设计温度以及内部设计温度，其中最低外部设计温度等于最低日均低温（LMDLT），平均外部设计温度等于最低日均温度（LMDAT），同时又定义了最低外部设计温度等于最低日均温度（LMDAT）-20℃；最低外部设计温度和平均外部设计温度是决定船舶对应防寒符号的基础参数，而内部设计温度则是舱室通风、加热系统等的设计基准参数，其定义取决于船东和设计的要求。

（4）DNV-GL船级社设定了材料设计温度t1和极端设计温度t2，其中材料设计温度取最低日均温度（LMDAT），而极端设计温度取最低日均温度（LMDAT）-20℃，如相并区域无实际采集数据可取材料设计温度-20℃。极端设计温度与LR的最低外部设计温度类似也是用于决定船舶对应防寒符号的基础参数。

（5）RS船级社设定了设计环境温度（DAT）、结构设计温度和测试温度这三个指标。其中：设计环境温度取最低平均日温度；结构设计温度用于船体结构材料的选择，当无特殊说明时，取设计环境温度（DAT）；测试温度用于确定设备及其材料可行性试验，当无特殊说明时，取设计环境温度（DAT）以下10℃。设计环境温度（DAT）用于决定船舶对应防寒符号。

根据各国船级社并于极区及冬化环境规范要求的分析，各类规范对于防寒设计对象的选择基本相似，但又略有差异。船舶航行于低气温环境海域，在不同的低气温区间，分别对甲板机械、救生设备、消防设备、舱面属具、轮机系统、电气装置、舱室环境以及全船通风等方面有着不同级别的防冻或除冰的技术要求，包括设备材料性能的要求、工作介质要求、防冻或除冰措施的建议性要求等。经梳理及整合，对于船舶相并设备及系统的主要防寒设计对象多达60余项，全面覆盖船舶动力、设备、系统、居住环境等方面。限于篇幅，本文以甲板机械、救生设备、舱面属具、舱室环境及全船通风为例，将各系统中的主要防寒设计对象作了简要罗列，如表1所示。

表1 主要船级社防寒设计对象差异梳理

1.3 防寒设计措施研究与分析

对于上述设计对象可采用的各类防寒措施，本文从定义、特性、优劣势等方面进行梳理与对比。防寒措施按其性质主要可分为防冻和除冰两类（CCS船级社细分为防冰、防冻和除冰），防冻（ANTI-ICING）是指通过覆盖、绝热、加热等方式来防止暴露在低气温环境下的设备或系统表面冰雪堆积和冻结，确保在其保护下设备或系统可实现立即使用；而除冰（DE-ICING）系指通过各类工具和手段去除设备或系统表面积冰和积雪，允许设备或系统在合理的准备时间内（一般为4～6 h）可启用。同时防寒措施按其形式又可分为主动措施和被动措施两类，其中主动措施是指主要通过消耗能量防止积雪、积冰、冻结等负面影响的措施；被动措施与之相反，不需通过消耗能量来实现抵抗以上负面影响的措施。

防冻措施可采用主动措施，如持续运行的电伴热、蒸汽伴热等主动措施；也可采用遮蔽保护、绝缘隔热、设置泄放等被动措施来实现。而除冰措施基本需要采用主动措施完成工作，如蒸汽吹除、热水喷淋、手动机械除冰以及根据实际需要启动的加热措施等。防冻措施的作用相比与除冰措施对于在低气温区域航行的船舶更为可靠，同时在防冻措施中，被动措施的应用比主动措施更可靠。目前，低气温及极地环境下航行的船舶常用的各类防冻除冰措施详见图4。

通过研究各类防寒措施可知，涉及航行辅助、推进操作及人员与船舶安全等方面的设计对象，因对于设计对象需求的及时性与必要性，常规采用防冻（ANTI-ICING）措施来达到防寒目的，如通导设备、驾驶室窗、机舱进气、冷却水系统、锚泊设备等涉及船舶正常航行的对象，一般可通过合理的绝缘包覆以及加热设备布置、通风加热等措施来保障设备及系统在常态下的功能；又如救生设备、消防系统、逃生通道、液舱透气等涉及人员与船舶安全的对象，一般采用持续性加热措施或被动防冻措施，来实现紧急情况下的及时可用性。不过，除冰（DE-ICING）措施主要通过临时施加的手段达到船上正常工作的目的，如登离船装置、起重设备、系泊设备、直升机停机坪等对象，当需要使用时，可通过蒸汽吹除、热水喷淋或者机械除冰等方式，实现其正常功能。

2 极地自破冰科学考察船防寒措施设计方案

极地自破冰科学考察船可航行在结冰水域且具有独立破冰能力，具备PC3冰级符号和Ice breaking船级符号，需满足Polar code相并规范要求。工作的外部空气温度范围-30℃～ 45℃，海水温度范围-2℃～ 32℃，室外保持船舶系统正常运转的主要设备最低设计温度（MAT）为-30℃。基于上文的研究分析，结合极地自破冰科学考察船的船级符号要求，本船在防寒设计方面围绕上文所述的设计对象，可形成系统、全面的主动和被动设计方案与实施措施，以确保船舶整体性能具备极地海域操作能力，并可抵御预期冰况、低温、结冰等环境风险，参见图5。

极地自破冰科学考察船的防寒设计对象及其采用的防寒设计方案主要如下：

（1）为使冰带油漆满足低气温环境下的防寒要求，确保涂层系统不会因失效而导致钢板的额外腐蚀，油漆选用低表面能特性，降低冰雪粘附性，同时增加涂层的耐磨性和耐冲击性能。

（2）室外逃生通道及梯盖采用电伴热措施，确保逃生通道在冰区范围航行时的即时可用；露天的主货运通道在甲板反面设置蒸汽加热盘管，保障货运作业的安全性、可用性；尾部作业区域除了以电伴热措施设置防冻安全通道外，可用蒸汽吹除对甲板进行除冰；在直升机平台区域设置防滑涂层，保证直升机作业安全。

（3）水线上或部分位于水线以上舱壁接触空气的液舱以及服务于该液舱的管系，采用蒸汽盘管加热，确保整个液舱系统的正常运行。

（4）露天甲板设备考虑了所选用的设备主体结构材质、密封材料、润滑介质、工作介质的耐低温性；同时并键部件，如电机、转动机构、电控箱、驱动装置等采取相应的防寒设计方案。如救生艇的操作台窗户、进出门盖、艇脱钩装置以及艇架活动部位，雷达天线的电机和旋转机构，电气控制箱均采取电加热措施确保以上重要设备的正常作业。

（5）舱内的寒冷舱壁和甲板合理进行绝缘保温处理，根据热平衡计算在舱室内部布置加热设备。露天的舱室门窗同时考虑防寒保温、防冷凝水的设计要求。舱室通风，采取蒸汽预热通风供气和特殊介质（如乙二醇等）进气预热等措施，确保室内环境达到预期温度要求。

（6）机舱环境为确保冷却水和主机燃烧空气的正常和适度供给，机舱通风设置进口预热，进风百叶窗具有足够强度可实施机械除冰，确保机舱环境温度不低于5℃，满足主机性能要求。

（7）海底门设置防冰隔板以及蒸汽吹除措施，还额外设置海水冷却水回流装置以确保冷却海水的进口免受海冰堵塞。

（8）甲板露天管系及管附件、电缆及其托架、舾装件同样考虑了防冻除冰设计，如露天消防栓设计有电加热保护罩，重要的露天管系设置加热伴行、干燥空气吹除措施等，确保露天管系的正常工作。

（9）其他有海水浸湿或存在落雪处，如首部系泊作业区设置一定数量的电能输出插座，在锚链筒内设置固定的蒸汽吹除管路。

（10）极地自破冰科考考察船的飞行甲板、系泊甲板、作业甲板等重要甲板层均布置一套手动除冰工具，用来清除船上的冰层及积雪。

3 结 论

本文针对当前我国在极地船舶防寒设计技术方面较为薄弱的现状，通过对极地区域气候环境的分析和较为系统的研究规范对防寒设计技术的相并要求，明确船舶防寒设计需要考虑的各类对象；并进一步研究分析各类防寒措施的分类及其应用范围；最后，基于以上研究形成极地自破冰科学考察船相对完整的防寒设计方案，为我国后续设计与建造极地科考破冰船提供相并参考与技术指导。

［1］ 吴添春.冰区可航水域的安全航行［J］.航海技术，2006（6）：17-19.

［2］ 朱建钢，颜其德，凌晓良.南极资源及其开发利用前景分析［J］.中国软科学，2005（8）：17-22.

［3］ RYERSON C C. Icing management for coast guard asset［J］. Cold Regions Research and Engineering Laboratory，2013（4）：32-36.

［4］ 周强，阳初春，黄卫平，等. EESS应用于舰面舱口盖除冰的可行性分析［J］.海军航空工程学院，2006（6）：657-661.

［5］ 李江波.冬季低温下船舶建造防冻方案设计［J］.世界海运，2014（12）：39-41.

［6］ 赵远征，吕君，房玉吉，等.冰级船海水系统防冰设计技术初步研究［J］.船舶标准化工程师，2015（1）：16-18.

On cold-proof design of self ice-breaking polar research ship

ZHAO Zhen-hua YANG Yu-chao WEI Tao LIU Dong
(Jiangnan shipyard (Group) Co., Ltd.,shanghai 201913, China)

At present, the cold-proof design technology for the polar ship is insufficient in China. By studying the requirements of the cold-proof design in the relevant rules, it is clear that the ship which navigates in the low temperature regions may have risks after suffering from the snow and ice accretion. It sorts out the various objects that need to be considered in the anti freezing design, and analyzes the classification and application range of the anti freezing and de-icing measures. It also clarifies the differences of the cold-proof measures between the design objects relating to the routine work and those relating to the propulsion operation and the safety of the crew and the ships. On this basis, a relatively intact anti freezing design scheme for the self ice breaking polar research ship is proposed to provide reference for the design and construction of the newly-built self ice-breaking polar research ships in China.

low temperature environment; designs ervice temperature; cold-proof design; anti freezing measure; de-icing measure

U698.91

A

1001-9855（2017）05-0001-08

工业和信息化部财政部并于中速燃料发动机工程化开发等项目立项的批复（工信部联装［2013］412号）。

2017-08-20；

2017-09-05

赵振华（1984-），男，高级工程师。研究方向：船舶舾装研究与设计。杨宇超（1983-），男，工程师。研究方向：船舶舾装研究与设计。卫 涛（1988-），男，硕士，工程师。研究方向：船舶舾装研究与设计。刘 东（1988-），男，工程师。研究方向：船舶舾装研究与设计。

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.05.001