极地多用途集装箱船液舱及管系防冻设计技术探讨

阎晓丽

摘 要：本文介绍了极地多用途集装箱船液舱及管系防冻防结冰设计技术，研究提出了液舱、露天甲板管系及海底门等免于结冰的方法，使用加温伴热、吹气或其它防冻方法保证船舶各系统的正常运行，为极地航行船舶液舱及管系防冻设计提供技术参考。

关键词：极地；防冻；除冰；液舱；管系

中图分类号：U664.8 文献标识码：A

Abstract： This paper introduces the anti-icing technique for the liquid tanks and pipes for the polar multi-purpose container vessel， the mechanism or method to prevent the liquid tank， exposed deck pipes and sea chest from getting frozen such as heating tracing and air bubbling， etc. to ensure that all the system of the vessel are functional.

Key words： Polar region； Anti-icing； De-icing； Liquid tank； Pipes

1 前言

我國开展极地船舶研究的时间不长，建造实践经验不多，在极地船舶设计和建造方面与先进国家相比还有较大的差距。针对北极航道开通对多用途运输船的市场需求及国家海洋发展的战略需求，未来极地多用途集装箱船具有广阔的前景，各船厂也在为承接极地船舶做好各项技术准备，本课题的研究也将为今后承接建造极地船积累宝贵的设计经验。

2 极地船发展现状及规范规则

在全球变暖的大环境下，北极通航已成为世界的热点。近年来，俄罗斯、美国、加拿大、芬兰、瑞典、英国等破冰船设计建造先进国家均加大了对冰区航行船舶的研制力度。我国海洋船舶经过多年的发展，已经达到了世界先进的水平，但对于极地海域，航行船舶却涉足不多，主要的船型只有极地科考船和极地远洋渔业船舶两类。

从用途上区分，极地航行船舶主要分为两类：一类是具备在结冰海域独立破冰航行的船舶，如破冰油船、极地科考船、极地沿海巡逻舰、破冰运输船等；另一类是专门用于为其他船只开辟航道、引导冰区航行的专用破冰船。

极地航行船舶的设计与船舶的冰级密切相关，不同的冰级适用不同的设计规范。目前世界气象组织将海冰分为首年冰、两年冰和多年冰。其中：首年冰的厚度不超过1.2 m，冰强度低；多年冰的厚度可以达到3 m以上，冰强度高。世界上多数船级社的规范仅适用首年冰的航行要求，仅俄罗斯海事局的冰级规则可适用于多年冰。为此，国际船级社IACS出台了统一标准“极地船级要求”，可适用于多年冰，并被各大船级社采纳（表1）。

3 液舱防冻主要方法

液舱防冻定义：通过各种扰动、循环、绝热和加热等措施，使暴露在低气温环境下的舱柜、设备和管路等内部的液体不发生冻结。

液舱防冻的主要方法有：

（1）通过蒸汽、热的液体或加热电缆来进行加热；

（2）使用压缩空气吹通、扰动，使液体循环而不发生冻结；

（3）船舶通过合理布置，有效地防止压载水舱、淡水舱和其他液舱舱面冻结；

（4）采用不同的防冻措施，如持续循环、气泡扰动或加热对流等；当服务温度低于-45 ℃时采用加热对流的防冻措施，如垂直布置的加热盘管等；

（5）每个压载水舱都安装温度传感器，并在舱内低温时报警。

若压载水舱完全位于轻载水线或低位冰区水线以下（取小者）时，可不设防冻措施（除非另有规定）。

4 液舱防冻保护方案

极地船舶的压载舱或淡水舱部分或全部位于轻载水线或低位冰区水线以上，并接邻船壳或者露天甲板时，应具有适当的留空容积（一般为10%），以防止压载水和淡水冻冰膨胀的影响；若全部位于轻载水线或低位冰区水线以下（取小者）的压载水舱一般无需加热，但服务于该水舱的管系（包括透气管）应防止冰冻堵塞。

4.1 压载舱、淡水舱管系防冻方案（一）

最有效和常用的方案是采用蒸汽加热盘管，它一般安装在水线以上近船壳板的位置。为了确定加热盘管的布置数量而进行热交换计算时，可以将压载水温度设定为2 ℃左右。

蒸汽管路和凝水管路应设有足够的泄放口，以防止不用时发生冰冻堵塞管路。

4.2 压载舱、淡水舱管系防冻方案（二）

压缩空气吹泡系统是一种通过不停扰动，促使压载水局部内循环以达到防冻的措施，其存在的缺点是舱内气温偏低导致局部区域仍然会有冰冻现象发生，舱内布置的管路可能会遭到坠落冰块的撞击损伤，舱内涂层和构件也可能会因此受损；此外，寒冷的压缩空气还可能导致压载水过冷并形成冰晶，多冰晶的压载水变得粥状粘稠难以泵送。因此，压缩空气吹泡系统并不适合极端严寒的气候条件下使用。这种方案的优点是管路少且通径小、施工方便，重量轻。

5 露天甲板区域管系防冻的主要方法

5.1 露天甲板管系防冻方法

（1）通过蒸汽、热的液体或加热电缆进行加热；

（2）使用永久的或可拆卸的保护罩。

5.2 露天甲板管系除冰方法

（1）通过热水或蒸汽冲洗冰；

（2）采用手动机械方法除冰；

（3）利用热空气或化学药剂除冰等。

5.3 露天排水舷口、泄水沟等防冻方法

（1）排水舷口应设置防冻保护；

（2）若排水舷口上装设挡板，则应为盖板提供足够的加热以保持畅通；endprint

（3）泄水孔、排水沟应设置防冻保护。

5.4 进出风口防冻要求

（1）机舱进风口需考虑除冰，使用数量需满足主机等设备的使用要求；

（2）空调进风口需预防结冰；

（3）应急发电机室的进风口需考虑除冰措施；

（4）货舱的进出风口需预防结冰，但进风口数量只需要满足装载危险品货物时换气要求的数量即可，其他的货舱通风口不需要考虑防冰。

6 海水箱、海底门防冻方法

6.1 海水箱防冻方法

（1）海水进口应尽可能布置在船舯处，尽量靠后；

（2）海水箱应有足够大的容积；

（3）海水箱应足够高，以使浮冰处在进水管口的上方；

（4）全容量排出的冷却水连接到海底门；

（5）海底门开口应不小于4倍的进水管径横截面积。

6.2 海底门的防冻方法

（1）海底门应布置在船的低位处，并远离冰带水线；使用挡板、围堰、滤器和其他措施将水和冰隔离开来；

（2）海底门的容积应根据船上海水冷却所有可能同时工作的发动机的总功率来确定；

（3）海底门的布置应考虑船的线型和船的尺度；

（4）海底门顶部尽可能高、引至海水舱的管路进口尽可能低地布置；应有手动除冰措施，（下转第页）（上接第页）例如打开滤器或从水线以上进入海底门除冰块；海水舱应至少可以从两个独立的海底门饮水；海底门至海水舱的引水管路的流通面积，应根据不同的冰级考虑4～6倍所有可能同时使用的海水泵吸入管截面积的总和；海底门舷侧格栅、开孔或开槽等引水开口的流通面积，应不小于引水管路的流通面积；

（5）海底門和海水舱应设有带截止阀的透气管，透气管截面积与冷却水吸入管相当；透气管头应避免积冰而堵塞；

（6）海底门和冷却水吸入口应考虑除冰措施，可以采用蒸汽除冰、热水除冰、压缩空气吹、布置加热盘管等。

7 结束语

对于极地航行的船舶，必须综合分析船舶的类型、航线，充分考虑各种可能的结冰状态，采取合适的措施预防液舱及管系结冰，保证船舶各系统正常运行和船舶的营运安全。

参考文献

1.中国船级社. CCS 极地船舶指南[S].

2. 海安会MSC.385（94）决议， 2014.

3. 中国船级社. 钢质海船入级规范[S]， 2016.endprint