28 000 t极地多用途船防冻对策

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(南通中远川崎船舶工程有限公司，江苏 南通 226005)

北极航道通航情况复杂多变，高寒低温天气会给极地航行带来极大的危险性及不确定性。例如，当外界温度极低时，压载舱内压载水表面结冰，导致压排载时舱室受过大的正负压而损坏结构；居住区的空调通风和供暖系统不能维持舒适的居住环境；应急发电机不能顺利启动；甲板机械设备不能正常操作；海底门被冰堵住导致船上多个系统、设备无法正常使用，以及逃生通道由于被冰雪覆盖而影响通行等，对船舶及船员的安全威胁巨大，甚至造成严重后果。故考虑对极地环境下的防冻对策进行研究，以保证极地航行的安全性。

1 船型简介

相对三大主流船型来说，多用途船货物杂、批量小，属于中小船型，船型适货广泛，市场应对灵活，是未来极地船发展的主要船型之一。28 000 t极地多用途船为南通中远川崎顺应极地航行发展需求，自主研发的一款适合于极地航行的多用途船，冰级PC-6，并且满足DNV规范中Winterized Cold船级符号，设计温度为-25 ℃，主要技术参数及特点见表1。

2 极地多用途船防冻对策

目前国内外已应用及正在研究的防冻方法较多，例如，过电流密度法、微波法、激光法等技术已在输电线、公路、航空航天等领域有所应用，而对于船舶领域，特别在国内，由于航行于极地寒冷区域的船舶数量较少，船舶防冻方法研究不深入，主要还是以传统防冻方法为主。结合DNV规范要求及船厂实际，对28 000 t极地多用途船管路系统、舱室、居住区、设备及通道进行防冻分析，以确定相应区域的防冻对策。

表1 极地多用途船技术参数及特点

2.1 管路系统

船上各类管路众多，其中液体介质主要有水(海水及淡水)和油类；气体介质主要为压缩空气和二氧化碳。对于介质为液体的管路系统，主要可以通过加热伴管及放残法等方法，气体管路则可以通过干燥法以达到防冻目的。

加热伴管型方法分为蒸汽加热及电加热，分别是依靠蒸汽加热管及加热电缆来加热“目标管路”及“管路内介质”，再通过保温材料将加热伴管及管路包裹，以降低热量流失速率。蒸汽加热法的优点是加热能力强，但后期维护不便。电加热法的优点是节约能源，适合复杂管路伴热，控温更精准，但考虑到油类管路的易燃性，电加热法不适用于油类管路系统。对于保温材料的选取取决于管路的布置位置：对于布置在暴露区划的管路，由于环境湿度大，一般选用硅酸盐作为保温材料，该材料耐水性较好，具有更好的保温效果；对于布置在室内区划的管路，湿度较小，一般选用玻璃纤维作为保温材料，该种材料耐水性较差，但更为经济。蒸汽加热管及电加热布置见图1、2。

放残法是在目标管路的最低点设置小管径的放残点，适用于间断性存在液体的管路，非常经济，但需要人员在相关管路使用后进行放残操作。干燥气体法采用吸附式干燥剂，以降低气体压力露点，适用区域有限，常用吸附剂有活性氧化铝、分子筛和硅胶等。

本船按照管路位置可划分为船体区划管路系统、居住区区划管路系统，以及机舱区划管路系统，其中居住区和机舱管路皆处于室内温暖区划，故该区域未额外设置防冻对策。而对于船体区划内的压载管路、污水管路、燃油管路、消防管路、压缩空气管路、清水/饮用水管路、甲板排水管路及液压油管路等系统，在考虑其布置位置、介质内容及各防冻方法的使用特点后，各管路系统的防冻对策汇总见表2。

2.2 舱室

主要对液舱及机械处所进行防冻对策分析。对于液舱，蒸汽加热法为常规加热手段，适用于大面积范围的防冻保温，而电加热法也可以实现加热液体的效果，但如液体量大，加热功率消耗极大，影响发电机选型。对于机械处所，属于人员经常走动处所，由于蒸汽加热装置外部无隔热材，极有可能造成人员烫伤。电加热法则更为安全，通过电加热器实现加热，可以自动控制，安装更为便利，后期维修方便。

表2 管路系统防冻对策表

本船边压载舱及艏艉尖舱部分位于水线以上，需考虑防冻对策，通过对比需增加的蒸汽消耗量及电功率耗量并考虑实际布置相关因素后，确定采用蒸汽加热法，蒸汽主管路及蒸汽回路布置于甲板下通道，支管由甲板下通道贯穿至压载舱底部，布置时需要将加热管延伸至水线下，见图3。侧推间、舵机房等机械处所采用电加热器加热。液舱及机械处所的防冻对策汇总见表3。

2.3 居住区

将各层居住甲板均设计成全封闭型式，在考虑居住区室温计算时，根据DNV规范，环境温度设为-45 ℃(低于外界设计温度20 ℃)，室内温度需要达到至少+18 ℃，室内外温差达到63 ℃。由于温差太大，如果依照通常的设计，采用一级温度加热，不能达到设计的要求，故考虑采用预加热和再加热两次蒸汽加热的方式。先通过预加热器将新风温度从-45 ℃加热到-15 ℃，与回风混合成-2 ℃的混合空气，再通过再加热器将-2 ℃的混合空气加热到38 ℃，经过风管供应到各个房间，以使各个房间的温度达到+18 ℃，原理见图4。

表3 液舱及机械处所防冻对策表

航海甲板驾驶室设计成全封闭型式，两翼向舷侧延伸并超出，保证能够通过两翼观察舷侧冰情和系泊情况。驾驶室均配备电加热玻璃窗，同时从中央空调系统引出风管，连接至驾驶室窗户上方的布风器上，通过布风器向窗户提供热风，以达到防冰、除雾效果。此外驾驶室窗户均提供雨刮器、热水及压缩空气冲洗管路，双重确保极地航行时驾驶室窗户上的积冰可以快速融解并排除，保证驾驶室的视野无障碍。

2.4 设备

船用设备是保障船舶性能及人员安全的基础，为保证在极地航行时各设备能够在寒冷气温下正常运作，确保船员在各种突发事件时的人身安全，本节对海底门、锚/系泊设备、救生设备、透气管头、暴露区划门及航海设备等进行防冻对策分析。防冻方法主要为加热法及封闭保护法。加热法从各设备的特点及布置等方面考虑，可以分为蒸汽加热、电加热器、加热电缆等，甲板上锚/系泊设备及救生设备(救生艇、救生筏、救助艇等)可采用封闭保护法，即将其布置于遮蔽的船体结构内，避免直接暴露于冰雪、海水飞溅的环境中，同时也给操作人员提供适宜的工作环境，必要的开口由加热帆布罩覆盖。船上各设备防冻对策汇总如表4，救生设备防冻布置见图5。

表4 设备防冻对策表

船舶海底门是船舶海水的吸入口，与之相连的是海水吸入总管，供船上各系统用，如：消防、冷却、压载等。一旦海底门被冰块堵塞，将影响各海水系统的工作，严重时可能会造成船舶停机、人员伤亡。针对极地航行船，考虑保温防冻要求后，设计低位海底门见图6。海底门箱体分为冰箱及海水分隔间两部分，海水经过海底门吸口进入冰箱，可以通过吸口附近的蒸汽接管及过滤板过滤或融化部分浮冰。进入箱体的浮冰由于密度较小，漂浮于冰箱上部，形成冰水分界层，冰箱上部设有蒸汽盘管用来加速浮冰融化。冰箱下部的水经过过滤器后由冷却海水泵抽送至船上各系统，残余的体积相对较大的碎冰将被进一步过滤掉。船用设备使用过的海水具有一定温度，可通过排放管支管再次回流至冰箱及海水分隔间，利用其余温来加速融化海底门箱体内剩余浮冰或碎冰。

2.5 通道

由于外界气温极低，极地航行船通道表面极有可能被冰雪覆盖，从而影响人员通行。本节对船上逃生通道、设备操作通道、登轮点至救生设备通道及集结站等进行了防冻对策分析，可以选择电加热法或封闭保护法。电加热法即在通道下方预埋加热伴管并铺设保温材料，见图7，以确保一条宽度为700 mm的无冰通道供通行。由于居住区各层甲板均设计为封闭结构，故居住区内各层逃生通道及集结站可选用封闭保护法，同时逃生通道下方采用上述电加热法以确保表面无冰。各通道的防冻对策汇总如表5。登轮点至居住区通行通道见图8。

表5 通道防冻对策

3 结论

由于目前国内极地航行船的设计仍处于起步阶段，适用在极地船舶的防冻方法仍是以传统的蒸汽加热、电加热等方法为主，随着科技的不断发展，也出现了例如纳米超憎水涂层、记忆合金技术等利用材料本身的特性进行防冻的新型防冻除冰技术，但是否能够实际应用于船舶上还有待验证，故更高性能、高效率、绿色环保型的新型防冻技术仍是未来研究的主要方向。

目前Polar Code已于2017年1月1日正式生效实施，对极地航行船舶的安全及环保都提出了相应的要求，但极区环境复杂恶劣，船舶的安全航行仍存在着许多未知的困难。相信随着极地航行次数的日益增多及航行经验的日益累积，极地相关规范也会更加全面完善，要求更加具体明确，为极地航行船的设计、建造及安全航行将提供更有力的保障。

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