极地救生艇耐低温性能研究及试验方法

陈智同，张 祎，郭 江，管义锋

(1.江苏科技大学 海洋装备研究院，江苏 镇江 212003；2. 江苏中智海洋工程装备有限公司，江苏 镇江 212003；3. 江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003)

0 引言

近年来，随着海洋经济和极地能源开发及北极航道的不断发展，海洋能源开发对海洋工程装备的需求也日益增加，深水和极端寒冷海域的石油开采及运输已成为可能。极地科学考察船、北极穿梭油船、极地钻井船等极地船舶由于常年穿行于地球最寒冷的区域，因而必须能适应极其恶劣的海域气候，如：巴伦支海的最低温度可低至-45 ℃，一年中有210～290 天海面上覆盖着1.5 m厚的冰层[1]，冰层上还有20 cm厚的积雪。

极地水域地理位置独特，环境条件特殊，因结冰和低温环境，导致船舶稳性减弱、管路冰冻、航行设备失效和船员执行力下降及其他不可低估的因素，从而降低了船舶航行的安全性。当船舶遇险时，救生艇能使船上人员迅速安全撤离并在海上维持生命，是船舶法定安全设备，其性能和状况一直以来受到高度关注[2]。

我国工业和信息化部于2014年11月批复成立了《国际极地水域船舶安全规则应用研究》课题。2016年中国船级社(CCS)颁布了《极地船舶指南》。国际海事组织(IMO)制定的《国际极地水域航行船舶规则》于2017年1月1日生效。这些规范对极地船舶的航行、设计、操作提供了一定的技术指导，保障了极地航行船舶安全，但涉及到极地船舶救生设备的试验要求并没有具体明确。本文在调研国际同类产品现有技术的基础上，设计并制造了适用于极地低温环境的救生艇样机，对样机进行了低温性能试验及结果分析研究，积累本领域的相关经验，为极地低温救生产品的设计、建造和试验提供参考。

1 极地救生艇的关键问题

1.1 极地救生艇的应用

面对极地区域恶劣复杂的环境，极地救生艇的应用面临许多困难[3]，如：救生艇的艇体材料受力可能发生脆性开裂，严重影响玻璃钢表面的防水功能；门和舱盖由于冰雪覆盖而造成开启困难，导致人员无法及时进入救生艇内从而延误了救生艇逃离母船的时间；驾驶窗由于内外温差太大，表面容易结露，影响驾驶室视线，致使驾驶员无法正常驾驶等。

1.2 极地救生艇的附件

在极地救生艇的附件方面：低温环境下蓄电池达不到使用温度，导致电器无法工作，影响救生时间；高压空气瓶在极地温度下，压力会随之减小，气量相应变小，无法满足发动机和人员呼吸的要求；橡胶件在低温下会变硬变脆，导致门和舱盖的水密性变差、机械装置失效；玻璃钢船体及龙骨在极地碰到浮冰，造成艇体损伤等；发动机使用的润滑油在低温时凝固造成无法启动等。

1.3 极地救生艇的降放装置

在极地救生艇的降放装置方面：艇钩装置的活动部件由于外露在艇甲板外，在被冰雪覆盖冻住时无法顺利打开；降放装置液压系统及润滑油受极地低温影响，液体产生冻结而且粘度增大，导致液压系统失效，影响整个降放装置的动作；降放装置运动部件内部连接部位在低温环境由于热胀冷缩，严重情况下导致运动部位卡死，外部表面结冰会使运动部件功能失效；降放装置的机械限位开关等部件由于外露在环境中，容易表面结冰，影响使用性能。

2 极地救生艇关键技术研究

2.1 极地救生艇发动机的低温启动性能研究

极地低温条件下，发动机启动困难[5]是极地低温救生艇研发的一个关键技术。其主要原因是因为发动机所使用的润滑机油在低温时会凝固，造成发动机曲轴转动扭矩力增大，致使电动机启动时无法带动发动机曲轴运转，造成发动机无法启动。

改善发动机低温启动性能的一种办法是给曲轴箱内机油加热，即设置加热器。加热器的功率可通过试验来确定，但通过机油加热的方法在一定程度上仅加热了曲轴箱。如有更低温度时，在冷却水系统内设置加热器，会使整个发动机得到升温，这样使发动机的启动更加顺利。

影响发动机低温工作性能的因素还有冷却系统、燃油系统、蓄电池等方面。在发动机冷却系统方面，为了防止淡水在低温下冰冻，现有的解决方案是使用低温冷却液及淡水加热器。为了防止艇外的龙骨冷却器与冰块接触破损，可在龙骨冷却器周围加装保护栏。

在发动机燃油系统方面，选择合理的相应温度下的燃油牌号，或采用保温措施。使用相应温度下的燃油较为合理方便，市场有供应。

在选择蓄电池容量的时候应考虑其放电能力随温度降低而下降的因素，根据厂商提供的放电特性曲线，适当放大电池的容量。另外，尽量选用低温的蓄电池。

2.2 艇钩装置在极地低温情况下的释放能力研究

艇钩系统作为救生艇使用中的关键机械装置，并且该装置一直暴露在空气中，必须考虑到极地低温天气对整个释放功能的影响。艇外操作系统中的推拉软轴也应适应低温环境下的使用工况，否则达不到救生艇释放要求。

为了保证艇钩系统的低温工作性能，可以采取以下措施：

(1)在外露的吊钩及转轴加保护罩，但此方法必须密封水密，操作复杂、繁琐。

(2)在吊钩转轴增设加热器让冰雪及时融化，以保证低温下艇体顺利脱钩。此方法须通过试验验证。在-50 ℃环境条件下存放24 h并在期间多次淋水让其表面凝结成30 mm的冰层，然后在此条件下进行艇钩释放试验，艇钩能顺利打开为符合要求。

(3)在吊钩、转轴、吊架板上涂上耐低温的油脂。耐低温油脂使冰雪与上述部件间有一定的隔离层，可采用破冰锤将冰层除去，然后顺利脱钩操作。

本文进行了相应的试验验证：对试验样艇设置2个艇钩(艏艉各1个)，通过推拉软轴连接同一个艇钩释放装置。试验时，一个设置转轴加热器且表面涂有耐低温油脂，另一个仅表面涂有耐低温油脂。将该装置存放于-50 ℃库房内24 h，并在期间多次淋水至艇钩外露冰层达30 mm。用破冰锤除去冰层，并验证除冰的难易程度。操作释放装置：2个吊钩能同时释放即为符合要求。

另外，试验时应考虑低温冰雪情况下，吊环与艇吊钩连接时是否有咬死或粘结的情况，如有咬死现象，应另外采取措施。根据前后吊钩转动轴设置加热器的方法来防止低温时的结冰，从而防止吊钩咬死不易打开的情况。可以配置破冰锤，用机械方式除冰。

2.3 艇门和舱盖及驾驶窗等除冰与去霜性能研究

在极端低温环境下，门和舱盖由于冰雪极易覆盖而难以开启，导致人员无法及时进入救生艇内，从而延误了救生艇逃离母船的时间。门及门框周边存在一定的间隙，低温下该间隙将会被冰雪填充，也将导致门盖无法开启。

本文采用以下试验方法来研究低温条件下救生艇门和舱盖的开启性能。

(1)根据门及舱盖的特性，在活动开启部位设加热器，这样门及舱盖能在低温情况下顺利打开。为防止电加热过载必须设有温控保护。

(2)在加工大小合适的密闭玻璃钢箱体上安装救生艇的门及舱盖，进行低温试验模拟验证。

首先验证破冰锤的除冰能力。实验中，将装有舱盖的试验箱放入-50 ℃库房中24 h，其间多次淋冷水至舱盖上的冰层为30 mm。在不除冰的情况下进行开启操作，观测把手能否操作。如无法操作，用破冰锤将冰除去进行开启操作，观测把手能否操作及开启程度。

然后验证加热器的效果。采用上述同样的条件，将舱盖放入-50 ℃的库房中24 h，同时打开门框加热器。其间应多次淋水，观测表面的冰层情况及把手的开启程度。

由于极地低温的影响，驾驶窗表面会有冰雪覆盖，且由于内外温差太大，驾驶窗表面会结露，从而导致驾驶室窗视线模糊，致使驾驶员无法正常驾驶。为了改善驾驶窗在低温下表面结露及易冰雪覆盖等情况，采用加热玻璃的方法。将带有电加热的窗安装于模拟的驾驶室上，也可安装在密闭的玻璃钢箱体上，将其存放于-50 ℃的库房内24 h。其间应多淋水，观察窗上是否有结冰、结露现象。

2.4 极地救生艇附件的低温性能研究

(1)电器低温性能。救生艇的启动，目前主要的操作方式有手动启动、蓄电池启动、蓄能启动等。蓄电池启动作为最为方便的启动方式，若要在极地低温环境下也能正常工作可用加温的方式或者使用低温电池。目前市场上有-45 ℃环境使用下的低温蓄电池。

(2)高压空气瓶的低温性能。高压空气瓶中的压力会随着环境温度的变化出现波动。在常温下充满的高压空气瓶，有可能在极地温度下，压力会随之减小，气量相应变小，可能无法满足发动机启动和人员呼吸的要求。在实际使用过程中，高压气瓶仅在耐火救生艇上使用。在设计上，可以采用加热或救生艇内部供暖的方法，保证高压气瓶平时不处于低温条件下。另外，空气瓶选用的材料也应能适用于低温环境。

(3)橡胶件低温性能。橡胶材料对温度敏感性很高：温度高时橡胶材料变软，温度低时橡胶材料就会变硬变脆。橡胶材料广泛应用于密封材料，如门和舱盖的密封条、机械设备的密封圈等。在低温环境中，如橡胶材料失效，门和舱盖就会出现不水密的情况，机械装置则会出现机械失效现象。

3 极地救生艇低温环境试验

为进行极地救生艇必要的低温试验，需针对极地设备的特点，对比分析各产品的危险因素，提出适应极地环境的技术和管理措施。

各产品由于外观尺寸和试验要求的差异，所以对试验室的要求也不同。救生艇和降放装置的尺寸较大，如按照比例制作模型进行试验，将不能充分体现客观的自然使用过程。降放装置的材料、部件等，可以在生产厂家或是外部试验中完成检验工作；对组装后的成套装置的功能试验，就必须做出实物原型来研究低温对结构和材料的影响，考虑尺寸因素对实验室的要求；绞车可以作为成套产品进入实验室试验；液压系统组装后，不安装在钢结构上而是进入实验室测试；做成一个全尺寸的活动部件进入试验室进行降放装置的功能试验。

3.1 释放装置的除冰试验

结冰后释放装置如图1a)所示。将艇吊系统存放于-50 ℃的环境条件下24 h，并用水喷，让艇吊钩外露艇体部分结冰30 mm以上；用破冰锤除冰，操纵释放手柄，确认两钩能脱钩。

在吊钩转轴处设置加热装置，同样将艇吊系统存放-50 ℃的环境条件下24 h，并用水喷，让艇吊钩外露部分结冰30 mm以上。由于加热装置的作用，转轴部分不结冰，用破冰锤除去其他部位的结冰，操纵释放手柄，确认两钩能顺利脱钩。电加热对释放装置的影响如图1b)所示。

按产品尺寸1∶1的比例，加工制造了降放装置活动部位的局部模型，转动轴部位和滑轮放于-50 ℃的环境条件下24 h，并用水喷，让外露部分结冰30 mm。试验结果显示：利用破冰锤除冰，滑轮能正常转动，使用无影响。滑轮除冰试验见图2。

图2 滑轮除冰试验

3.2 门和舱盖的开启能力试验

研究在没有任何防护的情况下，门和舱盖在结冰情况下打开情况。将门和舱盖在-50 ℃的环境下存放24 h，结冰厚度至30 mm，利用破冰锤除冰。试验结果显示：破冰锤能顺利除冰，门上无任何损伤，但在开始过程中，需要将门周围的冰层彻底清除后，门才可以打开。

为了验证门和舱盖上加设加热器的情况，在门窗的密封橡胶条下加设加热器，并设置了温控器。将门窗在-60 ℃的环境下存放24 h，结冰厚度至30 mm。试验结果显示：侧门通过加热能轻松开启，密封橡胶条没有被冻结现象。

3.3 驾驶窗的去冰霜能力试验

试验中，首先将装有加热器的玻璃驾驶窗，通电后温度升到38 ℃就自动切断，降温到30 ℃，再次工作升温到38 ℃，如此循环。其次将驾驶窗在-50 ℃的环境条件下存放24 h，进行淋水试验，确认视野玻璃通过加热、淋水后玻璃表面无结霜、无模糊的情况。

4 结论

本文以极地救生艇能够在-50 ℃环境温度下保持正常的救生能力为目标，研究分析了极地低温对救生艇发动机启动性能、艇钩装置释放能力、门和舱盖开启以及驾驶窗视野的影响，给出了相应的解决措施，并采用低温环境试验的方法，验证了救生艇的发动机、艇钩装置、门和舱盖以及驾驶窗在极地环境温度下能够正常工作，为同类产品的开发和研究提供借鉴。首套产品已经获得俄罗斯船级社低温产品证书，并装备到广船国际有限公司44 500载重吨凝析油轮。