2万t极地多用途船安全设计

葛 沛，刘灿波，徐宏伟，张 会

(南通中远海运川崎船舶工程有限公司，江苏 南通 226005)

0 引言

北极航道潜在的巨大航运、经济等价值使其受到越来越多航运公司的青睐。北极航道比普通航线的通航情况要复杂得多，漂浮的海冰、风、海流、高寒低温、能见度差等恶劣环境条件都给极地航行带来了较大的危险性和不确定性。文献[1]研究表明，极地船舶的破舱稳性采用确定性方法，以极地多用途船为例，指出需要从提高空气管头高度、破损之前的初始初稳性高度等方面提高破舱稳性。徐义刚以一型PC3冰级的万吨级极地自破冰科学考察船为研究对象，重点讨论了冰级、骨架型式及参数、艏部形状等[2]对冰带区域骨架系统规范设计的影响。阎晓丽[3]探讨了极地多用途集装箱船液舱及管系防冻设计技术。这些研究对极地航行船舶的稳性、结构强度、舱室和管路防冻方面的设计起到积极的推动作用。本文以2万t极地多用途船为对象，深入研究了船体结构、甲板机械防护、消防救生设备防护、通道防冻、居住区安全、航行安全及通信等方面开展的安全措施。

1 船体结构加强

1.1 冰区加强范围确定

首先根据船级社规范和芬兰-瑞典冰级规则确定冰区船航行时结构加强范围。规范通常将船体沿船长方向分为艏部、艏部过渡区、舯部和艉部。各区域除艏部以外，按照吃水不同又分为冰带区、冰带以下区以及底部区。从艏部往艉部以及从冰带区域往底部区域，强度要求逐渐减弱[4]。

1.2 外板骨架形式选择

极地运输船结构强度设计分为两部分：一部分为考虑局部结构承受冰载荷作用时的结构强度，另一部分为考虑冰载荷和静水载荷时船体梁的总纵强度。规范对冰区加强区域的最小板厚、纵骨剪切面积和剖面模数都有要求，设计时须兼顾规范要求和施工要求，合理布置纵骨。本文利用挪威船级社(DNV)冰区船规范[4]中计算板厚的公式，比较了横骨和纵骨架式两种骨架型式下的外板板厚。在相同的骨材间距和设计压头高度下，横骨架式所需的外板净厚要小于纵骨架式所需的板厚，从而有利于减轻船体重量，同时减少分段合拢时的纵骨对接，有利于施工。以某2万t多用途船为例，传统船舶舷侧采用纵骨架式结构，在双舷侧内布置了两道平台,见图1(a)。极地运输船船舯外板结构区域采用了横骨架式，一直延伸到舭部。为了减小肋骨跨距，在肋骨中间布置了舷侧纵桁，而且减小了肋骨尺寸，降低了空船重量。此外，在确定肋骨尺寸时，为了应对海冰的碰撞和挤压，采用大型T型材以增加结构强度，尤其是艏部区域。其结构形式见图1(b)。

1.3 总纵强度校核

极地运输船总纵强度设计需要综合考虑冰区航行和非冰区航行两种情形。在非冰区航道，船舶总纵弯矩及剪力需要考虑静水载荷及波浪载荷；而在冰区航行时，波浪较小，则主要考虑静水载荷及冰载荷影响。船体梁的总纵强度校核借助DNV开发的Nauticus Hull规范计算软件进行。一般船体梁分段缝附近构件尺寸沿船长方向有明显变化，剪力在分段缝处有突变，最有可能出现强度不满足的情况。在进行总纵强度校核时，需要对每个分段缝附近的截面进行计算，以满足规范要求。在软件内输入板厚、材料、纵骨尺寸、弯矩和剪力等信息，对剖面的局部强度、剪切强度和剖面模数进行校核，确保每个剖面拥有足够的抗弯和抗剪切刚度。

图1 传统船舶与极地船骨架型式

1.4 材料选择

极地船在低温环境营运，船体材料必须具有耐低温特性，对于暴露在空气和海水中的船体结构以及与之连接的构件，采用的钢材耐低温等级根据冰区规范中其所在区域来选取。极地船各区域板厚及钢材耐低温等级与传统船舶相比，板厚有明显增加(对于2万t多用途船，冰带区域平均增加5 mm)，而且在冰区加强范围均采用高强钢。

2 船舶设备及通道防护

由于极地低温环境的影响，船舶设备及通道需要采取不同的措施进行保护，以保证设备的正常操作运行。

2.1 甲板机械防护

锚泊设备作为船舶最重要的设备之一，在防冻规则中有明确的要求：在极地低温状态下锚泊设备要能保持稳定的工作状态，要求锚绞机和止链器布置在室内，以保证船员能在冰雪、大风和飞溅的状态下工作。对于锚绞机和止链器，露天的工作环境显然不能满足要求。低温和风雪不仅会将设备冰冻，也会使船员无法工作，因此需要采用遮蔽的结构进行保护，见图2。用舷窗进行封闭舷边较大的开口，较小的孔则用帆布覆盖防止结冰，使锚绞机和止链器保持在可操作的状态，也使船员有适宜的工作环境。锚泊设备的液压控制系统，可以使用低温用液压油，确保在寒冷气候下，液压油的粘度较低，液压系统能够正常运作。

锚和锚链设计结构形式见图3。从图3(a)看出，常规的锚唇设计显然不能满足极地航行的要求，海浪飞溅会在低温状态下冻结锚和锚链，使船舶无法进行抛锚操作，而且浮冰也会对凸出船体外的锚造成冲击破坏。因此，极地船采用图3(b)锚穴设计形式。该形式不仅能保护锚不受到浮冰的冲击，同时便于采用加热设备从内部对内凹的钢壁结构进行加热，利用钢壁的导热性融化冰冻，使锚和锚链一直保持在无冰状态，满足极地航行的要求。

图2 锚绞机和止链器保护布置

图3 锚和锚链设计结构形式

船艏缆机和锚绞机为一台设备，缆机的防护结构与锚绞机一同考虑，其防护结构见图2。船艉的缆机位于舱盖高度甲板顶部以下，两舷做成半封闭结构，所以艉部缆机可以近似看成布置于半封闭的结构围壁内。当船舶航行于极地环境时，可以使用帆布将两舷的结构封闭，确保缆机不会被冰雪冻住，同时人员在操作时也可以免于暴露在冰雪、大风、海水飞溅的环境下。船艉缆机布置见图4。

2.2 消防设备保护

船舶配备的主要消防系统或设备有CO2灭火系统、甲板消防系统、水喷淋系统及便携式灭火器。为确保航行于极地水域船舶消防系统或设备在恶劣环境或紧急情况下可用，防止极地环境对消防系统产生破坏性影响，其防护措施如下：

(1)CO2灭火系统属于气体消防系统。一般气体释放喷嘴布置于货舱内部。气体释放管部分位于寒冷区划，部分位于室内区划。管路内无液体存在，不会发生管路内结冰的状况，所以一般CO2灭火系统无需设置额外的保护措施。

图4 船艉缆机布置

(2)甲板消防系统属于液体消防系统，理论上本系统应该设置加热措施来保证管路内的液体不结冰，消防栓不被冰块堵住。但舵机房和机舱的温度高于5 ℃，布置其中的管路无需考虑防冻。甲板下通道、水手长室、暴露区划的温度低于-2 ℃，但甲板消防系统在贯穿机舱前壁处已设置了隔离阀，而该阀门在航行于寒冷海域时常闭，即甲板下通道、水手长室、暴露区划的消防管内无液体。同时在消防管路最低点设置放残阀门。因此，对于甲板消防系统，仅需提供消防栓的保护罩。

(3)水喷淋系统属于液体消防系统。该系统使用甲板消防系统来供水，控制阀门布置于室外。当船员使用时，仅需打开消防泵、消防管线隔离阀、水喷淋控制阀门即可。使用完毕后，可以利用消防管线的放残管，将管路中的液体放出即可，从而无需设置额外的防冻保护措施。

(4)便携式灭火器主要布置于居住区、机舱及其他室内区划。低温并不会对灭火器造成影响，无需额外设置保护措施。

2.3 救生设备防护

为保证救生设备在低温情况下不被外部环境损坏，船员能够在设计环境温度下释放、操作救生设备并安全撤离，对于救生设备(包括救生艇和救生筏)所在的处所及撤离通道需要采用船体结构进行遮蔽，即将所有的救生设备保护在半遮蔽的室内，而对于救生设备释放所要求的开口，则采用帆布罩进行保护。将救生设备所处区域与外部寒冷环境隔离，一方面能够防止外部海水飞溅和水汽进入而造成结冰，另一方面防止空气流通形成室内低温而对救生设备的功能造成影响。同时通过加热器对整个空间进行加热，使救生设备所处空间一直保持在适宜的温度，保证救生设备的功能和可靠性，也为船员集结和撤离提供安全的环境。

2.4 通道防冻布置

船上的通道有：从居住区至锚绞机操作区域的通道、逃生通道、登轮点至救生设备的通道、集结站等。对于极地航行船舶，由于外界气温极低，通道表面如不设置防冻对策，极有可能被冰雪覆盖，从而影响人员通行。

锚绞机通常布置于船的艏艉。为确保船员能够安全到达锚绞机操作区域，需要对通道设备操作区域的通道设置防冻措施，即对居住区至操作区域的室外通道进行加热以保证宽度为700 mm的无冰通道，加热通道的表面温度为+3 ℃。

对于逃生通道，部分位于暴露区划，有可能被冰雪覆盖，需要采取加热等防冻对策，确保通道表面无冰，以便人员能安全并迅速地撤离。

极地船的集结站，需要布置在室内区划。集结站可布置在居住区甲板的两翼，靠近救生艇，并配备应急照明和广播。提供半封闭的船体结构，开口部分用加热帆布罩封闭，可以看成封闭的结构，这样不必布置额外的防冻措施。

3 居住安全措施

居住区是人员居住的环境。由于船舶航行在极地环境，外界的环境温度极低，保障船员的居住环境温度的舒适显得尤为重要。根据DNV Winterization Cold船级符号要求，在设计环境温度下，居住区区域需要达到确保船上人员安全健康的温度(至少+18 ℃)。极地船在计算居住区室温时，设计环境温度为-45 ℃，室内温度为+18 ℃，室内外温差达到63 ℃。而船只航行于普通海域时，室外环境温度为-20 ℃，室内温度为22 ℃，室内外温差为44 ℃，采用的是一级蒸汽加热。由于温差太大，如果依照常规设计，采用一级温度加热，不能达到设计的要求，可考虑采用预加热和再加热两次蒸汽加热的方式。经过比较分析，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 ℃，经过风管供应到各房间，以使各房间的温度达到规范要求的18 ℃。根据计算结果，结合厂家标准以及空间布置的限制，与常规船相比，某极地多用途船的中央空调蒸汽消耗量增加208%，压缩机电机功率增加14%，风机电机功率增加62%。而空调吸风口采用了电加热装置，以保证在极地环境下寒冷潮湿的空气无阻碍吸入中央空调。

4 航行安全

极地航行安全主要考虑航行设备的配置、性能满足低温和高纬度的环境。基于以上考虑及Polar Code和DNV Winterization规则中要求，航行设备进行特殊配置及考虑。

(1)配备冰情信息接收和显示设备，以接收最新的冰情信息；测深仪配置2个独立探头；配置手动红色闪光灯，视距至少2 n mile。

(2)雷达天线配加热器，以保证天线旋转不受冰雪影响；DGPS/AIS等圆形(或棒状)天线提供机械保护防止被雪覆盖；室外布置紧急无线电示位标时考虑除冰措施；配置电笛以代替原汽笛；船艏配置探照灯以搜寻浮冰，驾驶室可对探照灯进行遥控；驾驶室前方窗户玻璃提供加热，以保证雨刮器正常工作且保持不结冰。

(3)航行于高纬度环境时，常规的陀螺仪式电罗经无法满足要求，需要配置2套光纤罗经。

5 通信

极地航行的通信主要考虑低温环境对无线电、卫星等通讯设备的性能影响。极地属于SOLAS公约定义的A4海域，因此需要考虑A4海域对通讯设备的特殊要求。为适应极地低温环境，需对通讯设备进行特殊配置如下：

(1)气象传真机/无线甚高频电话/海上安全信息播发系统(NAVTEX)天线配置带加热的天线罩；INM-C/INM-FBB等圆形(或棒状)天线提供机械保护防止被雪覆盖。

(2)在A4海域航行，需要额外增加1套中高频通讯(MF/HF)窄带直接印字电报(NBDP)和1套铱星(IRIDIUM)系统，实现船舶远程识别和跟踪(LRIT)功能。

6 结论

本文介绍了极地航行船船体结构加强、甲板机械防护、消防救生设备防护、通道防冻、居住区安全、航行安全及通信方面的安全设计措施，以排除极地恶劣环境对航行船舶带来的安全隐患，保证极地船安全航行。可以得出以下结论：

(1)船体结构需要在冰带范围内进行加强，舷侧外板采用横骨架式能有效降低外板净厚度，从而减轻空船重量。总纵强度设计需要综合考虑冰区和非冰区两种情形，并取两种情况的最大值。

(2)甲板机械需要布置在室内或用遮蔽的结构进行保护，以保证船员能在极地冰雪、大风和飞溅的环境状态下工作的安全。

(3)CO2灭火系统无需设置额外的防护措施，甲板消防管路最低点设置放残阀门，消防栓提供必要的保护罩。

(4)对于救生设备所在的处所及撤离通道需要采用船体结构进行遮蔽，将救生设备保护在半遮蔽的室内。而对于救生设备释放所要求的开口，则采用帆布罩进行保护。

(5)通往设备操作区域的通道、逃生通道提供加热等防冻对策。集结站布置在室内区划，保证人员安全通行。

(6)居住区设计时，由于外界环境温度极低，为确保船上人员安全健康的温度，可考虑采用预加热和再加热两次蒸汽加热的方式。

(7)配备冰情信息接收和显示设备，接收最新的冰情。天线要配加热器或机械保护装置，保证天线正常工作。船首配置探照灯以搜寻浮冰。驾驶室前方窗户玻璃提供加热功能，通导系统额外配置2套光纤罗经。