极地船舶舾装设备国产化技术现状与展望

张海瑛 汤霄扬 闫凤超 陈 鹏

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

0 引 言

南北两极是人类目前正在逐步探索研究的区域。南极由于地理环境、人员稀少等因素，目前以夏季科学考察和捕捞为主要研究发展方向；对于冬季极夜情况，国内由于没有相应的装备在南极海域开展研究，因此还未深入开展。北极航道极具商业价值，而且能源丰富，越来越多的航运公司已经在夏季开始利用北极航道；在冬季极夜环境下，国外也有部分船舶可以满足北极冬季航行要求，而国内在此领域仍需进一步加强研究。

吴刚[1]从“雪龙2”号研制谈中国极地装备发展，系统介绍“雪龙2”号的研制过程，指出国内还缺乏高冰级核心设备的基础攻关和示范应用。余丽等[2]在极地装备关键基础技术研究进展综述中，对于防冰除冰和加热技术的应用进行阐述。黄维等[3]分析了“雪龙2”号极地科考破冰船设计要点，对于PC3 级冰区要求船舶以及舾装设计进行归纳和总结。

舾装设备零部件涉及金属材料、非金属材料、液压系统和电气元器件等。极地船舶舾装设备设计的关键技术在于上述材料及元器件的低温适应性设计。本文主要针对救生设备、甲板机械和操纵设备这3 个主要存放于露天区域或与冰载荷相关的设备，从规范及目前现状进行分析，探索高冰级舾装设备国产化的研制展望。

1 救生设备

救生设备是船舶发生弃船等重大危险时，帮助船员生存的必要设备。根据《国际极地水域营运船舶规则》要求，救生艇筏及集合和登乘布置需要考虑紧急情况下可能出现的恶劣环境条件[4]。中国船级社《钢制海船入级规范》要求救生设备需在设计服务温度（design service temperature, DST）下可以操作和使用[5]。对于满足高冰级（如PC1）要求的船舶，救生设备（尤其是救生艇和艇架等）需要满足规范要求。图1 为“雪龙2”号的救生艇及艇架。

图1 “雪龙2”号救生艇及艇架

设计服务温度的确定是先根据预定海域近10年的环境温度统计数据，得到该海域基于10年周期的每日最低气温平均值曲线；进而得到1年中温度最低的日均低温；然后将最低日均低温减去10 ℃便得到设计服务温度。

船舶在夏季航行于极地，如“雪龙2”号，设计服务温度取值为-30 ℃[3]；船舶在冬季航行于极地，如凝析油轮，设计服务温度取值为-50 ℃。

对于极地低温，救生艇及救助艇的发动机需要在设计服务温度下2 min 内能启动，燃油、冷却、润滑等系统在设计服务温度下操作。若温度低至-50 ℃，救生艇主机、燃油、润滑、冷却系统均需要抗低温或者有保温措施，以满足极地要求。在救生艇释放装置区域，需要提供加热系统，防止释放装置和艇由于结冰而导致系统失效。就艇自身系统设计和材料而言，我国与国外水平相当。

救生艇及救助艇降放设备的电机、液压零部件、吊钩零部件等需在设计服务温度下可正常工作，目前一般采用保护罩并采取适当的加热措施，以确保设备不被冻坏。对于设备的组成部件而言，由于采取了保护罩附加加热装置，故部件自身无需使用特殊材料来抵抗低温，只需在低温实验室设置相应的低温工况测试保温设计是否有效即可，国产化较易实现。虽然国内部分救生艇及艇架制造商所交付的产品符合设计服务温度-50 ℃，但是国内还未完全形成整个救生设备的防寒体系，仍需要从规范层面、产品认证到产品国产化配套等方面进行整体研究，真正实现完全国产化。目前，就降放设备系统设计和材料而言，我国与国外水平相当。

2 甲板机械

甲板机械是安装在船舶甲板上的机械设备，主要包含舵机、锚绞机和起重机等设备，可保证船舶正常航行及船舶停靠码头、装卸货物等功能。

2.1 舵机

在极地船舶指南[6]及其他主流船级社（如英国劳氏船级社和挪威船级社）的规范中，根据冰级不同，舵机扭矩需要设置放大系数，舵机转速根据冰级要求进行加大，并需设置扭矩释放措施保护转舵机构。在规定的转舵速度下，液压系统需要设置泄放阀等设施，保护舵机液压系统安全。另外，规范中还要求舵机动力单元附近设置永久的电加热装置。选用大功率舵机可解决其扭矩增加的问题。舵机本身设置在舵机舱内，属于室内环境，液压动力系统及电气元器件不需要额外考虑抗低温措施，因此关于低温防护部分的要求与常规船舶舵机相同。国产化方面，舵机自身的结构和机械组件均可在国内自主生产，但是大型铸钢件质量不稳定；涉及密封和控制系统的可靠性，需要与国内知名品牌开展进一步合作，提高舵机的整体可靠性。舵机进口及国产零部件性能指标对比见表1。

表1 舵机国内外性能对比

2.2 锚绞机

锚绞机在常规船舶设计中既可露天存放，也可布置在有围壁或者半围壁甲板区域内。在极地船舶指南[6]中，考虑到甲板上的锚绞机会由于海水飞溅而冻结，需要加热或者布置在遮蔽区域内。如果锚绞机露天存放，应尽可能在驾驶室设置应急释放装置，这主要是对于操作人员的保护，在中国船级社《钢制海船入级规范》中也有类似要求。由此可见，锚绞机的设置既需要考虑设备自身的防寒要求，也需要考虑船员在低温环境下安全操作的因素。

（1）锚绞机设置在有围壁区域

中国建造的“雪龙2”号、极地重载甲板运输船和极地凝析油轮均将锚绞机设置在有围壁的艏部舱室，图2 为“雪龙2”号艏部示意图。这样设置不仅可以大幅度降低对于锚绞机的低温要求，也增加了锚绞机的可靠性和人员操作安全性。

图2 “雪龙2”号艏部示意图

（2）锚绞机设置在露天区域

俄罗斯的新北极号便采用此方式（见图3），但这对于锚绞机本身的抗低温能力要求更高。

图3 新北极号艏部锚泊区域

锚绞机设置在露天区域，对于高冰级的船舶而言，设计服务温度可低至-50 ℃，整个系统设计需要采取相应的低温设计或者采用合适的保温措施对锚绞机进行整体保护。对于电动液压驱动的锚绞机,由于动力单元液压泵站可存放在遮蔽区域，相应的环境温度可适当提高，因此主要考虑核心液压元器件低温启动及关键部件与系统防寒设计[7]等方面。对于电机驱动的锚绞机，其动力单元电机与设备本体相连，且从中国出发到南极的船舶先经过热带海区，然后再到达南极区域，故温差梯度大。因此, 研制能适应大温差且耐低温的电动机及耐低温元器件非常重要。

目前，国内对低温电动液压锚绞机进行了技术攻关，但是对于低温电动锚绞机还需要开展进一步研究。对于极地环境而言，电动锚绞机较液压锚绞机更绿色环保且无液压油泄漏等问题，在极地环境中使用，更能凸显其优点。另外，虽然电动液压锚绞机进行了技术攻关，但仍需要经过实船验证，从而形成极地航行船舶锚绞机的防寒体系，推动低温基础产业链的发展，才能真正实现低温甲板机械从设备研制到交船后全寿命使用的完整体系，实现真正的国产化。系泊绞车与锚绞机处于相同工作环境，与锚绞机要求相似，此处不再赘述。锚绞机进口及国产零部件参数对比见表2。

表2 锚绞机国内外参数对比 ℃

2.3 起重机

起重机通常设置在露天甲板区域，需满足设计服务温度的要求。中国船级社《钢制海船入级规范》中，对于露天的起重机要求操控室内部应提供空间加热，操纵室窗户应提供加热装置防止结冰；甲板起重机在低温环境下发生积冰时，起重机能在放置和操作状态承受积冰质量，基座与支撑结构应能承受上述积冰质量；露天的起重机应在设计服务温度下进行冷启动，需配备合适的润滑油、油脂和液压油的循环设施和冲洗系统。对应到起重机本身，需要考虑增加额外的冰载荷，钢材选用低温钢材，润滑系统需要满足低温要求。

露天甲板起重机通常采用电动液压形式，由机械系统、液压系统和电控系统组成。机械系统由筒体、塔身、吊臂、润滑和绞车系统组成；液压系统分为液压动力单元、臂架液压系统、回转液压系统和绞车液压系统；电控系统由启动箱、控制系统、照明系统、报警系统、监控及检测系统组成。

在极地低温环境下，对于起重机的液压系统、电控系统及外部结构，均需要进行防冰防冻保护。具体措施为：主要结构增加防护罩及电热丝，避免结冰；起升绞车采取增加防护罩措施，避免因雨雪或者海水的接触而导致结冰等。

在启动状态下，起重机通过合适的加热保温措施才能正常工作，否则会由于露天区域液压油温度低，出现使用卡顿及异响现象；在作业状态下，起重机马达等本身会产生热量；在非作业状态下，关键液压及控制系统零部件低温保护及选型需要进行深入研究，并进行低温试验验证。另外，还需要关注密封件如耐低温橡胶或树脂材料的合理选用；若选用不当，会造成液压油泄漏，污染极地水域。

经过上述分析，液压系统元器件（如油泵、马达、阀件和油缸等）需要进行低温性能试验，尤其是当选取设计服务温度为-50 ℃时，国内市场知名品牌的配套能力还需要进一步提高，满足极地使用需求。或者，若设备选型采用普通形式，对于设备采取保温设计，避免直接裸露在空气中，也可作为尝试的方向。国产化方面，电液式起重机由于系统相对简单且低温实现可行性高，目前已经有国内单位进行研究并交付产品。

电动起重机在较小安全工作负荷的起重机上应用较多。电动起重机采用电机驱动，较液压起重机更加环保，适合在极地使用。但是由于低温大功率电机国内市场份额较小，仅北欧一些国家可提供满足此要求的电机，因此对于电动液压起重机而言，大功率低温电机是需要重点突破的领域。

极地凝析油轮甲板上配备的可变幅油管吊（见图4），采用电动液压形式，设计服务温度为 -50 ℃且经过低温试验验证，但其中还有一部分关键零部件（比如大功率低温电机、液压元器件等）选用进口产品。

图4 凝析油轮甲板油管吊

因此，不论电液驱动还是电动驱动的低温起重机，若要达到设备自主可控，关键零部件需国产化。

在顶层规划方面，需要开展体系研究，包括设计、主要零部件、验收等形成标准体系，推动低温起重机国产化。起重机进口及国产零部件具体参数对比见表3。

表3 起重机国内外参数对比 ℃

3 操纵设备

船舶在冰况海域中航行，航速一般较低，但对于操纵性要求较高，侧推器可以显著改善船舶在低速航行、停航或者倒航时的操纵性。但对于艏部侧推器而言，艏部区域在浮冰区作业过程中，有一定的概率浮冰会进入侧推隧道，导致螺旋桨桨叶被浮冰损坏；也存在碎冰覆盖在格栅区域，导致海水不能顺畅地进入格栅槽道内。因此，在极地船舶指南中，要求尽量避免在冰中使用艏侧推，若必须使用，则建议采取措施以避免艏侧推失效[6]。

极地船舶采用侧推，需要考虑侧推自身的强度，可采用高强度的材料（比如不锈钢）替代常用的铜合金材料。所有的结构件及紧固件（比如浆毂、浆帽、螺旋桨轴、齿轮箱、法兰和连接螺栓等）均需要考虑冰载荷的工况（具体见图5），还需要考虑密封等材料在冰载荷的冲击下系统低温可靠性。

图5 极区侧推设计示意图

此外，侧推隧道在浮冰区不推荐设置，否则碎冰覆盖在格栅区域，造成进水不畅，导致侧推损坏。侧推封盖在极地也不推荐使用，艏部破冰区域的结构强度需要承受较大冰载荷，侧推封盖位于该区域，因此也需要承受较大冰载荷，会导致侧推封盖整个系统承受大的冲击载荷，设备活动及密封部件选型困难，大幅度降低设备可靠性。

极地航行的高冰级船舶，较少采用艏侧推装置。不过，也有部分船舶采用艏侧推，比如极地重载甲板运输船以及澳大利亚科考船Nuyina 号等，均在艏部安装了满足冰级要求的艏侧推。但是，这些艏侧推全部为进口产品，国内还未开发出满足冰级要求的侧推。基于国内目前的工业水平，我国正在逐步提升侧推设计加工能力和螺旋桨本体设计建造能力，且国内已有能生产不锈钢材质主推的设备商。因此，桨叶建造能力基本具备，但还需要在密封低温和常温交替及浮冰撞击下，对不同结构形式的密封性能和紧固部件在低温情况下浮冰撞击引起的强度和疲劳等方面进行研究，防止润滑油和液压油泄漏污染南北极海域，以满足冰区环保要求。艏侧推进口及国产零部件主要性能对比见表4。

表4 艏侧推国内外主要性能对比

4 结 语

通过对露天区域设备、救生艇及艇架、甲板机械及受冰载荷影响较大的舵机和侧推装置在规范中的要求及国内外高冰级船舶的设备配置情况分析，可以得出：若要确保极区设备的可靠性，上述设备必须实现真正的国产化能力体系，包括从规范要求到研发、试验、验收和全寿命维护修理，其中的耐低温电动机、耐低温电气元器件和耐低温密封件等关键零部件的研制尤需进一步加强，从而实现完全自主可控。