海洋石油支持船海水箱防冰塞措施研究

陸 忠 杰

（中海油田服務股份有限公司，北京 101149）

0 引 言

為保障海上平臺設施的正常生產作業(yè)不受海冰的破壞性影響，船舶需要長時間在海上設施周圍進行破冰作業(yè)及靠泊平臺進行物料供給和人員接送等。如船舶的海水箱及海水冷卻系統設計不當，會使船舶在破冰和冰區(qū)作業(yè)時出現海底門濾器堵塞，使船舶設備的冷卻海水中斷，主副機等動力設備停機，造成船舶處于無動力漂浮的危險狀態(tài)。嚴重時，甚至出現海上設施受大量浮冰擠壓而傾覆的危險，以及物料供應延時造成海上設施停產。

1 海水箱規(guī)范要求

根據中國船級社的《鋼質海船入級與建造規(guī)范》[1]以及《芬蘭－瑞典冰級規(guī)則》[2]的要求，對于航行于冰區(qū)船舶的海水箱，規(guī)范要求如下：

1)海水箱應有適當的防蝕措施；

2)海水箱的布置應避免形成氣囊。如在海水箱頂部裝設透氣管，應在其根部設截止閥。透氣管的開口端應高于艙壁甲板或在艙壁甲板附近通至舷外并裝設船旁截止閥；

3)冷卻水系統應確保船舶冰區(qū)航行時冷卻水的供給，為此，至少有一個海水箱應滿足下列要求：

(1)海水進口應盡可能布置在中心線后，盡量靠后；

(2)海水箱應有足夠大的容積。作為設計指南，該海水箱的容積應按每 750kW 發(fā)動機功率約配 1m3的海水箱容積。此發(fā)動機功率應包括船舶運營所必需的輔發(fā)動機功率。

功率計算：PT=PM+PA(1)

式中：PT——發(fā)動機功率，kW； PM――主機功率，kW； PA――發(fā)電機功率，kW。

海水箱容積計算：V=PT/750 m3(2)

(3)海水箱應足夠高，以使浮冰處在進水管口上方。可按下列公式計算海水箱的最小高度：

式中：Hmin——海水箱最小高度，m； Vs——海水箱容積，m3；

(4)冷卻水排水管與海水箱之間應設置一根連接管，管子直徑應與排水管直徑相同；

(5)海水箱進口格柵的通流面積，應考慮主機的冷卻水泵、壓載泵、副機的冷卻水泵及其他輔助設備的冷卻水泵的流量和流速，得出所需冷卻水用量的海水冷卻管系的截面積之和，再用格柵的通流面積除以各冷卻管系的截面積之和，應滿足大于進水管截面積的4倍；

(6)根據需要，在海水箱上部可設置融冰加熱盤管；

(7)可設有利用壓載水作為冷卻水用的設施，以作為壓載工況下的備用水源，但不應作為海水箱的替代裝置。

2 海水箱其他要求

根據船舶在不同海域使用情況的反饋意見，在滿足規(guī)范的前提下，對冰區(qū)航行船舶的海水箱設計采取下列措施：

1)海底門布置越低越好，使浮冰進入海水箱的量越小；2)設置高位海底門，在進入淺水航道時以減少泥沙進入海水冷卻系統；3)海水箱的強度設計，應考慮吃水到達其頂部；4)透氣管伸至主甲板以上；5)采用壓縮空氣或蒸汽對海水箱的格柵進行吹除；6)應安裝防海生物裝置和犧牲陽極保護。

3 海水箱結構形式

海水箱的結構形式，根據實船的設計，分為如下3種形式。

3.1 常規(guī)海水箱

常規(guī)海水箱的海水總管通過閥門、濾器與海底閥箱直接連接，見圖1。各個冷卻水泵與海水總管連接，通過泵與需要冷卻的設備進行冷卻或進行壓載，見圖2。

圖1 常規(guī)海水閥箱布置

圖2 常規(guī)海水冷卻系統

該海水箱結構形式簡單，管系布置容易，可在海水總管上設置支管取用海水；海水冷卻水直接排放舷外，設置海水箱的格柵、吹出壓縮空氣等。但使用效果并不理想，進入海水箱的浮冰在海水總管濾器和各支管濾器極容易形成浮冰堵塞而影響整個系統的使用。

采用此類海水箱，在渤海灣冬季作業(yè)仍出現冰塞，經過調查研究后，采取了如下改進措施：

1)冷卻海水回路。原冷卻海水直接排舷外，同時增加一路管系，使回水直接到海水箱的吸口，冬季利用冷卻水的熱量融化部分浮冰，夏季仍可直接排舷外，取得一定的效果；

2)海水箱格柵。把原格柵的間距加大，以防止較小的浮冰直接在格柵處堵塞，而較大的浮冰不易在格柵處存積且不易堵死格柵的縫隙，從而保證海水能進入海水箱；

3)壓縮空氣吹出量。加大管徑從而加大壓縮空氣的吹出量，在短時間能吹出堵塞在格柵處的浮冰，從而保障海水進入海水箱。

3.2 帶海水沉淀箱的海水閥箱

帶海水沉淀箱的海水箱與前所述的海水箱設計完全一樣，但各冷卻海水泵不直接在海水總管上抽取冷卻水，而是在船中部設立一個與海水總管相連接的獨立海水沉淀箱，各個冷卻海水泵及壓載泵從獨立的海水沉淀箱取用海水，見圖3。

圖3 海水沉淀箱的海水冷卻系統

由于各冷卻海水泵及壓載泵不直接與海水總管相連接，而是從海水沉淀箱取用海水，因此該海底閥箱占用的空間較大，結構和布置比較復雜。這種形式，在海水箱中能存積部分浮冰，在海水沉淀箱中存積大部分浮冰，由于海水沉淀箱在機艙中，其熱量也能融化部分浮冰，因而使用效果比較好。

3.3 帶SEA BAY的海水箱

此種海水箱，其結構更加復雜，海底門一直與主甲板聯通，海水總管同樣與海水沉淀箱連接，各種冷卻海水泵從海底沉淀箱直接取水冷卻各種設備。該海水箱，其下部稱為海底門，上部稱為SEA BAY，SEA BAY 與海底門直接相通并直接通往主甲板，在主甲板設置人孔蓋。由于浮冰的比重約為海水密度的90%，所以進入海底門的浮冰，能直接漂浮進入SEA BAY區(qū)域。同樣也在船中部設立海水沉淀箱，用于海水冷卻系統取用海水或壓載水，見圖4。

圖4 SEA BAY的海水冷卻系統

這種設計的優(yōu)點是：浮冰進入海水總管的比例很小，只有極少量進入海水沉淀箱，在機艙區(qū)域，大多數都能融化而不影響各種冷卻設備。漂浮在SEA BAY中的浮冰，如果存積較多而不能通過海水完全融化，可以通過SEA BAY在主甲板的人孔蓋采取人工撈出浮冰。這樣就能完全避免浮冰對海水冷卻系統的影響，從而保障全船海水冷卻系統的正常工作。

4 冰塞的應急措施

目前，船舶多采用中央淡水冷卻系統，由中央冷卻器向各個冷卻單元供應冷卻淡水，中央淡水冷卻器由海水箱的海水進行冷卻。通常設計取值為：中央冷卻水的出口溫度常為 36℃，海水進口溫度為 32℃。可根據如下的設計公式來計算中央冷卻器所需冷卻海水流量：

式中：Qs——海水泵的流量，m3/h；HT——中央冷卻器熱交換總量；K——裕度系數；ρs——海水密度；Cs——海水比熱； t2——海水冷卻器出口溫度；t1——海水冷卻器進口溫度。

可以看出：在正常設計工況下， t2- t1的差值：36－32＝4；在冰區(qū)工況下，其海水進口溫度在 1℃。其 t2- t1差值：36－1＝35。其海水泵所需流量相差達8.75倍。以推進功率為6000kW的“海洋石油688”船舶為例，其海水冷卻需要的流量設計為 300m3/h，但在冰區(qū)工況下，其需要冷卻海水的流量相差為35/4=8.75倍，需要的流量約為300/8.75=34.3m3/h，理論上可滿足熱平衡的計算要求。

如果海水箱或海水濾器出現堵塞，在主機冷卻水高溫報警情況下，可用鉆井水/壓載水艙內的淡水替代從海水箱取用海水從而對中央冷卻器進行冷卻。在冰區(qū)工況時，艙內淡水的溫度約為 5℃。由于淡水與海水的比熱相差約為2%，可忽略其影響。根據上述計算方式，其 t2- t1差值36－5＝31，與正常設計工況 t2-t1的差值36－32＝4相比較，其需要的冷卻水流量相差為31/4＝7.75倍，需要的流量約為300/7.75＝38.7m3/h，因此設計時應考慮用一個或兩個邊艙或雙層底淡水艙，其艙容約在80～100m3，增設一個排量約為40m3/h的淡水冷卻水泵，可滿足中央冷卻器所需的冷卻水量，冷卻回水直接回到冷卻水艙。此應急措施，是在海水冷卻系統出現冰塞，冷卻海水斷流的情況下，臨時采用艙內淡水替代海水進行冷卻，清除冰塞，可避免發(fā)生主機停機。

5 結 語

綜上所述，船舶設計時應根據船舶的航行區(qū)域和航行時間，對海水箱及海水冷卻系統采用不同的形式，防止冰塞的現象發(fā)生，主要可采取下列措施：

1)采用帶SEA BAY的海水箱及海水冷卻系統，能從根本上解決海水系統的冰塞現象，從而保障船舶長時間在冰區(qū)進行航行和作業(yè)；

2)采用帶海水沉淀箱的海水閥箱，不能完全解決冰塞的現象，但能緩解冰塞的程度，在設計海水冷卻系統時，回水管路除了直接排舷外，還應增加管路到海水箱，這樣也能基本解決冰塞現象。該方法適用于較長時間在嚴重冰區(qū)航行和作業(yè)的船舶。

3)采用常規(guī)形式的海水箱，很容易發(fā)生冰塞的現象，在設計海水冷卻系統時，除了回水管路直接排舷外，還應增加回水管路到海水箱，增加壓縮空氣吹出量、加大格柵的間隙等措施，這樣也能緩解冰塞的現象。對于短時間在冰區(qū)進行航行和作業(yè)的船舶是可以的。

4)對于采用中央海水冷卻系統的船舶，建議適當增大淡水艙艙容，這樣可以在海水箱出現冰塞時，用淡水進行冷卻。

[1] 中國船級社.鋼質海船入級規(guī)范[S].

[2] 芬蘭-瑞典冰級規(guī)則[S].