大型民用核動力船舶外部環境參數設計標準研究

徐 立，徐 楚，方軍庭，鄧儒超，李俊辰

（1.武漢理工大學能源與動力工程學院 可靠性工程研究所，武漢 430063；2.中國核動力研究設計院反應堆運行與應用研究所，成都 610064）

0 引言

近年來，隨著國際能源形勢緊張、石油價格飛漲，以及國際海事組織對航運業減排要求的提高，以燃油為動力的商船面臨新的選擇。因此，民用核動力船舶的應用逐步受到人們的重視。但與普通民用船舶相比，民用核動力船舶需要更高的安全標準，因為大型民用核動力船舶需要長時間在海洋上航行，受到全球不同區域海洋環境和各類船舶事故的影響，船舶核動力裝置的外部環境參數處于頻繁的變化狀態。為此，需針對民用核動力船舶的特殊性，從設計上對民用核動力船舶的運行安全提出要求，使其適應在海洋環境下運行的不同工況，為民用核動力船舶的安全可靠運行奠定基礎。

目前，我國尚未建造過大型民用核動力船舶，也未建立民用核動力船舶的運行規范和標準。開展民用核動力船舶外部環境參數研究，其目的就是通過分析民用核動力船舶和常規動力民用船舶的相關設計標準，找出兩種船舶在海洋環境參數的極限值設置上的異同，在分析研究二者差異的基礎上，提出相關參數的建議參考值，為后期核動力船舶的工程實施提供理論依據。

考慮到海洋環境對民用核動力船舶的影響，在參考現有核商船設計規范以及國家軍用標準中有關艦船的設計標準的基礎上，通過甄別、判斷和分析，提取一系列船舶核動力裝置運行的外部環境參數，如艦船沖擊設計值、船舶及動力裝置傾斜和搖擺參數、設備承受和工作溫度、海水含鹽量和鹽霧濃度值等。

1 船舶沖擊設計值

船舶在航行過程中不可避免受到各種沖擊載荷的威脅，對于一般民用船舶，其沖擊載荷主要是船舶碰撞或擱淺時的碰撞力載荷。對于民用核動力船舶的沖擊設計值，可參照《艦船環境條件要求-機械環境（GJB1060.1-1991）》中所列舉的相關公式，計算出船舶各個部位沖擊參數的極限值[1]。水面艦船的沖擊設計值如表1所示。

表1 水面艦船的沖擊設計值

表1中，A0為基準加速度，m/s2；V0為基準速度，m/s；Aa為設計加速度，m/s2；Va為設計速度，m/s。A0、V0按下列公式計算。

1）對與船體和外板安裝部位：

2）對于甲板安裝部位

其中：ma為模態質量，kg。

2 船舶及核動力裝置的搖擺和傾斜

受海浪沖擊、海風等海洋條件的影響，船舶在運行中會伴隨搖擺、起伏和傾斜等多自由度附加運動。劇烈搖蕩會降低航速，造成貨損，損壞船體和機器。民用核動力船舶更要考慮到搖擺和傾斜對反應堆等動力裝置的影響。因此民用核動力船舶和反應堆系統需對搖擺和傾斜有一定的承受能力。

2.1 船舶搖擺性

對于船舶的搖擺和傾斜參數，參考《艦船通用規范0組-艦船總體與管理（GJB 4000-2000）》中對艦船多自由度搖擺和傾斜的規定[2]，如表2所示。

表2 水面艦船的傾斜和搖擺參數

2.2 核動力裝置對船舶搖擺的要求

對核動力裝置系統的安全級別和設計級別，參照《核商船安全規范（譯文）》，根據系統和部件對安全的重要程度，將其安全級別分成1到4級[3]。同時，在各安全級別內的各個系統或部件也應規定從1到4級的相應設計等級。1級設計（DC-1）要求采用設計和質量保證的最高標準。對于承壓部件，設計應考慮當船舶在經受直到 30°的靜態橫傾，或直到45°的橫搖角，或10°的艏艉縱傾，或這極限角度的任意組合的情況下仍能繼續運行；在所有的傾斜角度的情況下，要確保船舶的完整性。

反應堆安全系統及其電源應設計成當船舶經受直到30°的靜態橫傾，或直到45°的橫搖角，或10°的艏艉縱傾時能正常工作。即使在快速停止或反應堆功率驟增時，向一邊不超過 45°的單向運動也不應引起設備失靈或超應力。如果能向政府證明并使政府相信船舶不會遇到這種狀態，則這些角度還可以減少，在這種情況下，允許的減少量應該寫在反應堆裝置的適應性證書上。

在船舶橫傾45°或艏、艉縱傾10°或船舶橫傾到喪失整體穩性的角度（取其小者）的情況下，快速停堆（緊急停堆）系統應能在較小的傾角下自動操作。但僅僅由于較上述條件中更小角度的橫傾和縱傾，反應堆不應自動停堆。

3 船舶動力裝置環境條件參數

船舶動力裝置的環境條件包括溫度、濕度、海水含鹽量和鹽霧等，對于常規動力船舶，機艙內布置有主機、發電機、鍋爐等大量的動力裝置設備，不同的環境條件對動力裝置設備的正常工作有著重大的影響。船舶航行于世界不同的海域，有時一個航次就要跨越不同的季節區帶。因此，對于船舶動力裝置來說，環境條件是一個很大的變數，不同的環境參數將直接影響其工作性能[4,5]。對于民用核動力船舶，可以參考常規動力船舶及核潛艇的動力裝置環境參數的標準。

3.1 空氣溫度和相對濕度

民用核動力船舶對環境氣候條件的適應性可以參考《艦船通用規范 2組-推進系統（GJB4000-2000）》中艦船推進系統環境適應性的標準[6]。船舶推進系統應能在下列空氣溫度和相對濕度的環境條件下正常可靠地工作。

1）對于水面艦船：汽輪機艙、鍋爐艙內的最高空氣溫度為60℃；柴油機艙和燃氣輪機艙內的最高空氣溫度為 55℃；其他艙室內的最高空氣溫度為40℃；露天部位的最高空氣溫度為65℃；在冬季有保溫的主、輔機艙內，最低空氣溫度為 5℃（當艙外空氣溫度為-12℃、海水溫度為0℃時)；艙外或非保溫艙室內的最低空氣溫度為-28℃；空氣相對濕度為大于95%（有凝露）。

（3）在計算鋼纖維體積率中，需要按照試驗抗拆強度的要求按照相關規定進行計算，通常體積率取值范圍在1.0%～1.5%。

2）對于常規潛艇：柴油機艙、主推進電機艙、蓄電池艙內的最高空氣溫度為45℃；其余艙室內的最高空氣溫度為40℃；艙外露天部位的最高空氣溫度為65℃；主、輔機艙內的最低空氣溫度為50℃，艙外露天部位的最低空氣溫度為-28℃；空氣相對濕度為大于95%（有凝露）。

3）對于核潛艇：反應堆艙內的最高空氣溫度65℃；主機艙和輔機艙內的最高空氣溫度60℃；柴油機艙內的最高空氣溫度45℃；艙外部位的最高空氣溫度65℃；各機艙內的最低空氣溫度為5℃；在濕熱環境下，主機艙、輔機艙和柴油機艙內空氣溫度38℃；相對濕度為95%。

3.2 海水溫度

推進系統應能在最低海水溫度為-2℃，最高海水溫度為35℃的范圍內正常可靠地工作。同時，對于使用海水冷卻的設備，其進口海水溫度的選取也有一定要求，如表3所示。

表3 各種冷卻設備進口海水溫度

從表3中可以看出，核潛艇與各常規動力船舶相比，其冷卻設備需要溫度更低的冷卻水，因此對于民用核動力船舶推進系統，其環境參數標準可以參照核潛艇的標準制定。

3.3 海水含鹽量和鹽霧

船舶設備主要受到海洋大氣、海水飛沫、雨雪、沖洗甲板時所用的海水以及凝結水的侵蝕。其中海洋大氣中的高濃度鹽霧是造成設備腐蝕的一個重要因素。鹽霧對艦船水上設備的腐蝕直接影響了船舶的環境適應性、使用的可靠性和船體的壽命，以及船舶的海上生存能力。高鹽霧條件對設備主要造成以下影響：產生電化學腐蝕、加速應力腐蝕和鹽在水中電離后形成的酸/堿溶液的腐蝕影響；由于鹽沉積引起的電子裝備損壞、導電層產生等絕緣材料和金屬腐蝕的電氣影響；機械部件和組件的活動部分阻塞或粘結、由電解作用導致漆層起泡的影響[7,8]。

對于海水含鹽量和鹽霧的標準，可以參照《艦船環境條件要求-氣候環境（GJB1060.2-1991）》中的要求[9]。海水含鹽量的最高記錄為35kg/m3，其中氯化鈉為 27kg/m3。因此，對于暴露在水中的艦船設備，應能在含鹽量最高紀錄的海水環境中正常工作。對于露天部位的設備，應能在 5mg/m3的鹽霧環境中正常工作；艙室內的設備，應能在 2mg/m3的鹽霧環境中正常工作。

4 結束語

通過對民用核動力船舶外部環境參數的研究及相關標準參數的分析，能為后期核動力船的工程實施提供一定的理論依據，主要分析結論如下：

2）傾斜和搖擺設計值可參照GJB對于船舶傾斜和搖擺設計值的規定以及《核商船安全規范（譯文）》中核動力裝置對于船舶搖擺性的工作要求。

3）核動力裝置的環境條件參數可參照GJB中對于空氣溫度、相對濕度、海水溫度以及海水含鹽量和鹽霧的標準，并對水面艦船和核潛艇的不同參數標準進行對比，找出更適合民用核動力船舶的安全嚴格的環境參數標準。

[1] GJB1060.1-1991, 中華人民共和國國家軍用標準艦船環境條件要求-機械環境[S]. 1991.

[2] GJB 4000-2000, 中華人民共和國國家軍用標準艦船通用規范0組-艦船總體與管理[S]. 2000.

[3] 核商船安全規范[S]. 1981.

[4] 李品芳, 蔡振雄. 環境條件對船舶主機運行的影響與管理對策[J]. 集美大學學報: 自然科學版, 2005, 10(1): 49-52.

[5] 施祝斌, 王琪. 航行環境對船舶主機運行參數的影響[J]. 上海海事大學學報, 2007, 28(2): 53-57.

[6] GJB4000-2000, 中華人民共和國國家軍用標準艦船通用規范2組-推進系統[S]. 2000.

[7] 董言治, 尉志蘋, 沈同圣, 等. 高鹽霧條件下艦船設備的腐蝕防護研究進展[J]. 現代涂料與涂裝, 2003(3): 35-36.

[8] 董言治, 周曉東, 沈同圣, 等. 艦船設備鹽霧防護及實驗技術研究進展[J]. 腐蝕科學與防護技術, 2004,16(1): 29-32.

[9] GJB1060.2-1991, 中華人民共和國國家軍用標準艦船環境條件要求-氣候環境[S]. 1991.