冰級船海水系統防冰設計技術初步研究

趙遠征，呂 君，房玉吉，徐雋霏，謝承利，蘭興杰

（1．海軍裝備部艦船辦公室，北京 100071；b.中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064）

0 引言

冰級船是指按船級社規則適當加固，可在某種程度冰情時航行的船舶[1]。冰級船在冰區航行時海水系統從船體周圍的水域中抽取海水，然后通過管路輸送到冷卻水系統、消防系統以及壓載水系統等。如果海水系統設計不當，那么冰級船的海水吸入孔就容易被冰區水域中的成冰或正在凝結的冰堵塞，造成海水供應不足，影響船舶的正常工作，比如主機冷卻系統的管路中形成冰堵，則會導致發動機的過熱和停機。為了降低海水吸入孔被成冰或正在凝結的冰堵塞的危險，有必要開展冰級船海水系統的防冰技術研究。

通過對國際船級社協會（IACS）[2]、挪威船級社（DNV）[3]以及美國船級社（ABS）[4,5]頒布的部分冰區加強型船舶或破冰船設計規范等相關資料的解讀和對比，梳理了冰級船海水系統防冰設計的技術要求，對該系統防冰設計技術的要點進行了總結，下面對該海水系統中主要的組成單元——通海閥箱、海水艙、管路和閥件的布置及結構進行較詳細的介紹。

1 通海閥箱

1.1 布置考慮

通海閥箱是非常重要的船體結構，通海閥箱的吸入孔為海水的唯一進口，所以吸入孔的位置應能防止冰的吸入，而提供最佳保護的位置僅取決于船型和船的尺寸。比如：大型油輪或貨船在船尾底部幾乎看不到冰，如果吸入孔位于船體的這個區域，那么航行中冰的吸入就不會成為一個嚴重問題。有限吃水的更小一些船可能將吸入孔布置在靠近船中心線的地方，以免吸入船艏往船艉漂移的浮冰。所以可能的話，海水吸入孔應盡量位于船艉且靠近中線的地方。

根據設計要求，每750kW推進發動機的輸出功率（含船舶輔機的輸出功率）配置容量為1m3的通海閥箱。為使冰塊聚積在海水進口管的上方以防止冰塊堵塞管路（見圖1），通海閥箱的高度應滿足（其中V為根據發動機輸出功率確定的通海閥箱容量）。由于上述兩個條件在實踐中較難同時滿足，因此可以在船的兩舷分別設置一個小的通海閥箱來代替。

1.2 結構設計

為進一步降低冰塊進入海水系統的風險，過去成功使用了堰板或隔離板，這種結構減少了通海閥箱中海水進口管堵塞的可能。由于海水進口管通過一塊固體多孔隔離板（高于水線）或堰板（低于水線）和海水吸入孔隔離，所以可能進入通海閥箱的冰塊會漂浮在閥箱頂部，這樣能防止冰塊被吸入進口管，如圖1和圖2所示。為防止吸入大的冰粒且能提供足夠的冷卻能力，ABS規范中推薦隔離板的孔徑為DN20mm。

圖1 帶隔離板的海水系統原理示意圖

圖2 帶堰板的海水系統原理示意圖

1.3 加熱方式設計

雖然通海閥箱的上述布置考慮以及結構設計會減少冰吸入的影響或阻止一些結冰，但是這些措施并不能排除上述可能性。為減少船舶在寒冷地區航行的這種內在危險，可以在通海閥箱的隔離板上安裝蒸汽或熱水盤管，以達到除冰的目的，如圖3所示。如果加熱盤管非常沉重且采用全焊接形式，那么也可以用熱油加熱盤管來代替蒸汽盤管。此外海水系統還應具備手動除冰的功能，所以需要設計從通海閥箱到海水吸入口格柵的出入通道。

圖3 帶加熱盤管的海水系統原理示意圖

2 海水艙

進入通海閥箱中的海水經過海水進口管路、過濾器以及隔離閥進入海水艙，用于船舶推進的所有重要設備和消防系統的冷卻水從海水艙中吸入。根據規范要求，PC1-PC5冰級標志的船舶海水艙應布置在和龍骨盡可能近的地方，海水艙中的水來自至少兩個獨立的海水進口管，其中船體的每側至少應設置一個。每個海水進口管的開口面積應不小于和海水艙相連所有泵的總進口面積的6倍。而對于航行在波羅的海海域IAA-IC冰級標志的船舶，上述最小數值為4倍。

大部分高冰級標志的船舶都有獨立于海水艙之外的海水應急供應方式，將壓載水艙或一個完全單獨的海水艙作為海水的應急存儲（如圖4所示）。通過在這些艙外側加裝合適的管道、閥門和附件，使冷卻海水在壓載水艙（或海水艙）和上述管道間循環。這樣一方面對壓載水艙或海水艙中的海水進行“攪拌”，有助于減少這些艙自身的結冰，另一方面如果通海閥箱被堵，這些艙室也可以用作冷卻的目的，提高了冰級船冷卻水供應的可靠性。對于該循環系統也可以設置加熱系統，比如在隔離閥處加裝伴熱帶、在過濾器和海水吸入孔及格柵處安裝蒸汽管等，如圖5所示。

圖4 帶海水冷卻循環的海水系統原理示意圖

圖5 帶加熱方式和海水應急艙的海水系統原理示意圖

3 海水泵的流速

為船舶推進的重要設備服務的每個海水泵直接從海水艙抽水，根據規范要求，PC1-PC5冰級船任何吸入管道的設計流速不應超過2m/s。

4 海水管路（適用于所有冰級船）

1）可以在海水系統使用標準的管路、閥和附件，但是對于嚴重冰況下航行的任何船舶不建議使用鑄鐵材料，以往的經驗表明由于這種材料的脆性，在螺旋槳和冰的交互作用期間嚴重的振動可能導致系統的損壞。

2）舷外排水應盡可能減少船舶閥門結冰的可能性。可能的話一般都不在載重水線上方排水。

3）在極端低溫地區，所有舷外的排水處建議安裝蒸汽盤管和伴熱帶。

4）另外也可以考慮電加熱來清除通海閥箱和海水艙中的冰。

5 結論

綜上可知，冰級船海水系統防冰設計技術的要點在于：

1）為減少冰的吸入，海水吸入孔應盡量布置在船艉且靠近中線的地方。

2）在通海閥箱中設置堰板或隔離板可以減少海水進口管被冰堵塞的可能。

3）在通海閥箱、海水艙或其連接管路及附件上安裝蒸汽盤管或伴熱帶可以達到除冰的目的。

4）作為應急海水供應艙，通過在壓載水艙或海水艙外加裝冷卻海水循環管路，有助于減少這些艙自身的結冰，且能提高冰級船冷卻水供應的可靠性。

[1]IMO.Guidelines for ships operating in arctic ice-covered waters[M].2002.

[2]IACS.Requirements concerning-Polar Class[M].2011

[3]DNV.Rules for classification of ships-general regulations[S].2004.

[4]ABS.Guide for vessels operating in low temperature invironments[M].2012.

[5]ABS.Rules for building and classing-steel vessels[S].2013.