大型民用核动力船舶外部环境参数设计标准研究

徐 立，徐 楚，方军庭，邓儒超，李俊辰

（1.武汉理工大学能源与动力工程学院 可靠性工程研究所，武汉 430063；2.中国核动力研究设计院反应堆运行与应用研究所，成都 610064）

0 引言

近年来，随着国际能源形势紧张、石油价格飞涨，以及国际海事组织对航运业减排要求的提高，以燃油为动力的商船面临新的选择。因此，民用核动力船舶的应用逐步受到人们的重视。但与普通民用船舶相比，民用核动力船舶需要更高的安全标准，因为大型民用核动力船舶需要长时间在海洋上航行，受到全球不同区域海洋环境和各类船舶事故的影响，船舶核动力装置的外部环境参数处于频繁的变化状态。为此，需针对民用核动力船舶的特殊性，从设计上对民用核动力船舶的运行安全提出要求，使其适应在海洋环境下运行的不同工况，为民用核动力船舶的安全可靠运行奠定基础。

目前，我国尚未建造过大型民用核动力船舶，也未建立民用核动力船舶的运行规范和标准。开展民用核动力船舶外部环境参数研究，其目的就是通过分析民用核动力船舶和常规动力民用船舶的相关设计标准，找出两种船舶在海洋环境参数的极限值设置上的异同，在分析研究二者差异的基础上，提出相关参数的建议参考值，为后期核动力船舶的工程实施提供理论依据。

考虑到海洋环境对民用核动力船舶的影响，在参考现有核商船设计规范以及国家军用标准中有关舰船的设计标准的基础上，通过甄别、判断和分析，提取一系列船舶核动力装置运行的外部环境参数，如舰船冲击设计值、船舶及动力装置倾斜和摇摆参数、设备承受和工作温度、海水含盐量和盐雾浓度值等。

1 船舶冲击设计值

船舶在航行过程中不可避免受到各种冲击载荷的威胁，对于一般民用船舶，其冲击载荷主要是船舶碰撞或搁浅时的碰撞力载荷。对于民用核动力船舶的冲击设计值，可参照《舰船环境条件要求-机械环境（GJB1060.1-1991）》中所列举的相关公式，计算出船舶各个部位冲击参数的极限值[1]。水面舰船的冲击设计值如表1所示。

表1 水面舰船的冲击设计值

表1中，A0为基准加速度，m/s2；V0为基准速度，m/s；Aa为设计加速度，m/s2；Va为设计速度，m/s。A0、V0按下列公式计算。

1）对与船体和外板安装部位：

2）对于甲板安装部位

其中：ma为模态质量，kg。

2 船舶及核动力装置的摇摆和倾斜

受海浪冲击、海风等海洋条件的影响，船舶在运行中会伴随摇摆、起伏和倾斜等多自由度附加运动。剧烈摇荡会降低航速，造成货损，损坏船体和机器。民用核动力船舶更要考虑到摇摆和倾斜对反应堆等动力装置的影响。因此民用核动力船舶和反应堆系统需对摇摆和倾斜有一定的承受能力。

2.1 船舶摇摆性

对于船舶的摇摆和倾斜参数，参考《舰船通用规范0组-舰船总体与管理（GJB 4000-2000）》中对舰船多自由度摇摆和倾斜的规定[2]，如表2所示。

表2 水面舰船的倾斜和摇摆参数

2.2 核动力装置对船舶摇摆的要求

对核动力装置系统的安全级别和设计级别，参照《核商船安全规范（译文）》，根据系统和部件对安全的重要程度，将其安全级别分成1到4级[3]。同时，在各安全级别内的各个系统或部件也应规定从1到4级的相应设计等级。1级设计（DC-1）要求采用设计和质量保证的最高标准。对于承压部件，设计应考虑当船舶在经受直到 30°的静态横倾，或直到45°的横摇角，或10°的艏艉纵倾，或这极限角度的任意组合的情况下仍能继续运行；在所有的倾斜角度的情况下，要确保船舶的完整性。

反应堆安全系统及其电源应设计成当船舶经受直到30°的静态横倾，或直到45°的横摇角，或10°的艏艉纵倾时能正常工作。即使在快速停止或反应堆功率骤增时，向一边不超过 45°的单向运动也不应引起设备失灵或超应力。如果能向政府证明并使政府相信船舶不会遇到这种状态，则这些角度还可以减少，在这种情况下，允许的减少量应该写在反应堆装置的适应性证书上。

在船舶横倾45°或艏、艉纵倾10°或船舶横倾到丧失整体稳性的角度（取其小者）的情况下，快速停堆（紧急停堆）系统应能在较小的倾角下自动操作。但仅仅由于较上述条件中更小角度的横倾和纵倾，反应堆不应自动停堆。

3 船舶动力装置环境条件参数

船舶动力装置的环境条件包括温度、湿度、海水含盐量和盐雾等，对于常规动力船舶，机舱内布置有主机、发电机、锅炉等大量的动力装置设备，不同的环境条件对动力装置设备的正常工作有着重大的影响。船舶航行于世界不同的海域，有时一个航次就要跨越不同的季节区带。因此，对于船舶动力装置来说，环境条件是一个很大的变数，不同的环境参数将直接影响其工作性能[4,5]。对于民用核动力船舶，可以参考常规动力船舶及核潜艇的动力装置环境参数的标准。

3.1 空气温度和相对湿度

民用核动力船舶对环境气候条件的适应性可以参考《舰船通用规范 2组-推进系统（GJB4000-2000）》中舰船推进系统环境适应性的标准[6]。船舶推进系统应能在下列空气温度和相对湿度的环境条件下正常可靠地工作。

1）对于水面舰船：汽轮机舱、锅炉舱内的最高空气温度为60℃；柴油机舱和燃气轮机舱内的最高空气温度为 55℃；其他舱室内的最高空气温度为40℃；露天部位的最高空气温度为65℃；在冬季有保温的主、辅机舱内，最低空气温度为 5℃（当舱外空气温度为-12℃、海水温度为0℃时)；舱外或非保温舱室内的最低空气温度为-28℃；空气相对湿度为大于95%（有凝露）。

（3）在计算钢纤维体积率中，需要按照试验抗拆强度的要求按照相关规定进行计算，通常体积率取值范围在1.0%～1.5%。

2）对于常规潜艇：柴油机舱、主推进电机舱、蓄电池舱内的最高空气温度为45℃；其余舱室内的最高空气温度为40℃；舱外露天部位的最高空气温度为65℃；主、辅机舱内的最低空气温度为50℃，舱外露天部位的最低空气温度为-28℃；空气相对湿度为大于95%（有凝露）。

3）对于核潜艇：反应堆舱内的最高空气温度65℃；主机舱和辅机舱内的最高空气温度60℃；柴油机舱内的最高空气温度45℃；舱外部位的最高空气温度65℃；各机舱内的最低空气温度为5℃；在湿热环境下，主机舱、辅机舱和柴油机舱内空气温度38℃；相对湿度为95%。

3.2 海水温度

推进系统应能在最低海水温度为-2℃，最高海水温度为35℃的范围内正常可靠地工作。同时，对于使用海水冷却的设备，其进口海水温度的选取也有一定要求，如表3所示。

表3 各种冷却设备进口海水温度

从表3中可以看出，核潜艇与各常规动力船舶相比，其冷却设备需要温度更低的冷却水，因此对于民用核动力船舶推进系统，其环境参数标准可以参照核潜艇的标准制定。

3.3 海水含盐量和盐雾

船舶设备主要受到海洋大气、海水飞沫、雨雪、冲洗甲板时所用的海水以及凝结水的侵蚀。其中海洋大气中的高浓度盐雾是造成设备腐蚀的一个重要因素。盐雾对舰船水上设备的腐蚀直接影响了船舶的环境适应性、使用的可靠性和船体的寿命，以及船舶的海上生存能力。高盐雾条件对设备主要造成以下影响：产生电化学腐蚀、加速应力腐蚀和盐在水中电离后形成的酸/碱溶液的腐蚀影响；由于盐沉积引起的电子装备损坏、导电层产生等绝缘材料和金属腐蚀的电气影响；机械部件和组件的活动部分阻塞或粘结、由电解作用导致漆层起泡的影响[7,8]。

对于海水含盐量和盐雾的标准，可以参照《舰船环境条件要求-气候环境（GJB1060.2-1991）》中的要求[9]。海水含盐量的最高记录为35kg/m3，其中氯化钠为 27kg/m3。因此，对于暴露在水中的舰船设备，应能在含盐量最高纪录的海水环境中正常工作。对于露天部位的设备，应能在 5mg/m3的盐雾环境中正常工作；舱室内的设备，应能在 2mg/m3的盐雾环境中正常工作。

4 结束语

通过对民用核动力船舶外部环境参数的研究及相关标准参数的分析，能为后期核动力船的工程实施提供一定的理论依据，主要分析结论如下：

2）倾斜和摇摆设计值可参照GJB对于船舶倾斜和摇摆设计值的规定以及《核商船安全规范（译文）》中核动力装置对于船舶摇摆性的工作要求。

3）核动力装置的环境条件参数可参照GJB中对于空气温度、相对湿度、海水温度以及海水含盐量和盐雾的标准，并对水面舰船和核潜艇的不同参数标准进行对比，找出更适合民用核动力船舶的安全严格的环境参数标准。

[1] GJB1060.1-1991, 中华人民共和国国家军用标准舰船环境条件要求-机械环境[S]. 1991.

[2] GJB 4000-2000, 中华人民共和国国家军用标准舰船通用规范0组-舰船总体与管理[S]. 2000.

[3] 核商船安全规范[S]. 1981.

[4] 李品芳, 蔡振雄. 环境条件对船舶主机运行的影响与管理对策[J]. 集美大学学报: 自然科学版, 2005, 10(1): 49-52.

[5] 施祝斌, 王琪. 航行环境对船舶主机运行参数的影响[J]. 上海海事大学学报, 2007, 28(2): 53-57.

[6] GJB4000-2000, 中华人民共和国国家军用标准舰船通用规范2组-推进系统[S]. 2000.

[7] 董言治, 尉志苹, 沈同圣, 等. 高盐雾条件下舰船设备的腐蚀防护研究进展[J]. 现代涂料与涂装, 2003(3): 35-36.

[8] 董言治, 周晓东, 沈同圣, 等. 舰船设备盐雾防护及实验技术研究进展[J]. 腐蚀科学与防护技术, 2004,16(1): 29-32.

[9] GJB1060.2-1991, 中华人民共和国国家军用标准舰船环境条件要求-气候环境[S]. 1991.