冰级船海水系统的防冰堵设计

刘维国，吕　君，杨海燕

(1.海军驻426厂军事代表室，辽宁 大连 116005；2.中国舰船研究设计中心，武汉 430064)



冰级船海水系统的防冰堵设计

刘维国1，吕君2，杨海燕2

(1.海军驻426厂军事代表室，辽宁 大连 116005；2.中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

摘要：介绍国外部分冰级船设计规范中冰级船海水系统的防冰设计技术要求，从吸入控冰、内部隔冰和加热除冰3个方面分析海水系统防冰堵的措施，得出该系统防冰设计的技术要点。

关键词：冰级船；海水系统；防冰；除冰；通海阀箱

冰级船在冰区水域航行时，水中的冰块和冰泥可能通过船舶的海水吸入口进入通海阀箱，从而堵塞海水管路系统，造成海水供应不足。本文通过对国际海事组织(IMO)[1-2]、国际船级社协会(IACS)[3]、挪威船级社(DNV)[4-5]以及美国船级社(ABS)[6-7]等机构颁布的部分冰区加强型船舶或破冰船设计规范等相关资料的解读和对比，从吸入控冰、内部隔冰和加热除冰3个方面提炼冰级船海水系统的防冰堵措施，并对利用循环水回路除冰的海水冷却系统进行介绍，旨在为我国发展该项防冰堵设计技术提供参考。

1吸入控冰

通海阀箱的吸入口作为海水的惟一进口，在海水系统的防冰堵设计中非常重要。吸入控冰是指通过船舶通海阀箱海水吸入口的合理布置来防止或最大程度上减少冰的摄入。而提供最佳保护的位置仅取决于船型和船的尺寸。比如，一些有限吃水的小船可能将吸入口布置在靠近船中线的地方，以免吸入从艏往艉漂移的浮冰。一般而言，吸入口应布置在靠近船中、尽可能低且尽量远离船艉的地方。

图1　堰板型通海阀箱的设计

2内部隔冰

内部隔冰是指在通海阀箱中安装堰板或隔离板来分离冰块以实现海水进口管防冰堵的目的。在波罗的海海域航行的破冰船常采用这种堰板型的通海阀箱。如图1和图2所示，由于海水进口管通过一块固体堰板(低于水线)或隔离板(高于水线)和海水吸入口隔离，所以可能进入通海阀箱的冰块会漂浮在阀箱顶部，防止冰块被吸入进口管，减少了通海阀箱中海水进口管堵塞的可能。为防止吸入大的冰粒且能提供足够的冷却能力，ABS规范中推荐隔离板的孔径为DN20 mm。此外通海阀箱吸入口的流通面积应为和海水舱相连的所有泵进口面积之和的5～6倍。

3加热除冰

3.1通海阀箱的除冰

虽然通海阀箱的上述布置考虑以及加装堰板或隔离板的结构设计会减少冰吸入的影响或阻止一些结冰，但是这些措施并不能排除上述可能性。为减少冰级船在寒冷地区航行的这种内在危险，可以在通海阀箱的隔离板上安装蒸汽、热油或热水盘管，以达到除冰的目的，见图2。

实际应用中可能更普遍地采用直接加热的除冰方式(见图3)，在通海阀箱内靠近吸入口的位置安装低压蒸汽喷头或压缩空气用于融化或吹除吸入口格栅上的冰块。不过加拿大东部冰区海域的船舶航行实践表明，即使在薄冰工况下仅依靠蒸汽融冰或空气吹冰还是无法维持足够的海水吸入量。需在通海阀箱上加装一根通大气的透气管，其横截面积至少应等于海水进口管的横截面积。透气管应布置在防冻区域或加装伴热带作为预防措施，以免因冰堵造成船体结构的破坏。

图2　带加热盘管的隔离板型通海阀箱的设计

图3　利用循环水系统除冰的海水冷却系统原理

国际海事组织推荐一种利用循环水回路除冰的海水冷却系统。当冰级船在冰区水域航行时，海水从船舶低位通海阀箱流入海水舱，然后经海水泵运送到空调、淡水造水机和蒸汽冷凝器等各换热器，进行热交换后各海水支管合成一条总管，合管后的海水温度得到升高。然后将这部分海水经循环管路系统重新导入低位通海阀箱和海水舱去融化冰块，此时舷外排出阀处于关闭状态，以保证换热后的海水能回流到通海阀箱和海水舱中。在非冰区水域航行时，海水从船体舷外经吸入口进入高位通海阀箱，然后由海水泵运送到各换热器进行热交换后汇成一条总管，合管后的海水全部经舷部附件排出舷外。2种工况下海水输运流程见图4、5。

图4除冰工况下海水输运流程

图5非除冰工况下海水输运流程

3.2粗效过滤器的除冰

图6　通海阀箱和粗效过滤器进口前的除冰回路

低位通海阀箱出口管路上安装的粗效过滤器也是船舶易受冰堵的设备之一。在通海阀箱和粗效过滤器进口前各加装一个循环系统除冰回路，见图6。为防止吸入冰，过滤器中过滤板的孔径约为DN20 mm。需要注意的是，带截止阀的循环管路必须在船进入干坞时才能安装，且通海阀箱上需安装新截止阀。取消图6中通海阀箱上的除冰回路是可行的，只要通海阀箱和粗效过滤器之间有足够的空间便可随时安装带截止阀的循环管路。

4系统防冰堵措施

1)从减少冰的吸入考虑，海水吸入口应尽量布置在远离船艉且靠近船中线的地方。

2)在船舶内部隔冰方面，带堰板或隔离板的通海阀箱结构可以起到分离冰块，减少海水进口管被冰堵塞的作用。

3)从加热除冰的角度出发，既可以在通海阀箱、海水舱或其连接管路及附件上安装加热盘管，也可以利用循环海水回路直接除冰。

参考文献

[1] 赵远征,吕君,房玉吉,等.冰级船海水系统防冰设计技术初步研究[J].船舶标准化工程师,2014,48(1),18-20.

[2] IMO. Guidelines for ships operating in arctic ice-covered waters[S].2002.

[3] IACS. Requirements concerning-Polar Class[S].2011.

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

[5] DNV. Ships for navigation in ice[S].2003.

[6] ABS. Guide for vessels operating in low temperature invironments[S].2012.

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

Research on Anti-Icing Design Technology for Ice Class Ship Seawater System

LIU Wei-guo1, LV Jun2, YANG Hai-yan2

(1 Navy Representative Office in No.426 Factory, Dalian Liaoning 116005, China;2 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:Anti-icing design technical requirements for the ice class ship seawater system on some ice class ship design rules abroad are introduced. Three anti-icing measures of seawater system are analyzed including the way of suction controlling of ice, separating the ice in the ship and heating de-icing. Some key points of anti-icing design technology for the ice class ship seawater system are summarized.

Key words:ice class ship; seawater system; anti-icing; de-icing; sea box

中图分类号：U674.21

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)02-0027-03

第一作者简介：刘维国(1961-)，男，硕士，高级工程师E-mail:lvjun5238036@126.com

基金项目：国家部委基金资助项目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.008

修回日期：2016-01-21

研究方向:船舶系统