极地船舶装备关键基础技术研究进展综述

余 丽，郭文勇，潘兴隆，陈汉涛

（海军工程大学动力工程学院，湖北 武汉 430033）

0 引言

全球气候变暖，位于格陵兰岛和加拿大北极群岛以北的“最后一个冰区”——北极海冰融化的速度比预期的更快。科学家预测到2035 年北极夏季海冰将完全消失[1]。北极航道的商业价值日益凸显，越来越多的航运公司开始试水北极航道。作为担负开辟航道、运输物资及科研考察等任务的极地船舶，在开拓北极航道和发展北极经济圈中扮演着重要角色。

朱英富等[2]从极地船舶总体关键基础技术综述了极地船舶核心关键基础技术研究现状及进展。于立伟等[3]得出极地装备的发展依赖于若干关键技术的突破与进步，以及材料和能源等共性关键技术的突破的结论。师桂杰等[4]对比分析国内外极地船舶现状，评估极地船舶总体能力，提出我国极地船舶发展建议。王红涛[5]等介绍了极寒环境下船舶用低温钢的发展情况。极地航行船舶涉及的关键基础技术主要有破冰技术、防冰除冰技术、加热技术以及耐低温技术等，以下做详细分析。

1 破冰技术

1.1 破冰船型的改进

19 世纪30-40 年代为了打破冰盖，船体做成“勺形”，采用蒸汽推进装置。到19 世纪末20 世纪初，船头做成比勺形更尖锐，船头和船尾各有两个压载水舱，并安装艏螺旋桨，以提高机动性和降低冰阻。之后，在破冰船中首次采用了三个四叶艉螺旋桨来保证推进装置的可靠性。第一次世界大战后，柴油发电机成为破冰船的主要动力源。第二次世界大战后的破冰船上首次安装了两个艉推进器和两个艏推进器，并将船头轮廓设计为典尖锐型。在此期间，芬兰建造了“莫斯科”级破冰船，并增加了推进装置的功率，配备了三轴柴油电力推进装置和艉螺旋桨。

20 世纪70～90 年代，破冰船在更多的国家蓬勃发展。美国建造了两艘“北极星”破冰船，其联合动力装置由柴油机-电力装置和燃气轮机装置组成[6]。加拿大建造了专门的破冰船“Canmar Kigoriak”号，如图1 所示。

图1 破冰船“Canmar Kigoriak”号

1.2 现代破冰发展趋势

20 世纪90 年代，苏联设计出一种新型推进装置——吊舱回转推进器（图2 所示），它可以前后双向运行，舵装置用于转向时，方位推进器吊舱立即改变。吊舱推进器悬挂在船体下，装有马达和螺旋桨，每个吊舱能够360°旋转，以提供任一方向的推力，使得行船更具可操作性。

图2 吊舱回转推进器

芬兰“阿克北极”为不对称破冰（图3 所示）船，船体轮廓不是传统对称型，配备三个方位推进器，以确保计程仪的运行，为行船铺开一条宽阔通道。还有双作用可逆式船舶，如图4 所示，螺旋桨朝后并破冰，在尾部有破冰船首和回转吊舱，前部有规则的穿浪船首，可以在无冰区有效地向前行驶，而不会产生专用破冰船的横摇效应，当需要冲破海冰时，可以先掉头利用船尾破冰，而不影响正常作业。

图3 不对称破冰船“Baltika”号

图4 双向作用船舶

2012 年，俄罗斯开始提出激光破冰，并启动激光破冰计划[7]。激光破冰技术利用高能激光器切开厚冰层，以开辟航道。激光系统于2017 年底在阿尔汉格尔斯克地区进行试点测试。激光装置的应用将降低破冰船的冰级，节约制造成本，而不影响破冰能力。

现代破冰船多被设计成多用途型，改进船体轮廓、推进系统、安装可旋转吊舱和开发新的技术方案，旨在提高破冰船的操作性能，打造多用途破冰船，能够长时间冰上作业。

传统破冰方式如连续式和冲撞式等已经不能满足现代破冰需求，新型的双向作用破冰、斜向破冰以及激光破冰已日趋取代传统方式，随着对北极科研探索的需求不断推进，新型多用途、集成化破冰方式将不断涌现。

2 除冰防冰技术

船舶结冰是由海浪的水飞溅或海雾从空气中沉积而形成，海水飞溅形成的冰具有较高的密度和较大的附着力。由于结冰，船舶的排水量、船重心和平稳度、横倾和纵倾发生了变化，这对在航行中的船舶非常危险。

针对船舶系统、露天设备和舱室环境需要进行专门的除冰防冰设计[8]。该装置通常有两种，分别是除冰（de-icing）系统和防冰（anti-icing）系统。前者是被动去除，后者是主动防御，也即被动法和主动法。

2.1 除冰技术

（1）机械除冰

机械除冰是最原始、最常见的一种方法，通过各种手动器械使冰层脱离船体表面。除了手工工具还有电动和气动工具、蒸汽、热水、加压水等。这种方法能耗低，但效率也低，还可能对机械部件造成损坏，只在不影响设备操作的区域作为配合方法使用。

（2）石墨基加热除冰

“石墨基加热元件”是一种很有发展前途的表面除冰方法，它的加热和冷却都很快。很小的石墨块能迅速被加热，使得其上的冰分离并通过气流离开结构表面，而不会融化。

（3）微波加热除冰

大部分材料在微波作用下，都会吸收微波能，产生热量[9]。材料吸收微波后温度升高，融化与船体结合处的冰层，再结合机械或人力进行除冰，大大提高除冰效率，在船舶领域有着广阔的应用前景。

（4）超声波除冰

超声波技术利用声波在材料中产生应力场，使两种材料界面处超过临界应力而脱落。该技术具有成本低、设备保护效果好、环保等特点，已被广泛应用在机身防冰、汽车挡风玻璃防冰、海船积冰保护和从海船上清除海洋生物，具有成本低、设备保护好、环境友好等特点。

（5）形状记忆合金除冰

形状记忆合金（SMA）受到适当的温度变化时，能够改变形状，即具有形状记忆效应[10]。随着记忆合金技术的成熟，美国研制出镍钛合金，通过热膨胀增大到除冰所需的变形后再返回原来的形状。

在除冰系统中，都需要额外的监测人员来监测设备的性能和安全。因此，防冻系统更受青睐，其本质是在冰和受保护表面之间形成一个特殊物质的中间层，降低冰和雪的附着力，防止结冰。

2.2 防冰技术

防冰技术通常指使用热量或化学品来防止结冰。

（1）冰芯（Ice wick）

Ice wick 是一种用于防冰防滑格栅，如图5 所示，冰芯表面由坚固的格栅或瓷砖基质组成，利用多孔材料的芯吸作用，将防冻液从位于下方的储层吸至易结冰表面，常用于人行道、楼梯、船舶甲板等区域。

图5 冰芯

（2）电脉冲防冰系统（EPIPS）

EPIPS 是一种基于加速度的装置，如图6 所示，用于船舶和飞机的防冰保护，该系统为金属和复合材料应用提供了一种有效的低功耗解决方案。

图6 电脉冲防冰系统

（3）涂层

为了保护船体结构采用含有表面活性剂的润滑脂防止结冰的涂层。超疏水涂层、弹性体涂层、有机胶涂层等对赋予抗冰性能是有效的，增加表面水滴的冻结时间，降低冰的附着力，具有低冰附着力和高抗冻性。2019年美国休斯顿大学研究人员开发出一种硅聚合物涂层的防冰新材料，它能够在任何物体表面防止结冰。

防冻技术还有气流牵引式循环升温防冻[11]、机械振动共振系统防冻、感应冲击系统防冻和超高频加热系统防冻等。随着新材料、新技术的不断涌现，防冰技术也在不断更新。

比较而言，除冰方法中机械除冰方法方便、快捷，但能耗较大，且存在二次结冰的风险；石墨基加热、微波加热以及超声波除冰能耗低、除冰快，但适用环境受限；形状记忆合金除冰效果好、无污染，但成本较高。而防冰方法主要依靠热能和化学品主动防御结冰，环境适应性好，应用前景佳。总之，针对极地船舶装备，应根据实际场合、扬长避短各方法的优缺点，合理选择不同的防冰和除冰方法。

3 加热技术

船舶在极地航行时，可能会因低温导致动力系统、消防系统失效的高危风险，为此需要应用极地冰区船舶加热技术，使两剥充的设备的强度、灵敏度、可用度恢复到正常使用范围内，这对极地冰区船舶的生命力具有重要意义[12]。

（1）蒸汽加热

蒸汽系统通过主锅炉、辅助锅炉及回收锅炉输送饱和低压蒸汽，进入供暖系统，经过加热装置，将蒸汽形成的热量传递给所需空间。蒸汽锅炉中产生的干燥饱和蒸汽温度为120 ～130 ℃，压力为0.3 MPa。目前已研制出小型冷凝锅，为提高系统效率，可安装在每台加热器后面的出口处。

（2）水加热

水加热系统的主要设备包括热水锅炉、管道、加热器、循环泵和膨胀罐。水加热系统不需要分离器、减压阀、冷凝锅和安全阀，但膨胀罐需安装在最高点。水加热系统中的热水温度为80 ～95 ℃，通过循环泵将水加热到该温度或由于加热装置通过前后的密度差异，在系统中循环。

（3）空气加热

通过船舶通风系统将空气加热至约40 ℃，可以用空气加热代替蒸汽和水加热系统。在寒冷的时候，系统用于加热和通风，而在温暖的时候，系统只用于通风和冷却。将通风和供暖结合在一个系统中，可以在很大程度上改变室内温度。

（4）电加热

电加热主要用于需要保持恒温和湿度的房间（驾驶室、转向室、无线电室、陀螺罗盘室等）。尽管经济性低，但电加热由于其简单和卫生性而得到了越来越多的应用。为了获得大量的热量，加热器引入镍铬电阻，通常安装在舱壁或吊杆上以节省空间。

电加热系统装置简单，一些新型极地船加热系统主要采用电加热，如电伴热系统、油水舱透气帽电加热系统、舱室加热系统、室外设备加热系统、以及天线加热系统[13-14]等，这也反映出电加热应用非常普遍和适用。

四种加热方式中，蒸汽加热系统的主要优点是简单，重量相对较小，但由于蒸汽压力高，需通过减压阀降低压力，常用于小型船舶上。与蒸汽加热相比，水加热的优点有耐用性和卫生性好、工作噪音低、冷却剂压力低，装置简单。但该系统由于水温度低，在管道中移动缓慢，加热速度慢。空气加热系统比蒸汽和水加热系统更简单。水、蒸汽和空气供暖系统用于在寒冷的季节保持船舶室内一定的正温度。电加热主要用于需要保持恒温和湿度。现代船舶中经常采用以上四种加热方式来供暖。

4 耐低温技术

极地环境下服役的船舶越来越多，北极作为一个具有特殊气候条件的经济区，发展势头正在逐步增强。船舶结构在极地低温环境下，随着承载加大，发生脆断的几率大大增加。IMO 规则明确提出了极地船舶必须采用适应极地环境的结构材料及建造工艺，以防止发生因脆性断裂而导致船体结构失效的事故[15]。具有厚尺寸、优异低温冲击韧性和易焊性能的高可靠度耐寒材料是极地冰区环境下船舶安全航行的基本保障。耐低温技术的应用主要取决于耐低温材料的研制和开发应用。

苏联早在20 世纪50 年代，研发并应用AK-25 钢作为建造核潜艇和核动力破冰船“列宁”号的船体[16]；到70 年代，结合ESP 技术，船体用结构钢屈强度达620 MPa。近年来，屈强度为355 ～750 MPa 的耐寒材料已研发出来，保证了在极低的温度下一定的厚度内不发生脆性破裂。2000—2009 年，造船用耐寒钢板的究制取得了重大进展，已经用于建造世界上最大的核动力破冰船“北极”号、“西伯利亚”号和“乌拉尔”号。

美国船用低温钢主要以海军用HY-80、EN36-060及HSLA 系列钢为主。但是HY 系列钢的混合金属含量高，导致可焊接性差，船舶建造成本过高，限制了其应用。日本结合TMCP 技术开发出EH36-060 极地用钢，且含碳量低，易于大线能焊接；韩国采用KR 规范的RE36钢，船首底部采用了RE36（EH36）钢板科考破冰船“Araon”号，并研制出FH32、FH36 两种极地低温钢；芬兰Arctech 公司建造的多功能破冰船使用了EH500 钢板，突破了民用船舶用钢实际工程应用最高强度级别。

我国钢铁装备技术整体上有了较大提升，国产船舶用钢可以满足国内绝大部分船舶建造的需求，并且已实现船舶用钢的大量出口，具备生产优异低温韧性超高强E 级和F 级船舶用钢的能力。国产特种低温钢已用于“雪龙”号内部改造，实现了极地特种低温钢国产化的突破；最新自主建造的极地科考船“雪龙2”号也局部采用了国产钢，为我国迈向极地提供强大支撑。

随着对北极能源开发的积极性提高，各国都加强了极地低温钢的研究，目的是为能源开采和运输开发更安全和经济的极地低温材料及其制造、加工技术，评估极地环境对材料性能的影响并建立极地低温环境下材料的断裂安全评价准则。

5 结语

极地航行船舶制造的关键基础技术是制造船体的材料研发，船舶航行的破冰技术、防冰除冰技术、加热技术和耐低温技术也是重要研究的技术。其中，破冰技术主要从破冰船改进和破冰方式进行；防寒技术主要从防冰和除冰两个系统进行设计；加热技术主要有蒸汽、水热传导、空气热传导和电加热四种。希望通过归纳和总结，能更全面深入地研究极地航行船舶的新技术。