极地冰区船舶海水门防寒技术研究

陈彦臻 濮 骏 刘志兵 李 华

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011；2.中国船级社江苏分社 南京 210011）

0 引 言

极地拥有着丰富的资源，且尚未被深入探索开发，是当前众多学科领域的重点研究对象。但是考虑到极地区域存在着低温、浮冰等恶劣环境，能适应冰区航行的船舶已成为人类通往极地宝库的重要手段之一。与普通水域不同，冰区航行通常航速较慢，不仅要面对大量冰水混合物，还要考虑携带破冰设备、提高船舶动力、强化船体材料及工艺，以及克服特殊的环境温度对船舶系统、露天系统和舱室系统造成的影响。这也就使得防寒设计成为了保障船舶在极地冰区正常航行的关键课题之一[1]。

海水门（海水箱）处于海水进口位置，作为全船海水的源头，是消防、冷却水等系统的重要组成部分，如图1所示。由于极地冰区航道中存在大量海冰，海水门被堵塞的风险将大大增加。体积较大的冰块在海水门进口格栅附近会形成大量碎冰。这些细小的冰块通过海水管系进入到滤器中，大量堆积形成冰塞。这将导致冷却水系统无法提供足够的海水到中央冷却器中进行冷却，从而引发高温报警，使主机和发电机组无法正常工作，最终造成严重后果（如全船失电、动力系统瘫痪、船舶搁浅或失控等海上事故）。因此，在冰区航行船舶的轮机设计中，海水门的防寒技术是确保船舶航行安全、稳定的特殊要求之一。但是从现有研究情况来看，对于冰区海水门的防寒设计尚缺少足够的技术经验。

图1 常规冷却水系统

1 相关规范要求

针对冰区航行的特殊环境，国际海事组织IMO 制定了一系列公约、规则和规范，构成了“极地规则”，从而在保证极地船舶航行安全的同时，尽可能降低对极地生态环境的破坏，以实现可持续的极地航运发展。极地规则主要包含两个方面的要求：安全和环保。其中针对极地航行船舶新增的安全措施要求，主要体现在《国际海上人命安全公约》（SOLAS）和STCW 公约。对于防污染方面，则是通过修正《防止船舶造成污染公约》（MARPOL）中部分相关附则（I、II、IV、V）来实施。国际船级社协会（IACS）也为极地冰区航行的船舶提出了统一标准[2]，并采用7 个极地级（PC1-PC7）对极地船舶所能适应的冰级进行分类，如表1所示。

表1 IACS 极地船舶冰级分类标准

续表1

为了保证船舶在极地冰区正常运行，海水门保持畅通至关重要，因此，各个船级社（如CCS、LR、ABS 和DNV 等）都针对冰区船舶海水门的设计与建造提出了具体的规范要求[3-6]。

考虑到CCS 规范中，不仅包含了船型规范、冰级规范和防寒规范3 个部分，并且结合相关国家规则（如NSR、ASPPR 等）以及极地规则，编制了具有技术指导意义的“极地船舶指南”。本文重点针对CCS 规范中针对冰区海水门（冰水箱）的要求进行介绍，如表2所示。

表2 冰区海水门CCS 规范要求

总体而言，对于冰区海水门的规范要求，主要从以下4 个方面进行防范约束：

（1）考虑足够的海水门容积。在极地冰区航行时，冰水环境会造成额外的冲击，增大推进系统的工作负荷。这也就要求冷却水系统更加完备、强大，以满足更高功率下的冷却需求，防止形成过热，损伤设备。因此，提供足够量的冷却海水是顺利通过冰区的前提条件之一。

（2）避免冰塞的防护措施。一方面，选择合适的海水门位置，确保海水交换的顺畅；另一方面，通过多种物理方法，如密度差、流量控制、调节温度、隔离拦截和加热消融等，进一步降低海冰堵塞冷却水系统的风险。

（3）完善辅助装置。不仅配备相关清洁设备，避免其他杂物通过海水门造成堵塞，还应设立带截止阀的透气管，并确保透气管头通畅。

（4）准备充足的备用应急设备。由于航行时间长、冰区环境恶劣、工作负荷大，发生系统设备故障的概率可能会更大。备用应急设备则可以提高航行中的容错率。在系统设备出现损坏后，仍能维持船舶抵达目的地。除了传统机械设备以外，还可包括设置应急海水舱。

2 防寒技术与设计方案

2.1 防寒技术分类

为了满足规范要求，当前针对冰区海水门的防寒技术，主要可以分为结构设计、构造布置和辅助加热3 大类，如图2所示。

图2 冰区海水门防寒技术

对于结构设计类的防寒技术，主要是通过对进口格栅结构的改进，优化其作为过滤网的效果，并在海水门第一道防线处阻挡体积较大海冰，尽可能地减少进入海水门的海冰体积与数量。传统海水门格栅[7-8]与冰区海水门格栅[9]对比如图3、图4所示。

图3 传统海水门格栅

图4 冰区海水门格栅

从中可以看出，与传统海水门格栅相比，冰区海水门格栅有更大的净流通面积，开孔更大，且在格栅孔的边缘进行了倒圆处理，以防止形成应力集中。此外，采用螺栓固定的嵌入式格栅代替传统铰链式格栅，可以避免突出船体外板部分被海冰撞坏。

对于构造布置类的防寒技术，一方面应尽可能加大海水门顶部的高度，还应尽可能增加海水门容积，以确保提供足够的用量，减缓冰水混合物的流速，有助于浮冰的分离；另一方面，通过在海水门内设立不同的隔离结构，如挡板、围堰等，可实现冰水混合物流向的改变，促进流动过程中浮冰的自动分离。人工通道（人孔）的设计主要是为了在特殊情况下进行手动除冰。

此外，通过对冷却水系统管路的合理布置，不仅可以将冷却水吸入口保持在浮冰下方，避免进水管吸入海冰，还可以循环利用冷却海水，对海水舱内的水温进行调控，如冷却海水回注。冷却海水进入海水总管后，被送往不同系统的冷却器中，当经历完热交换后，海水温度升高。此时，再通过循环连接管路回流到海水门，其余热可以维持海水门内的海水在一定的温度范围，确保不结冰。

对于辅助除冰类的防寒技术，主要可以分为加热措施和吹除措施。加热措施是利用不同的热源，在海水门中额外设立相应的加热管路或设备，有针对性地对某个区域（如顶部碎冰集中区域）的碎冰或浮冰进行消融；吹除措施则是依托于合适压力等级的压缩空气。因此，该类防寒技术通常采用热水回注/加热、压缩空气吹除、蒸汽吹除/加热以及盘管加热等措施。

2.2 防寒设计方案对比

为克服单一防寒技术的局限性，确保防寒效果的可靠性，上述相关防寒技术通常是以复合方案的形式被广泛应用于冰区海水门的设计中，以最大程度降低冰塞风险。本文针对4 种具有代表性的设计方案进行了分析。

2.2.1 方案一

该方案对冰区海水门的布置如图5所示。其中的海水箱和海水舱均设有透气管和回流管路，并通过携带滤器的管路进行连接。在海水门的进口格栅/ 开孔/开槽附近设有蒸汽装置来吹除部分可能吸入的碎冰，但效果有限，故常用于格栅上附着物的清理。海水门和冷却海水吸入口都处于较低位置，尽量保持在浮冰下方，避免吸入碎冰。

图5 海水门布置示意图（方案一）

但是，该设计方案没有很好地解决碎冰/浮冰堵塞的问题。一方面，由于顶部高度不够高，大量浮冰聚集，故仅靠回流很难及时消融；另一方面，碎冰在上浮过程中容易被吸入海水箱和海水舱的连接管路，从而堵塞海水滤器。因此，该海水门内需要设置高度低于水线的围堰或者高度高于水线的挡板，以便更好地分离碎冰，避免“冰塞”发生。此外，还应设置人孔盖，确保可人工进行手动清除。

2.2.2 方案二

该方案展示了某海水冷却系统[9]中的海水门布置，如图6所示。

图6 海水门布置示意图（方案二）

方案二与方案一有着很多相似之处，如都是通过携带有海水滤器的海水总管连接海水箱和海水舱等。其特点在于管路相对简单，可以节省出舱室空间，用于燃油日用箱和燃油深舱等的布置。顶部设置了人孔盖，并且处于底部的海水门进水口直接连通顶部主甲板，为分离顶部浮冰提供了足够的高度。这是利用密度差的原理，使进入海底门后密度小于海水的浮冰，被直接引入顶部碎冰聚集区域。但是，由于海水总管的吸入口布置在冰水混合物的上升途中，且未采取有效保护措施，故大大增加了直接吸入碎冰的风险，从而造成滤器堵塞。此外，该方案缺少除冰回路来消融顶部的碎冰，也无调控舱内水温。

2.2.3 方案三

该方案中的海水门布置，如下页图7所示。

图7 海水门布置示意图（方案三）

与前两种方案的不同之处在于，该海水门采用垂直的围堰板将海水管吸入口与海水进口格栅分隔，使碎冰浮于上层而不被海水泵吸入，解决了海水吸入管阻塞问题。该海水门配备了应急管路，将冷却水系统与压载水舱相连接，使压载水舱可作为冷却水的备用来源，循环使用压载水进行内循环冷却，但仅限在短时间内应急使用，否则会因压载水温度升高而导致舱壁结构腐蚀。此外，该海水门设立了冷却水回注，但仅通往海水进口位置，降低了除冰效果。因此，该海水门的布置比较复杂，且未设人孔盖，需考虑额外的人工措施用于排除冰塞。

2.2.4 方案四

该方案中的海水门设计（如图8所示）是由典型冰海水门结构[10]演变而来，且比较全面地结合了多种防寒技术。在舷侧板上的开口处，设有进口格栅/开孔/开槽，形成过滤冰水混合物的第一道防线。冷却海水进水管的吸入口处于较低位置，海水门顶部则尽可能高，以聚集碎冰。人孔盖设在水线以上，接近顶部碎冰集聚区，方便进行人工清理。海水门内装有挡水板，用于改变冰水混合物的流向，使得过滤后的海水优先集中在海水门底端。该海水门中还将再循环冷却水分别通往底部和顶部，不仅对冷却海水进水管的吸入口进行温控，还对碎冰积聚的区域进行融冰。此外，顶部的多孔管还可以连通蒸汽管路进一步吹除/加热。若配有应急海水舱或应急海水来源（如压载水），将进一步提高该方案的防寒可靠性，更适用于高冰级船舶。

图8 海水门布置示意图（方案四）

3 结 语

海水门虽然只是整个轮机设计中很小的一部分，但却是维持船舶系统在极地冰区航行中正常稳定运行的关键之一。本文针对冰区海水门，介绍了部分规范要求，并通过对现有防寒技术以及4 个防寒设计方案所作的分析，突出了冰区海水门在防寒方面独有的一些技术要点，主要体现在：有效减少碎冰的吸入量；改变内部流向，隔离浮冰；设计加热融冰方案；需配备人工手动除冰等。希望本文的内容能为极地船舶在该领域的研究提供更多的技术经验。

目前，我国针对极地船舶的相关研究与先进国家相比还存在差距。除了考虑上述关注的一些防寒技术应用与优化外，还可以针对附件、管路和阀的材料、工艺、具体选型计算以及冰水冲击下的结构强度等领域，对冰区海水门进行更全面的研究，从而努力响应极地航运发展的战略需求，也为今后极地船舶的防寒技术积累宝贵经验。