徐 立，徐 楚，方軍庭，鄧儒超，李俊辰

（1.武漢理工大學能源與動力工程學院 可靠性工程研究所，武漢 430063；2.中國核動力研究設(shè)計院反應堆運行與應用研究所，成都 610064）

0 引言

近年來，隨著國際能源形勢緊張、石油價格飛漲，以及國際海事組織對航運業(yè)減排要求的提高，以燃油為動力的商船面臨新的選擇。因此，民用核動力船舶的應用逐步受到人們的重視。但與普通民用船舶相比，民用核動力船舶需要更高的安全標準，因為大型民用核動力船舶需要長時間在海洋上航行，受到全球不同區(qū)域海洋環(huán)境和各類船舶事故的影響，船舶核動力裝置的外部環(huán)境參數(shù)處于頻繁的變化狀態(tài)。為此，需針對民用核動力船舶的特殊性，從設(shè)計上對民用核動力船舶的運行安全提出要求，使其適應在海洋環(huán)境下運行的不同工況，為民用核動力船舶的安全可靠運行奠定基礎(chǔ)。

目前，我國尚未建造過大型民用核動力船舶，也未建立民用核動力船舶的運行規(guī)范和標準。開展民用核動力船舶外部環(huán)境參數(shù)研究，其目的就是通過分析民用核動力船舶和常規(guī)動力民用船舶的相關(guān)設(shè)計標準，找出兩種船舶在海洋環(huán)境參數(shù)的極限值設(shè)置上的異同，在分析研究二者差異的基礎(chǔ)上，提出相關(guān)參數(shù)的建議參考值，為后期核動力船舶的工程實施提供理論依據(jù)。

考慮到海洋環(huán)境對民用核動力船舶的影響，在參考現(xiàn)有核商船設(shè)計規(guī)范以及國家軍用標準中有關(guān)艦船的設(shè)計標準的基礎(chǔ)上，通過甄別、判斷和分析，提取一系列船舶核動力裝置運行的外部環(huán)境參數(shù)，如艦船沖擊設(shè)計值、船舶及動力裝置傾斜和搖擺參數(shù)、設(shè)備承受和工作溫度、海水含鹽量和鹽霧濃度值等。

1 船舶沖擊設(shè)計值

船舶在航行過程中不可避免受到各種沖擊載荷的威脅，對于一般民用船舶，其沖擊載荷主要是船舶碰撞或擱淺時的碰撞力載荷。對于民用核動力船舶的沖擊設(shè)計值，可參照《艦船環(huán)境條件要求-機械環(huán)境（GJB1060.1-1991）》中所列舉的相關(guān)公式，計算出船舶各個部位沖擊參數(shù)的極限值[1]。水面艦船的沖擊設(shè)計值如表1所示。

表1 水面艦船的沖擊設(shè)計值

表1中，A0為基準加速度，m/s2；V0為基準速度，m/s；Aa為設(shè)計加速度，m/s2；Va為設(shè)計速度，m/s。A0、V0按下列公式計算。

1）對與船體和外板安裝部位：

2）對于甲板安裝部位

其中：ma為模態(tài)質(zhì)量，kg。

2 船舶及核動力裝置的搖擺和傾斜

受海浪沖擊、海風等海洋條件的影響，船舶在運行中會伴隨搖擺、起伏和傾斜等多自由度附加運動。劇烈搖蕩會降低航速，造成貨損，損壞船體和機器。民用核動力船舶更要考慮到搖擺和傾斜對反應堆等動力裝置的影響。因此民用核動力船舶和反應堆系統(tǒng)需對搖擺和傾斜有一定的承受能力。

2.1 船舶搖擺性

對于船舶的搖擺和傾斜參數(shù)，參考《艦船通用規(guī)范0組-艦船總體與管理（GJB 4000-2000）》中對艦船多自由度搖擺和傾斜的規(guī)定[2]，如表2所示。

表2 水面艦船的傾斜和搖擺參數(shù)

2.2 核動力裝置對船舶搖擺的要求

對核動力裝置系統(tǒng)的安全級別和設(shè)計級別，參照《核商船安全規(guī)范（譯文）》，根據(jù)系統(tǒng)和部件對安全的重要程度，將其安全級別分成1到4級[3]。同時，在各安全級別內(nèi)的各個系統(tǒng)或部件也應規(guī)定從1到4級的相應設(shè)計等級。1級設(shè)計（DC-1）要求采用設(shè)計和質(zhì)量保證的最高標準。對于承壓部件，設(shè)計應考慮當船舶在經(jīng)受直到 30°的靜態(tài)橫傾，或直到45°的橫搖角，或10°的艏艉縱傾，或這極限角度的任意組合的情況下仍能繼續(xù)運行；在所有的傾斜角度的情況下，要確保船舶的完整性。

反應堆安全系統(tǒng)及其電源應設(shè)計成當船舶經(jīng)受直到30°的靜態(tài)橫傾，或直到45°的橫搖角，或10°的艏艉縱傾時能正常工作。即使在快速停止或反應堆功率驟增時，向一邊不超過 45°的單向運動也不應引起設(shè)備失靈或超應力。如果能向政府證明并使政府相信船舶不會遇到這種狀態(tài)，則這些角度還可以減少，在這種情況下，允許的減少量應該寫在反應堆裝置的適應性證書上。

在船舶橫傾45°或艏、艉縱傾10°或船舶橫傾到喪失整體穩(wěn)性的角度（取其小者）的情況下，快速停堆（緊急停堆）系統(tǒng)應能在較小的傾角下自動操作。但僅僅由于較上述條件中更小角度的橫傾和縱傾，反應堆不應自動停堆。

3 船舶動力裝置環(huán)境條件參數(shù)

船舶動力裝置的環(huán)境條件包括溫度、濕度、海水含鹽量和鹽霧等，對于常規(guī)動力船舶，機艙內(nèi)布置有主機、發(fā)電機、鍋爐等大量的動力裝置設(shè)備，不同的環(huán)境條件對動力裝置設(shè)備的正常工作有著重大的影響。船舶航行于世界不同的海域，有時一個航次就要跨越不同的季節(jié)區(qū)帶。因此，對于船舶動力裝置來說，環(huán)境條件是一個很大的變數(shù)，不同的環(huán)境參數(shù)將直接影響其工作性能[4,5]。對于民用核動力船舶，可以參考常規(guī)動力船舶及核潛艇的動力裝置環(huán)境參數(shù)的標準。

3.1 空氣溫度和相對濕度

民用核動力船舶對環(huán)境氣候條件的適應性可以參考《艦船通用規(guī)范 2組-推進系統(tǒng)（GJB4000-2000）》中艦船推進系統(tǒng)環(huán)境適應性的標準[6]。船舶推進系統(tǒng)應能在下列空氣溫度和相對濕度的環(huán)境條件下正?？煽康毓ぷ?。

1）對于水面艦船：汽輪機艙、鍋爐艙內(nèi)的最高空氣溫度為60℃；柴油機艙和燃氣輪機艙內(nèi)的最高空氣溫度為 55℃；其他艙室內(nèi)的最高空氣溫度為40℃；露天部位的最高空氣溫度為65℃；在冬季有保溫的主、輔機艙內(nèi)，最低空氣溫度為 5℃（當艙外空氣溫度為-12℃、海水溫度為0℃時)；艙外或非保溫艙室內(nèi)的最低空氣溫度為-28℃；空氣相對濕度為大于95%（有凝露）。

（3）在計算鋼纖維體積率中，需要按照試驗抗拆強度的要求按照相關(guān)規(guī)定進行計算，通常體積率取值范圍在1.0%～1.5%。

2）對于常規(guī)潛艇：柴油機艙、主推進電機艙、蓄電池艙內(nèi)的最高空氣溫度為45℃；其余艙室內(nèi)的最高空氣溫度為40℃；艙外露天部位的最高空氣溫度為65℃；主、輔機艙內(nèi)的最低空氣溫度為50℃，艙外露天部位的最低空氣溫度為-28℃；空氣相對濕度為大于95%（有凝露）。

3）對于核潛艇：反應堆艙內(nèi)的最高空氣溫度65℃；主機艙和輔機艙內(nèi)的最高空氣溫度60℃；柴油機艙內(nèi)的最高空氣溫度45℃；艙外部位的最高空氣溫度65℃；各機艙內(nèi)的最低空氣溫度為5℃；在濕熱環(huán)境下，主機艙、輔機艙和柴油機艙內(nèi)空氣溫度38℃；相對濕度為95%。

3.2 海水溫度

推進系統(tǒng)應能在最低海水溫度為-2℃，最高海水溫度為35℃的范圍內(nèi)正?？煽康毓ぷ鳌Ｍ瑫r，對于使用海水冷卻的設(shè)備，其進口海水溫度的選取也有一定要求，如表3所示。

表3 各種冷卻設(shè)備進口海水溫度

從表3中可以看出，核潛艇與各常規(guī)動力船舶相比，其冷卻設(shè)備需要溫度更低的冷卻水，因此對于民用核動力船舶推進系統(tǒng)，其環(huán)境參數(shù)標準可以參照核潛艇的標準制定。

3.3 海水含鹽量和鹽霧

船舶設(shè)備主要受到海洋大氣、海水飛沫、雨雪、沖洗甲板時所用的海水以及凝結(jié)水的侵蝕。其中海洋大氣中的高濃度鹽霧是造成設(shè)備腐蝕的一個重要因素。鹽霧對艦船水上設(shè)備的腐蝕直接影響了船舶的環(huán)境適應性、使用的可靠性和船體的壽命，以及船舶的海上生存能力。高鹽霧條件對設(shè)備主要造成以下影響：產(chǎn)生電化學腐蝕、加速應力腐蝕和鹽在水中電離后形成的酸/堿溶液的腐蝕影響；由于鹽沉積引起的電子裝備損壞、導電層產(chǎn)生等絕緣材料和金屬腐蝕的電氣影響；機械部件和組件的活動部分阻塞或粘結(jié)、由電解作用導致漆層起泡的影響[7,8]。

對于海水含鹽量和鹽霧的標準，可以參照《艦船環(huán)境條件要求-氣候環(huán)境（GJB1060.2-1991）》中的要求[9]。海水含鹽量的最高記錄為35kg/m3，其中氯化鈉為 27kg/m3。因此，對于暴露在水中的艦船設(shè)備，應能在含鹽量最高紀錄的海水環(huán)境中正常工作。對于露天部位的設(shè)備，應能在 5mg/m3的鹽霧環(huán)境中正常工作；艙室內(nèi)的設(shè)備，應能在 2mg/m3的鹽霧環(huán)境中正常工作。

4 結(jié)束語

通過對民用核動力船舶外部環(huán)境參數(shù)的研究及相關(guān)標準參數(shù)的分析，能為后期核動力船的工程實施提供一定的理論依據(jù)，主要分析結(jié)論如下：

2）傾斜和搖擺設(shè)計值可參照GJB對于船舶傾斜和搖擺設(shè)計值的規(guī)定以及《核商船安全規(guī)范（譯文）》中核動力裝置對于船舶搖擺性的工作要求。

3）核動力裝置的環(huán)境條件參數(shù)可參照GJB中對于空氣溫度、相對濕度、海水溫度以及海水含鹽量和鹽霧的標準，并對水面艦船和核潛艇的不同參數(shù)標準進行對比，找出更適合民用核動力船舶的安全嚴格的環(huán)境參數(shù)標準。

[1] GJB1060.1-1991, 中華人民共和國國家軍用標準艦船環(huán)境條件要求-機械環(huán)境[S]. 1991.

[2] GJB 4000-2000, 中華人民共和國國家軍用標準艦船通用規(guī)范0組-艦船總體與管理[S]. 2000.

[3] 核商船安全規(guī)范[S]. 1981.

[4] 李品芳, 蔡振雄. 環(huán)境條件對船舶主機運行的影響與管理對策[J]. 集美大學學報: 自然科學版, 2005, 10(1): 49-52.

[5] 施祝斌, 王琪. 航行環(huán)境對船舶主機運行參數(shù)的影響[J]. 上海海事大學學報, 2007, 28(2): 53-57.

[6] GJB4000-2000, 中華人民共和國國家軍用標準艦船通用規(guī)范2組-推進系統(tǒng)[S]. 2000.

[7] 董言治, 尉志蘋, 沈同圣, 等. 高鹽霧條件下艦船設(shè)備的腐蝕防護研究進展[J]. 現(xiàn)代涂料與涂裝, 2003(3): 35-36.

[8] 董言治, 周曉東, 沈同圣, 等. 艦船設(shè)備鹽霧防護及實驗技術(shù)研究進展[J]. 腐蝕科學與防護技術(shù), 2004,16(1): 29-32.

[9] GJB1060.2-1991, 中華人民共和國國家軍用標準艦船環(huán)境條件要求-氣候環(huán)境[S]. 1991.