葛 沛，劉燦波，徐宏偉，張 會(huì)

(南通中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

0 引言

北極航道潛在的巨大航運(yùn)、經(jīng)濟(jì)等價(jià)值使其受到越來(lái)越多航運(yùn)公司的青睞。北極航道比普通航線的通航情況要復(fù)雜得多，漂浮的海冰、風(fēng)、海流、高寒低溫、能見(jiàn)度差等惡劣環(huán)境條件都給極地航行帶來(lái)了較大的危險(xiǎn)性和不確定性。文獻(xiàn)[1]研究表明，極地船舶的破艙穩(wěn)性采用確定性方法，以極地多用途船為例，指出需要從提高空氣管頭高度、破損之前的初始初穩(wěn)性高度等方面提高破艙穩(wěn)性。徐義剛以一型PC3冰級(jí)的萬(wàn)噸級(jí)極地自破冰科學(xué)考察船為研究對(duì)象，重點(diǎn)討論了冰級(jí)、骨架型式及參數(shù)、艏部形狀等[2]對(duì)冰帶區(qū)域骨架系統(tǒng)規(guī)范設(shè)計(jì)的影響。閻曉麗[3]探討了極地多用途集裝箱船液艙及管系防凍設(shè)計(jì)技術(shù)。這些研究對(duì)極地航行船舶的穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、艙室和管路防凍方面的設(shè)計(jì)起到積極的推動(dòng)作用。本文以2萬(wàn)t極地多用途船為對(duì)象，深入研究了船體結(jié)構(gòu)、甲板機(jī)械防護(hù)、消防救生設(shè)備防護(hù)、通道防凍、居住區(qū)安全、航行安全及通信等方面開(kāi)展的安全措施。

1 船體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)

1.1 冰區(qū)加強(qiáng)范圍確定

首先根據(jù)船級(jí)社規(guī)范和芬蘭-瑞典冰級(jí)規(guī)則確定冰區(qū)船航行時(shí)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)范圍。規(guī)范通常將船體沿船長(zhǎng)方向分為艏部、艏部過(guò)渡區(qū)、舯部和艉部。各區(qū)域除艏部以外，按照吃水不同又分為冰帶區(qū)、冰帶以下區(qū)以及底部區(qū)。從艏部往艉部以及從冰帶區(qū)域往底部區(qū)域，強(qiáng)度要求逐漸減弱[4]。

1.2 外板骨架形式選擇

極地運(yùn)輸船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)分為兩部分：一部分為考慮局部結(jié)構(gòu)承受冰載荷作用時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，另一部分為考慮冰載荷和靜水載荷時(shí)船體梁的總縱強(qiáng)度。規(guī)范對(duì)冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)域的最小板厚、縱骨剪切面積和剖面模數(shù)都有要求，設(shè)計(jì)時(shí)須兼顧規(guī)范要求和施工要求，合理布置縱骨。本文利用挪威船級(jí)社(DNV)冰區(qū)船規(guī)范[4]中計(jì)算板厚的公式，比較了橫骨和縱骨架式兩種骨架型式下的外板板厚。在相同的骨材間距和設(shè)計(jì)壓頭高度下，橫骨架式所需的外板凈厚要小于縱骨架式所需的板厚，從而有利于減輕船體重量，同時(shí)減少分段合攏時(shí)的縱骨對(duì)接，有利于施工。以某2萬(wàn)t多用途船為例，傳統(tǒng)船舶舷側(cè)采用縱骨架式結(jié)構(gòu)，在雙舷側(cè)內(nèi)布置了兩道平臺(tái),見(jiàn)圖1(a)。極地運(yùn)輸船船舯外板結(jié)構(gòu)區(qū)域采用了橫骨架式，一直延伸到舭部。為了減小肋骨跨距，在肋骨中間布置了舷側(cè)縱桁，而且減小了肋骨尺寸，降低了空船重量。此外，在確定肋骨尺寸時(shí)，為了應(yīng)對(duì)海冰的碰撞和擠壓，采用大型T型材以增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，尤其是艏部區(qū)域。其結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1(b)。

1.3 總縱強(qiáng)度校核

極地運(yùn)輸船總縱強(qiáng)度設(shè)計(jì)需要綜合考慮冰區(qū)航行和非冰區(qū)航行兩種情形。在非冰區(qū)航道，船舶總縱彎矩及剪力需要考慮靜水載荷及波浪載荷；而在冰區(qū)航行時(shí)，波浪較小，則主要考慮靜水載荷及冰載荷影響。船體梁的總縱強(qiáng)度校核借助DNV開(kāi)發(fā)的Nauticus Hull規(guī)范計(jì)算軟件進(jìn)行。一般船體梁分段縫附近構(gòu)件尺寸沿船長(zhǎng)方向有明顯變化，剪力在分段縫處有突變，最有可能出現(xiàn)強(qiáng)度不滿足的情況。在進(jìn)行總縱強(qiáng)度校核時(shí)，需要對(duì)每個(gè)分段縫附近的截面進(jìn)行計(jì)算，以滿足規(guī)范要求。在軟件內(nèi)輸入板厚、材料、縱骨尺寸、彎矩和剪力等信息，對(duì)剖面的局部強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和剖面模數(shù)進(jìn)行校核，確保每個(gè)剖面擁有足夠的抗彎和抗剪切剛度。

圖1 傳統(tǒng)船舶與極地船骨架型式

1.4 材料選擇

極地船在低溫環(huán)境營(yíng)運(yùn)，船體材料必須具有耐低溫特性，對(duì)于暴露在空氣和海水中的船體結(jié)構(gòu)以及與之連接的構(gòu)件，采用的鋼材耐低溫等級(jí)根據(jù)冰區(qū)規(guī)范中其所在區(qū)域來(lái)選取。極地船各區(qū)域板厚及鋼材耐低溫等級(jí)與傳統(tǒng)船舶相比，板厚有明顯增加(對(duì)于2萬(wàn)t多用途船，冰帶區(qū)域平均增加5 mm)，而且在冰區(qū)加強(qiáng)范圍均采用高強(qiáng)鋼。

2 船舶設(shè)備及通道防護(hù)

由于極地低溫環(huán)境的影響，船舶設(shè)備及通道需要采取不同的措施進(jìn)行保護(hù)，以保證設(shè)備的正常操作運(yùn)行。

2.1 甲板機(jī)械防護(hù)

錨泊設(shè)備作為船舶最重要的設(shè)備之一，在防凍規(guī)則中有明確的要求：在極地低溫狀態(tài)下錨泊設(shè)備要能保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，要求錨絞機(jī)和止鏈器布置在室內(nèi)，以保證船員能在冰雪、大風(fēng)和飛濺的狀態(tài)下工作。對(duì)于錨絞機(jī)和止鏈器，露天的工作環(huán)境顯然不能滿足要求。低溫和風(fēng)雪不僅會(huì)將設(shè)備冰凍，也會(huì)使船員無(wú)法工作，因此需要采用遮蔽的結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，見(jiàn)圖2。用舷窗進(jìn)行封閉舷邊較大的開(kāi)口，較小的孔則用帆布覆蓋防止結(jié)冰，使錨絞機(jī)和止鏈器保持在可操作的狀態(tài)，也使船員有適宜的工作環(huán)境。錨泊設(shè)備的液壓控制系統(tǒng)，可以使用低溫用液壓油，確保在寒冷氣候下，液壓油的粘度較低，液壓系統(tǒng)能夠正常運(yùn)作。

錨和錨鏈設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖3。從圖3(a)看出，常規(guī)的錨唇設(shè)計(jì)顯然不能滿足極地航行的要求，海浪飛濺會(huì)在低溫狀態(tài)下凍結(jié)錨和錨鏈，使船舶無(wú)法進(jìn)行拋錨操作，而且浮冰也會(huì)對(duì)凸出船體外的錨造成沖擊破壞。因此，極地船采用圖3(b)錨穴設(shè)計(jì)形式。該形式不僅能保護(hù)錨不受到浮冰的沖擊，同時(shí)便于采用加熱設(shè)備從內(nèi)部對(duì)內(nèi)凹的鋼壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱，利用鋼壁的導(dǎo)熱性融化冰凍，使錨和錨鏈一直保持在無(wú)冰狀態(tài)，滿足極地航行的要求。

圖2 錨絞機(jī)和止鏈器保護(hù)布置

圖3 錨和錨鏈設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式

船艏纜機(jī)和錨絞機(jī)為一臺(tái)設(shè)備，纜機(jī)的防護(hù)結(jié)構(gòu)與錨絞機(jī)一同考慮，其防護(hù)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。船艉的纜機(jī)位于艙蓋高度甲板頂部以下，兩舷做成半封閉結(jié)構(gòu)，所以艉部纜機(jī)可以近似看成布置于半封閉的結(jié)構(gòu)圍壁內(nèi)。當(dāng)船舶航行于極地環(huán)境時(shí)，可以使用帆布將兩舷的結(jié)構(gòu)封閉，確保纜機(jī)不會(huì)被冰雪凍住，同時(shí)人員在操作時(shí)也可以免于暴露在冰雪、大風(fēng)、海水飛濺的環(huán)境下。船艉纜機(jī)布置見(jiàn)圖4。

2.2 消防設(shè)備保護(hù)

船舶配備的主要消防系統(tǒng)或設(shè)備有CO2滅火系統(tǒng)、甲板消防系統(tǒng)、水噴淋系統(tǒng)及便攜式滅火器。為確保航行于極地水域船舶消防系統(tǒng)或設(shè)備在惡劣環(huán)境或緊急情況下可用，防止極地環(huán)境對(duì)消防系統(tǒng)產(chǎn)生破壞性影響，其防護(hù)措施如下：

(1)CO2滅火系統(tǒng)屬于氣體消防系統(tǒng)。一般氣體釋放噴嘴布置于貨艙內(nèi)部。氣體釋放管部分位于寒冷區(qū)劃，部分位于室內(nèi)區(qū)劃。管路內(nèi)無(wú)液體存在，不會(huì)發(fā)生管路內(nèi)結(jié)冰的狀況，所以一般CO2滅火系統(tǒng)無(wú)需設(shè)置額外的保護(hù)措施。

圖4 船艉纜機(jī)布置

(2)甲板消防系統(tǒng)屬于液體消防系統(tǒng)，理論上本系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)置加熱措施來(lái)保證管路內(nèi)的液體不結(jié)冰，消防栓不被冰塊堵住。但舵機(jī)房和機(jī)艙的溫度高于5 ℃，布置其中的管路無(wú)需考慮防凍。甲板下通道、水手長(zhǎng)室、暴露區(qū)劃的溫度低于-2 ℃，但甲板消防系統(tǒng)在貫穿機(jī)艙前壁處已設(shè)置了隔離閥，而該閥門在航行于寒冷海域時(shí)常閉，即甲板下通道、水手長(zhǎng)室、暴露區(qū)劃的消防管內(nèi)無(wú)液體。同時(shí)在消防管路最低點(diǎn)設(shè)置放殘閥門。因此，對(duì)于甲板消防系統(tǒng)，僅需提供消防栓的保護(hù)罩。

(3)水噴淋系統(tǒng)屬于液體消防系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用甲板消防系統(tǒng)來(lái)供水，控制閥門布置于室外。當(dāng)船員使用時(shí)，僅需打開(kāi)消防泵、消防管線隔離閥、水噴淋控制閥門即可。使用完畢后，可以利用消防管線的放殘管，將管路中的液體放出即可，從而無(wú)需設(shè)置額外的防凍保護(hù)措施。

(4)便攜式滅火器主要布置于居住區(qū)、機(jī)艙及其他室內(nèi)區(qū)劃。低溫并不會(huì)對(duì)滅火器造成影響，無(wú)需額外設(shè)置保護(hù)措施。

2.3 救生設(shè)備防護(hù)

為保證救生設(shè)備在低溫情況下不被外部環(huán)境損壞，船員能夠在設(shè)計(jì)環(huán)境溫度下釋放、操作救生設(shè)備并安全撤離，對(duì)于救生設(shè)備(包括救生艇和救生筏)所在的處所及撤離通道需要采用船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行遮蔽，即將所有的救生設(shè)備保護(hù)在半遮蔽的室內(nèi)，而對(duì)于救生設(shè)備釋放所要求的開(kāi)口，則采用帆布罩進(jìn)行保護(hù)。將救生設(shè)備所處區(qū)域與外部寒冷環(huán)境隔離，一方面能夠防止外部海水飛濺和水汽進(jìn)入而造成結(jié)冰，另一方面防止空氣流通形成室內(nèi)低溫而對(duì)救生設(shè)備的功能造成影響。同時(shí)通過(guò)加熱器對(duì)整個(gè)空間進(jìn)行加熱，使救生設(shè)備所處空間一直保持在適宜的溫度，保證救生設(shè)備的功能和可靠性，也為船員集結(jié)和撤離提供安全的環(huán)境。

2.4 通道防凍布置

船上的通道有：從居住區(qū)至錨絞機(jī)操作區(qū)域的通道、逃生通道、登輪點(diǎn)至救生設(shè)備的通道、集結(jié)站等。對(duì)于極地航行船舶，由于外界氣溫極低，通道表面如不設(shè)置防凍對(duì)策，極有可能被冰雪覆蓋，從而影響人員通行。

錨絞機(jī)通常布置于船的艏艉。為確保船員能夠安全到達(dá)錨絞機(jī)操作區(qū)域，需要對(duì)通道設(shè)備操作區(qū)域的通道設(shè)置防凍措施，即對(duì)居住區(qū)至操作區(qū)域的室外通道進(jìn)行加熱以保證寬度為700 mm的無(wú)冰通道，加熱通道的表面溫度為+3 ℃。

對(duì)于逃生通道，部分位于暴露區(qū)劃，有可能被冰雪覆蓋，需要采取加熱等防凍對(duì)策，確保通道表面無(wú)冰，以便人員能安全并迅速地撤離。

極地船的集結(jié)站，需要布置在室內(nèi)區(qū)劃。集結(jié)站可布置在居住區(qū)甲板的兩翼，靠近救生艇，并配備應(yīng)急照明和廣播。提供半封閉的船體結(jié)構(gòu)，開(kāi)口部分用加熱帆布罩封閉，可以看成封閉的結(jié)構(gòu)，這樣不必布置額外的防凍措施。

3 居住安全措施

居住區(qū)是人員居住的環(huán)境。由于船舶航行在極地環(huán)境，外界的環(huán)境溫度極低，保障船員的居住環(huán)境溫度的舒適顯得尤為重要。根據(jù)DNV Winterization Cold船級(jí)符號(hào)要求，在設(shè)計(jì)環(huán)境溫度下，居住區(qū)區(qū)域需要達(dá)到確保船上人員安全健康的溫度(至少+18 ℃)。極地船在計(jì)算居住區(qū)室溫時(shí)，設(shè)計(jì)環(huán)境溫度為-45 ℃，室內(nèi)溫度為+18 ℃，室內(nèi)外溫差達(dá)到63 ℃。而船只航行于普通海域時(shí)，室外環(huán)境溫度為-20 ℃，室內(nèi)溫度為22 ℃，室內(nèi)外溫差為44 ℃，采用的是一級(jí)蒸汽加熱。由于溫差太大，如果依照常規(guī)設(shè)計(jì)，采用一級(jí)溫度加熱，不能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，可考慮采用預(yù)加熱和再加熱兩次蒸汽加熱的方式。經(jīng)過(guò)比較分析，先通過(guò)預(yù)加熱器將新風(fēng)溫度從-45 ℃加熱到-15 ℃，與回風(fēng)混合成-2 ℃的混合空氣，再通過(guò)再加熱器將-2 ℃的混合空氣加熱到38 ℃，經(jīng)過(guò)風(fēng)管供應(yīng)到各房間，以使各房間的溫度達(dá)到規(guī)范要求的18 ℃。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合廠家標(biāo)準(zhǔn)以及空間布置的限制，與常規(guī)船相比，某極地多用途船的中央空調(diào)蒸汽消耗量增加208%，壓縮機(jī)電機(jī)功率增加14%，風(fēng)機(jī)電機(jī)功率增加62%。而空調(diào)吸風(fēng)口采用了電加熱裝置，以保證在極地環(huán)境下寒冷潮濕的空氣無(wú)阻礙吸入中央空調(diào)。

4 航行安全

極地航行安全主要考慮航行設(shè)備的配置、性能滿足低溫和高緯度的環(huán)境?；谝陨峡紤]及Polar Code和DNV Winterization規(guī)則中要求，航行設(shè)備進(jìn)行特殊配置及考慮。

(1)配備冰情信息接收和顯示設(shè)備，以接收最新的冰情信息；測(cè)深儀配置2個(gè)獨(dú)立探頭；配置手動(dòng)紅色閃光燈，視距至少2 n mile。

(2)雷達(dá)天線配加熱器，以保證天線旋轉(zhuǎn)不受冰雪影響；DGPS/AIS等圓形(或棒狀)天線提供機(jī)械保護(hù)防止被雪覆蓋；室外布置緊急無(wú)線電示位標(biāo)時(shí)考慮除冰措施；配置電笛以代替原汽笛；船艏配置探照燈以搜尋浮冰，駕駛室可對(duì)探照燈進(jìn)行遙控；駕駛室前方窗戶玻璃提供加熱，以保證雨刮器正常工作且保持不結(jié)冰。

(3)航行于高緯度環(huán)境時(shí)，常規(guī)的陀螺儀式電羅經(jīng)無(wú)法滿足要求，需要配置2套光纖羅經(jīng)。

5 通信

極地航行的通信主要考慮低溫環(huán)境對(duì)無(wú)線電、衛(wèi)星等通訊設(shè)備的性能影響。極地屬于SOLAS公約定義的A4海域，因此需要考慮A4海域?qū)νㄓ嵲O(shè)備的特殊要求。為適應(yīng)極地低溫環(huán)境，需對(duì)通訊設(shè)備進(jìn)行特殊配置如下：

(1)氣象傳真機(jī)/無(wú)線甚高頻電話/海上安全信息播發(fā)系統(tǒng)(NAVTEX)天線配置帶加熱的天線罩；INM-C/INM-FBB等圓形(或棒狀)天線提供機(jī)械保護(hù)防止被雪覆蓋。

(2)在A4海域航行，需要額外增加1套中高頻通訊(MF/HF)窄帶直接印字電報(bào)(NBDP)和1套銥星(IRIDIUM)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)船舶遠(yuǎn)程識(shí)別和跟蹤(LRIT)功能。

6 結(jié)論

本文介紹了極地航行船船體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)、甲板機(jī)械防護(hù)、消防救生設(shè)備防護(hù)、通道防凍、居住區(qū)安全、航行安全及通信方面的安全設(shè)計(jì)措施，以排除極地惡劣環(huán)境對(duì)航行船舶帶來(lái)的安全隱患，保證極地船安全航行。可以得出以下結(jié)論：

(1)船體結(jié)構(gòu)需要在冰帶范圍內(nèi)進(jìn)行加強(qiáng)，舷側(cè)外板采用橫骨架式能有效降低外板凈厚度，從而減輕空船重量?？偪v強(qiáng)度設(shè)計(jì)需要綜合考慮冰區(qū)和非冰區(qū)兩種情形，并取兩種情況的最大值。

(2)甲板機(jī)械需要布置在室內(nèi)或用遮蔽的結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，以保證船員能在極地冰雪、大風(fēng)和飛濺的環(huán)境狀態(tài)下工作的安全。

(3)CO2滅火系統(tǒng)無(wú)需設(shè)置額外的防護(hù)措施，甲板消防管路最低點(diǎn)設(shè)置放殘閥門，消防栓提供必要的保護(hù)罩。

(4)對(duì)于救生設(shè)備所在的處所及撤離通道需要采用船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行遮蔽，將救生設(shè)備保護(hù)在半遮蔽的室內(nèi)。而對(duì)于救生設(shè)備釋放所要求的開(kāi)口，則采用帆布罩進(jìn)行保護(hù)。

(5)通往設(shè)備操作區(qū)域的通道、逃生通道提供加熱等防凍對(duì)策。集結(jié)站布置在室內(nèi)區(qū)劃，保證人員安全通行。

(6)居住區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)，由于外界環(huán)境溫度極低，為確保船上人員安全健康的溫度，可考慮采用預(yù)加熱和再加熱兩次蒸汽加熱的方式。

(7)配備冰情信息接收和顯示設(shè)備，接收最新的冰情。天線要配加熱器或機(jī)械保護(hù)裝置，保證天線正常工作。船首配置探照燈以搜尋浮冰。駕駛室前方窗戶玻璃提供加熱功能，通導(dǎo)系統(tǒng)額外配置2套光纖羅經(jīng)。