余 麗，郭文勇，潘興隆，陳漢濤

（海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

0 引言

全球氣候變暖，位于格陵蘭島和加拿大北極群島以北的“最后一個冰區(qū)”——北極海冰融化的速度比預(yù)期的更快?？茖W(xué)家預(yù)測到2035 年北極夏季海冰將完全消失[1]。北極航道的商業(yè)價值日益凸顯，越來越多的航運(yùn)公司開始試水北極航道。作為擔(dān)負(fù)開辟航道、運(yùn)輸物資及科研考察等任務(wù)的極地船舶，在開拓北極航道和發(fā)展北極經(jīng)濟(jì)圈中扮演著重要角色。

朱英富等[2]從極地船舶總體關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)綜述了極地船舶核心關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)研究現(xiàn)狀及進(jìn)展。于立偉等[3]得出極地裝備的發(fā)展依賴于若干關(guān)鍵技術(shù)的突破與進(jìn)步，以及材料和能源等共性關(guān)鍵技術(shù)的突破的結(jié)論。師桂杰等[4]對比分析國內(nèi)外極地船舶現(xiàn)狀，評估極地船舶總體能力，提出我國極地船舶發(fā)展建議。王紅濤[5]等介紹了極寒環(huán)境下船舶用低溫鋼的發(fā)展情況。極地航行船舶涉及的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)主要有破冰技術(shù)、防冰除冰技術(shù)、加熱技術(shù)以及耐低溫技術(shù)等，以下做詳細(xì)分析。

1 破冰技術(shù)

1.1 破冰船型的改進(jìn)

19 世紀(jì)30-40 年代為了打破冰蓋，船體做成“勺形”，采用蒸汽推進(jìn)裝置。到19 世紀(jì)末20 世紀(jì)初，船頭做成比勺形更尖銳，船頭和船尾各有兩個壓載水艙，并安裝艏螺旋槳，以提高機(jī)動性和降低冰阻。之后，在破冰船中首次采用了三個四葉艉螺旋槳來保證推進(jìn)裝置的可靠性。第一次世界大戰(zhàn)后，柴油發(fā)電機(jī)成為破冰船的主要動力源。第二次世界大戰(zhàn)后的破冰船上首次安裝了兩個艉推進(jìn)器和兩個艏推進(jìn)器，并將船頭輪廓設(shè)計(jì)為典尖銳型。在此期間，芬蘭建造了“莫斯科”級破冰船，并增加了推進(jìn)裝置的功率，配備了三軸柴油電力推進(jìn)裝置和艉螺旋槳。

20 世紀(jì)70～90 年代，破冰船在更多的國家蓬勃發(fā)展。美國建造了兩艘“北極星”破冰船，其聯(lián)合動力裝置由柴油機(jī)-電力裝置和燃?xì)廨啓C(jī)裝置組成[6]。加拿大建造了專門的破冰船“Canmar Kigoriak”號，如圖1 所示。

圖1 破冰船“Canmar Kigoriak”號

1.2 現(xiàn)代破冰發(fā)展趨勢

20 世紀(jì)90 年代，蘇聯(lián)設(shè)計(jì)出一種新型推進(jìn)裝置——吊艙回轉(zhuǎn)推進(jìn)器（圖2 所示），它可以前后雙向運(yùn)行，舵裝置用于轉(zhuǎn)向時，方位推進(jìn)器吊艙立即改變。吊艙推進(jìn)器懸掛在船體下，裝有馬達(dá)和螺旋槳，每個吊艙能夠360°旋轉(zhuǎn)，以提供任一方向的推力，使得行船更具可操作性。

圖2 吊艙回轉(zhuǎn)推進(jìn)器

芬蘭“阿克北極”為不對稱破冰（圖3 所示）船，船體輪廓不是傳統(tǒng)對稱型，配備三個方位推進(jìn)器，以確保計(jì)程儀的運(yùn)行，為行船鋪開一條寬闊通道。還有雙作用可逆式船舶，如圖4 所示，螺旋槳朝后并破冰，在尾部有破冰船首和回轉(zhuǎn)吊艙，前部有規(guī)則的穿浪船首，可以在無冰區(qū)有效地向前行駛，而不會產(chǎn)生專用破冰船的橫搖效應(yīng)，當(dāng)需要沖破海冰時，可以先掉頭利用船尾破冰，而不影響正常作業(yè)。

圖3 不對稱破冰船“Baltika”號

圖4 雙向作用船舶

2012 年，俄羅斯開始提出激光破冰，并啟動激光破冰計(jì)劃[7]。激光破冰技術(shù)利用高能激光器切開厚冰層，以開辟航道。激光系統(tǒng)于2017 年底在阿爾漢格爾斯克地區(qū)進(jìn)行試點(diǎn)測試。激光裝置的應(yīng)用將降低破冰船的冰級，節(jié)約制造成本，而不影響破冰能力。

現(xiàn)代破冰船多被設(shè)計(jì)成多用途型，改進(jìn)船體輪廓、推進(jìn)系統(tǒng)、安裝可旋轉(zhuǎn)吊艙和開發(fā)新的技術(shù)方案，旨在提高破冰船的操作性能，打造多用途破冰船，能夠長時間冰上作業(yè)。

傳統(tǒng)破冰方式如連續(xù)式和沖撞式等已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代破冰需求，新型的雙向作用破冰、斜向破冰以及激光破冰已日趨取代傳統(tǒng)方式，隨著對北極科研探索的需求不斷推進(jìn)，新型多用途、集成化破冰方式將不斷涌現(xiàn)。

2 除冰防冰技術(shù)

船舶結(jié)冰是由海浪的水飛濺或海霧從空氣中沉積而形成，海水飛濺形成的冰具有較高的密度和較大的附著力。由于結(jié)冰，船舶的排水量、船重心和平穩(wěn)度、橫傾和縱傾發(fā)生了變化，這對在航行中的船舶非常危險。

針對船舶系統(tǒng)、露天設(shè)備和艙室環(huán)境需要進(jìn)行專門的除冰防冰設(shè)計(jì)[8]。該裝置通常有兩種，分別是除冰（de-icing）系統(tǒng)和防冰（anti-icing）系統(tǒng)。前者是被動去除，后者是主動防御，也即被動法和主動法。

2.1 除冰技術(shù)

（1）機(jī)械除冰

機(jī)械除冰是最原始、最常見的一種方法，通過各種手動器械使冰層脫離船體表面。除了手工工具還有電動和氣動工具、蒸汽、熱水、加壓水等。這種方法能耗低，但效率也低，還可能對機(jī)械部件造成損壞，只在不影響設(shè)備操作的區(qū)域作為配合方法使用。

（2）石墨基加熱除冰

“石墨基加熱元件”是一種很有發(fā)展前途的表面除冰方法，它的加熱和冷卻都很快。很小的石墨塊能迅速被加熱，使得其上的冰分離并通過氣流離開結(jié)構(gòu)表面，而不會融化。

（3）微波加熱除冰

大部分材料在微波作用下，都會吸收微波能，產(chǎn)生熱量[9]。材料吸收微波后溫度升高，融化與船體結(jié)合處的冰層，再結(jié)合機(jī)械或人力進(jìn)行除冰，大大提高除冰效率，在船舶領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

（4）超聲波除冰

超聲波技術(shù)利用聲波在材料中產(chǎn)生應(yīng)力場，使兩種材料界面處超過臨界應(yīng)力而脫落。該技術(shù)具有成本低、設(shè)備保護(hù)效果好、環(huán)保等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用在機(jī)身防冰、汽車擋風(fēng)玻璃防冰、海船積冰保護(hù)和從海船上清除海洋生物，具有成本低、設(shè)備保護(hù)好、環(huán)境友好等特點(diǎn)。

（5）形狀記憶合金除冰

形狀記憶合金（SMA）受到適當(dāng)?shù)臏囟茸兓瘯r，能夠改變形狀，即具有形狀記憶效應(yīng)[10]。隨著記憶合金技術(shù)的成熟，美國研制出鎳鈦合金，通過熱膨脹增大到除冰所需的變形后再返回原來的形狀。

在除冰系統(tǒng)中，都需要額外的監(jiān)測人員來監(jiān)測設(shè)備的性能和安全。因此，防凍系統(tǒng)更受青睞，其本質(zhì)是在冰和受保護(hù)表面之間形成一個特殊物質(zhì)的中間層，降低冰和雪的附著力，防止結(jié)冰。

2.2 防冰技術(shù)

防冰技術(shù)通常指使用熱量或化學(xué)品來防止結(jié)冰。

（1）冰芯（Ice wick）

Ice wick 是一種用于防冰防滑格柵，如圖5 所示，冰芯表面由堅(jiān)固的格柵或瓷磚基質(zhì)組成，利用多孔材料的芯吸作用，將防凍液從位于下方的儲層吸至易結(jié)冰表面，常用于人行道、樓梯、船舶甲板等區(qū)域。

圖5 冰芯

（2）電脈沖防冰系統(tǒng)（EPIPS）

EPIPS 是一種基于加速度的裝置，如圖6 所示，用于船舶和飛機(jī)的防冰保護(hù)，該系統(tǒng)為金屬和復(fù)合材料應(yīng)用提供了一種有效的低功耗解決方案。

圖6 電脈沖防冰系統(tǒng)

（3）涂層

為了保護(hù)船體結(jié)構(gòu)采用含有表面活性劑的潤滑脂防止結(jié)冰的涂層。超疏水涂層、彈性體涂層、有機(jī)膠涂層等對賦予抗冰性能是有效的，增加表面水滴的凍結(jié)時間，降低冰的附著力，具有低冰附著力和高抗凍性。2019年美國休斯頓大學(xué)研究人員開發(fā)出一種硅聚合物涂層的防冰新材料，它能夠在任何物體表面防止結(jié)冰。

防凍技術(shù)還有氣流牽引式循環(huán)升溫防凍[11]、機(jī)械振動共振系統(tǒng)防凍、感應(yīng)沖擊系統(tǒng)防凍和超高頻加熱系統(tǒng)防凍等。隨著新材料、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，防冰技術(shù)也在不斷更新。

比較而言，除冰方法中機(jī)械除冰方法方便、快捷，但能耗較大，且存在二次結(jié)冰的風(fēng)險；石墨基加熱、微波加熱以及超聲波除冰能耗低、除冰快，但適用環(huán)境受限；形狀記憶合金除冰效果好、無污染，但成本較高。而防冰方法主要依靠熱能和化學(xué)品主動防御結(jié)冰，環(huán)境適應(yīng)性好，應(yīng)用前景佳?？傊?，針對極地船舶裝備，應(yīng)根據(jù)實(shí)際場合、揚(yáng)長避短各方法的優(yōu)缺點(diǎn)，合理選擇不同的防冰和除冰方法。

3 加熱技術(shù)

船舶在極地航行時，可能會因低溫導(dǎo)致動力系統(tǒng)、消防系統(tǒng)失效的高危風(fēng)險，為此需要應(yīng)用極地冰區(qū)船舶加熱技術(shù)，使兩剝充的設(shè)備的強(qiáng)度、靈敏度、可用度恢復(fù)到正常使用范圍內(nèi)，這對極地冰區(qū)船舶的生命力具有重要意義[12]。

（1）蒸汽加熱

蒸汽系統(tǒng)通過主鍋爐、輔助鍋爐及回收鍋爐輸送飽和低壓蒸汽，進(jìn)入供暖系統(tǒng)，經(jīng)過加熱裝置，將蒸汽形成的熱量傳遞給所需空間。蒸汽鍋爐中產(chǎn)生的干燥飽和蒸汽溫度為120 ～130 ℃，壓力為0.3 MPa。目前已研制出小型冷凝鍋，為提高系統(tǒng)效率，可安裝在每臺加熱器后面的出口處。

（2）水加熱

水加熱系統(tǒng)的主要設(shè)備包括熱水鍋爐、管道、加熱器、循環(huán)泵和膨脹罐。水加熱系統(tǒng)不需要分離器、減壓閥、冷凝鍋和安全閥，但膨脹罐需安裝在最高點(diǎn)。水加熱系統(tǒng)中的熱水溫度為80 ～95 ℃，通過循環(huán)泵將水加熱到該溫度或由于加熱裝置通過前后的密度差異，在系統(tǒng)中循環(huán)。

（3）空氣加熱

通過船舶通風(fēng)系統(tǒng)將空氣加熱至約40 ℃，可以用空氣加熱代替蒸汽和水加熱系統(tǒng)。在寒冷的時候，系統(tǒng)用于加熱和通風(fēng)，而在溫暖的時候，系統(tǒng)只用于通風(fēng)和冷卻。將通風(fēng)和供暖結(jié)合在一個系統(tǒng)中，可以在很大程度上改變室內(nèi)溫度。

（4）電加熱

電加熱主要用于需要保持恒溫和濕度的房間（駕駛室、轉(zhuǎn)向室、無線電室、陀螺羅盤室等）。盡管經(jīng)濟(jì)性低，但電加熱由于其簡單和衛(wèi)生性而得到了越來越多的應(yīng)用。為了獲得大量的熱量，加熱器引入鎳鉻電阻，通常安裝在艙壁或吊桿上以節(jié)省空間。

電加熱系統(tǒng)裝置簡單，一些新型極地船加熱系統(tǒng)主要采用電加熱，如電伴熱系統(tǒng)、油水艙透氣帽電加熱系統(tǒng)、艙室加熱系統(tǒng)、室外設(shè)備加熱系統(tǒng)、以及天線加熱系統(tǒng)[13-14]等，這也反映出電加熱應(yīng)用非常普遍和適用。

四種加熱方式中，蒸汽加熱系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是簡單，重量相對較小，但由于蒸汽壓力高，需通過減壓閥降低壓力，常用于小型船舶上。與蒸汽加熱相比，水加熱的優(yōu)點(diǎn)有耐用性和衛(wèi)生性好、工作噪音低、冷卻劑壓力低，裝置簡單。但該系統(tǒng)由于水溫度低，在管道中移動緩慢，加熱速度慢?？諝饧訜嵯到y(tǒng)比蒸汽和水加熱系統(tǒng)更簡單。水、蒸汽和空氣供暖系統(tǒng)用于在寒冷的季節(jié)保持船舶室內(nèi)一定的正溫度。電加熱主要用于需要保持恒溫和濕度?，F(xiàn)代船舶中經(jīng)常采用以上四種加熱方式來供暖。

4 耐低溫技術(shù)

極地環(huán)境下服役的船舶越來越多，北極作為一個具有特殊氣候條件的經(jīng)濟(jì)區(qū)，發(fā)展勢頭正在逐步增強(qiáng)。船舶結(jié)構(gòu)在極地低溫環(huán)境下，隨著承載加大，發(fā)生脆斷的幾率大大增加。IMO 規(guī)則明確提出了極地船舶必須采用適應(yīng)極地環(huán)境的結(jié)構(gòu)材料及建造工藝，以防止發(fā)生因脆性斷裂而導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)失效的事故[15]。具有厚尺寸、優(yōu)異低溫沖擊韌性和易焊性能的高可靠度耐寒材料是極地冰區(qū)環(huán)境下船舶安全航行的基本保障。耐低溫技術(shù)的應(yīng)用主要取決于耐低溫材料的研制和開發(fā)應(yīng)用。

蘇聯(lián)早在20 世紀(jì)50 年代，研發(fā)并應(yīng)用AK-25 鋼作為建造核潛艇和核動力破冰船“列寧”號的船體[16]；到70 年代，結(jié)合ESP 技術(shù)，船體用結(jié)構(gòu)鋼屈強(qiáng)度達(dá)620 MPa。近年來，屈強(qiáng)度為355 ～750 MPa 的耐寒材料已研發(fā)出來，保證了在極低的溫度下一定的厚度內(nèi)不發(fā)生脆性破裂。2000—2009 年，造船用耐寒鋼板的究制取得了重大進(jìn)展，已經(jīng)用于建造世界上最大的核動力破冰船“北極”號、“西伯利亞”號和“烏拉爾”號。

美國船用低溫鋼主要以海軍用HY-80、EN36-060及HSLA 系列鋼為主。但是HY 系列鋼的混合金屬含量高，導(dǎo)致可焊接性差，船舶建造成本過高，限制了其應(yīng)用。日本結(jié)合TMCP 技術(shù)開發(fā)出EH36-060 極地用鋼，且含碳量低，易于大線能焊接；韓國采用KR 規(guī)范的RE36鋼，船首底部采用了RE36（EH36）鋼板科考破冰船“Araon”號，并研制出FH32、FH36 兩種極地低溫鋼；芬蘭Arctech 公司建造的多功能破冰船使用了EH500 鋼板，突破了民用船舶用鋼實(shí)際工程應(yīng)用最高強(qiáng)度級別。

我國鋼鐵裝備技術(shù)整體上有了較大提升，國產(chǎn)船舶用鋼可以滿足國內(nèi)絕大部分船舶建造的需求，并且已實(shí)現(xiàn)船舶用鋼的大量出口，具備生產(chǎn)優(yōu)異低溫韌性超高強(qiáng)E 級和F 級船舶用鋼的能力。國產(chǎn)特種低溫鋼已用于“雪龍”號內(nèi)部改造，實(shí)現(xiàn)了極地特種低溫鋼國產(chǎn)化的突破；最新自主建造的極地科考船“雪龍2”號也局部采用了國產(chǎn)鋼，為我國邁向極地提供強(qiáng)大支撐。

隨著對北極能源開發(fā)的積極性提高，各國都加強(qiáng)了極地低溫鋼的研究，目的是為能源開采和運(yùn)輸開發(fā)更安全和經(jīng)濟(jì)的極地低溫材料及其制造、加工技術(shù)，評估極地環(huán)境對材料性能的影響并建立極地低溫環(huán)境下材料的斷裂安全評價準(zhǔn)則。

5 結(jié)語

極地航行船舶制造的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)是制造船體的材料研發(fā)，船舶航行的破冰技術(shù)、防冰除冰技術(shù)、加熱技術(shù)和耐低溫技術(shù)也是重要研究的技術(shù)。其中，破冰技術(shù)主要從破冰船改進(jìn)和破冰方式進(jìn)行；防寒技術(shù)主要從防冰和除冰兩個系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)；加熱技術(shù)主要有蒸汽、水熱傳導(dǎo)、空氣熱傳導(dǎo)和電加熱四種。希望通過歸納和總結(jié)，能更全面深入地研究極地航行船舶的新技術(shù)。