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摘要：本文主要针对航行在极地低温条件下的破冰型船舶，研究介绍冰区海底门布置要求、防止冰冻措施、俄罗斯船级社和BV船级社规范要求等相关设计要点。
关键词：极地低温条件；冰区海底门设计
1 引言
机舱海底门的功能是使冷却海水进入机舱海水冷却系统，海底门作为联通机舱系统和外界海洋环境的门户，需考虑海水进入形式、防止海洋生物堆积堵塞、清洁和检查要求等方面的问题，而对于冰区海底门，则需要额外考虑足够的容积，充足的进水面积，阻止碎冰吸入海水系统，海底门内融冰等特殊措施，本文将针对上述问题，以满足俄罗斯船级社和BV船级社规范要求为基础，研究介绍适用于北极航行的冰区海底门设计要求。
2 船舶冰区海底门设计要求
2.1 极地情况简介
极地地区包括南极和北极是地球最寒冷区域，常年冰雪覆盖、气候恶劣而沉寂。近年来，随着全球气候变暖，北极海冰加速融化，海冰覆盖范围逐渐缩小，夏季出现可常规通航开敞水域，北极航道比传统的亚欧和亚美航线缩短40%左右的航程，其航运利益引人注目。另一方面，北极地区蕴含着丰富油气和矿产资源，北极正迎来自然资源开发的时代，因此极地地区航运业务将会进一步增长，而极地航行船舶面临的主要问题即是破冰性能及各个系统在低温条件下的防冰冻设计。
2.2 机舱冰区海底门布置及容量要求
机舱冰区海底门的主要功能是提供机舱推进设备运行冷却所需的海水，因此冰区海底门的容积主要需满足推进设备的功率要求，对于冰区海底门容积，俄罗斯船级社和BV船级社规范均给出了明确的要求，两个船级社的要求统一为每750KW的推进功率需1立方米的冰区海底门，此外，俄罗斯船级社要求对于满足PC1至PC5冰级的船舶，至少需配有两个冰区海底门（每个海底门容积都需满足上述功率要求），而PC6和PC7冰级的船舶则至少有1个冰区海底门布置在靠近中心线的位置。
除了上述容量要求，俄罗斯船级社规范还规定冰区海底门需在顶部布置人孔盖，而人孔盖的高度需高于最深吃水的水线，因此可以理解为冰区海底门顶部需高于船舶最深吃水，所以，冰区海底门的尺寸和容积远远大于常规船舶的海底门，尤其是高度上的尺寸是非常可观的。
2.3 机舱冰区海底门进水格栅设计要求
俄罗斯规范中对冰区海底门的要求是在舷侧设置格栅或在外板上开孔，进水格栅的总面积为海水总管的5倍（此要求BV船级社为4倍），较大的格栅开孔面积要求是为了降低海水流经格栅的流速，较低流速可以降低随水流进入海底门的碎冰数量。比较常规船2倍左右的格栅面积要求（不同船级社要求不同），冰区海底门格栅面积更大，而且考虑到防止碎冰撞击的强度问题，常规船型的铰链式格栅并不适用于冰区海底门，目前冰区海底门以直接在外板上开格栅孔的设计为主，根据俄罗斯规范要求，开孔的直径或宽度不能小于20mm，常规海底门和冰区海底门格栅对比示意请见图2-1.
图2-1 常规海底门和冰区海底门格栅对比
冰区海底门格栅与常规海底门格栅一样，需要设置蒸汽和压缩空气吹洗管路以防堵塞，而冰区海底门多组外板开孔的形式也决定了海底门内需设置多路吹洗管以确保每组格栅都有一个喷头吹洗。根据BV规范要求，海底门的结构强度试验压力不小于吹洗的蒸汽和压缩空气压力，因此一般选择4bar的压缩空气和蒸汽进行吹洗。
2.4 机舱冰区海底门防冰设计
冰区海底门的防冰设计包括两个方面，一是海底门内的布置和结构应有效防止外界碎冰被直接吸入机舱海水系统，二是融解并防止海底门内结冰。俄罗斯船级社规范中对两方面的措施都有所涉及。根据规范要求，冰区海底门需设置有效隔离冰的结构，此要求一般体现在海底门格栅进口和海水总管之间需设置挡冰板结构，挡冰板的作用是使水流从外界进入后向上流动再向下流动进入海水总管，从而防止由格栅进入的碎冰直接进入海水总管。除此之外，俄罗斯规范还明确要求加热后的海水回到冰区海底门，而且回到海底门的管路截面积不小于排出舷外的海水管路面积，加热海水回到冰区海底门可分成两路，较小的一路回水管设置在海底门上部冰线位置附近，用以融化冰层。较大一路回水管则直接回到海水总管进口附近，用以提高进入海水总管的海水温度，而且可以融化可能存在的碎冰。挡冰板和加热海水循环相互配合，基本可以达到防止碎冰进入机舱海水系统的功能。
目前一般在海水系统中加热后海水管路上设置三通温控阀连接排舷外的管路和回海底门管路，根据海水进口的温度来自动调节加热后的海水排出舷外或进入冰区海底门循环。
俄罗斯北极水域航行要求的示意图如下：
注：1-热的海水回注；2-海水吸入；3-挡冰板使水流变向；
4-碎冰集聚区；5-多孔管用于热的海水回注
2.5 机舱冰区海底门防海生物装置及牺牲阳极设计
机舱冰区海底门与常规海底门一样需设置牺牲阳极，用以对海底门结构进行保护，由于冰区海底门较大的尺寸，牺牲阳极的数量较常规海底门更多，具体数量需根据计算确定。冰区海底门同样需安装防海生物装置，但是由于冰区海底门顶部高度需高于最深吃水线，因此常规船舶海底门将防海生物的铜棒和铝棒安装在柜顶的方式完全不可行，而如果横向插入海底门，则存在铜棒和铝棒加强固定的问题，且需考虑棒体直径减少的情况下，横向加强不受力的情况。为解决上述问题，较好的设计方案是将防海生物装置安装在海水总管的滤器上，此设计可以有效的解决上述问题，而且防海生物装置的拆检更换更加方便。
2.6 机舱冰区海底门其余附件和内部通道设计
除上述的附件外，机舱冰区海底门还需设计透气管，透气管的通径应尽量大以保证良好的透气效果，透气管需设置截止阀，阀件需直接安装在海底门上。用于清洗格栅的蒸汽和压缩空气也需设置截止止回阀，海水总管的进口阀也需直接安装在海底门上，实际上通过一段加厚短管与海底门连接，海水总管进口阀需具有遥控操作功能，其应该可以在机舱浸水计算要求的高度以上进行操作。
机舱冰区海底门需要在顶部设置人孔盖，考虑到冰区海底门较高的高度，相对于常规海底门，冰区海底门需设置从顶部到底部的通道，通道设计以连续的直梯、踏步为主，由于冰区海底门直接与外界环境联通，因此需考虑此部分铁舾件的耐低温性能。
3 结论
本文针对极地航行的环境特点，对俄罗斯规范和BV规范冰区海底门设计要求进行分析研究，明确了机舱冰区海底门容积及布置要求、防冰冻设计、附件和通道设计等相关内容。
论文作者:庄雪婷
论文发表刊物:《防护工程》2017年第16期
论文发表时间:2017/10/23
标签：海底论文; 海水论文; 机舱论文; 格栅论文; 俄罗斯论文; 总管论文; 北极论文; 《防护工程》2017年第16期论文;