李 宇 程 刚

极地航行船舶轮机管理要点探析

李 宇 程 刚

随着全球变暖和北极海冰快速减少，国际航运界正在积极开发北极航线。但同时，极地航行的环境、航道条件非常恶劣，船舶轮机管理者面临着极大的困难和挑战。通过分析极地航行的特点以及因此导致的极地船舶动力装置的特殊设计，归纳总结极地航行船舶动力装置的管理要点，以期为极地航行船舶的轮机管理提供参考，并最终实现船舶在极地水域的安全航行。

北极航道；极地船舶；轮机管理；极端低温运行

随着全球气候变暖，北极冰盖加速融化，北极航道正逐步开通，如图1所示。图1（a）为北极地区2011年9月海冰密集度及全年船舶流量卫星观测图[1]，这一时段北极地区海冰覆盖区域最小。每年7—11月，北极地区具备一定的通航条件（部分航段需要岸基支持和破冰船协助），形成图1（b）所示的北极航道。北极航道是指穿过北冰洋，连接大西洋和太平洋的海上航道，该航道主要包括“东北航道”和“西北航道”。东北航道西起挪威北角附近的欧洲西北部，经北冰洋南部的巴伦支海、喀拉海、拉普捷夫海、东西伯利亚海、楚科奇海，穿过白令海峡至太平洋的一系列海上航线的集合。[2]东北航道是连接大西洋和太平洋的最短航线，大部分航段位于俄罗斯北部沿海的北冰洋离岸海域，通常称之为北方海航路（Northern Sea Route，NSR），是如今北极地区最有吸引力和可行性的商业海运航道。西北航道是大西洋和太平洋之间沿北美北部海岸跨越加拿大北极群岛的各条海上航线的总称，是连接大西洋和太平洋的捷径。西北航道大部分航段位于加拿大北极群岛水域，是以白令海峡为起点，向东沿美国阿拉斯加北部离岸海域，穿过加拿大北极群岛，直到戴维斯海峡，目前该航道的通航条件较差。

图1 北极通航概况

北极航道将成为中国至欧洲和美国海上货物运输的新通道，可显著缩短中国至欧洲和美国的海上运输距离和航行时间，海上运输成本将显著降低。北极通航对国际航运及能源和资源格局，尤其是对我国的航运事业和对外贸易将产生重大影响，因此具有重要的战略意义。[3]2008年8月，由于北极海冰加速消融，西北航道与东北航道相继打通。2009年夏天，在未借助破冰船的情况下，德国两艘货船成功完成了穿越整个东北航道的全部航程。2013年8月8日中远集团“永盛”轮从大连港出发试水东北航道，历经27天的航行顺利抵达鹿特丹，标志着中国商船首次成功经由东北航道到达欧洲。[4]但同时我们也应该注意到，北极通航是一个新鲜事物，我们积累的航行、操纵和管理经验还非常有限。通过理论分析和相关实践经验的总结，能在一定程度上形成一套管理经验，为极地航行船舶的轮机管理提供一定的借鉴和参考。

一、极地航行的特点

相对于在传统航线上航行，极地航行船舶对轮机管理而言有两点需要格外关注：

1. 海冰环境

在北冰洋和南极大陆周围水域，漂浮着随季节变化的海冰，给极地航行带来了极大的困难和风险。海冰系指在海上发现的由海水结冰产生的任何形式的冰。根据世界气象组织的定义，海冰包括新冰、初期冰、当年冰和旧冰或固定冰和流冰等类型。在视野范围内海面上浮冰覆盖的比例量称之为海冰密集度，其大小用来表示船舶在冰区中航行的困难程度。海冰对轮机管理的影响主要表现在两方面：

（1）海冰触碰螺旋桨导致螺旋桨及整个推进系统的载荷增加。船舶在冰区航行时，部分浮冰或碎冰会被推挤到船体下方，导致螺旋桨与之接触。海冰与螺旋桨的作用过程包括五个阶段：接近；阻塞；碰撞；铣削；排挤。[5]接近和排挤过程海冰的影响较小，海冰对螺旋桨的影响主要在阻塞、碰撞和铣削三个阶段。海冰在接触螺旋桨之前，它们之间的距离较小，造成阻塞效应，导致螺旋桨推力和转矩增大；碎冰在螺旋桨的抽吸作用下被加速，并在到达桨盘面后由螺旋桨抛出，因相对速度较大，螺旋桨受到额外的碰撞载荷，而且出现频率较高；对于大块的海冰，冰桨相互作用多为铣削，海冰因为桨叶的冲击、剪切受到破坏，冰桨接触载荷是造成螺旋桨受损的主要原因。对于主机-传动轴系-螺旋桨构成的推进系统，海冰对螺旋桨施加的额外载荷将引起主机的瞬时过载，导致机械性损坏、燃烧不良或热应力过大等问题。

（2）海冰经由海底门吸入导致管路堵塞和机舱冷却系统失效。船舶动力装置产生的热量主要由开式海水系统带走。在极地水域航行时，碎冰经由海底门吸入，将有可能堵塞主海水管路和海底门滤器，造成机舱冷却水系统失效。从这方面来讲，海冰对航行安全存在致命威胁。

2. 低温环境

低温环境包括低气温和低水温两方面。船舶低气温操作系指预期驶往或穿越最低日均低温（LMDLT）低于-10 ℃的区域。极地处于高纬度地区，得到的太阳辐射少，同时夏季冰雪融化消耗大量热量，常年气温都较低。如北极水域，冬季最低气温低于-50 ℃，夏季最高气温一般也低于5 ℃。在低气温区域和/或季节操作的极地船舶，部分机械、设备及系统表面暴露在极低的环境温度下，可能导致管系和水舱积水结冰、滑油失去流动性而润滑不良、设备热应力过大等问题。此外，北极地区海水温度常年维持在-2～2 ℃，过低的海水温度对机舱动力设备的冷却也会形成有害影响。

二、极地航行船舶动力装置的特殊设计

极地船舶动力装置的结构形式和布置应充分考虑其预期进入极地水域的任务，有效适应相关的低温环境、偏远地区及其存在的海冰状况等操作条件，以确保极地船舶在冰覆盖水域安全航行，尽可能避免在低气温等恶劣气候条件下，因系统故障导致船舶停滞或被海冰围困进而引发海损或污染事故。为此，其机电设备，包括主推进装置、操舵装置、甲板设备、电气设备及其他辅助设备均有一些特殊设计要求，具体可参考文献[2]。部分特殊设计而导致后续轮机管理有一些额外的关注点，因此有必要理解其设计的出发点。

1.主柴油机进排气系统

为了给主推进装置（主柴油机）、副柴油机、锅炉等热能机械提供燃烧用空气，同时排除设备散热和实现机舱换气，机舱设有通风装置。当环境气温极低时，主柴油机从机舱吸入燃烧空气，船舶机舱将无法保证适宜的舱内温度。此时，需要在机舱配置加热设施，具体措施包括通风预加热或布置舱室散热器。主柴油机空气消耗量约占到机舱通风量的2/3，当船舶在低气温条件下运行，主柴油机的空气供应应格外受到关注。柴油机燃烧空气温度下降有助于降低油耗，但进气温度过低可能发生超负荷。这是因为，在通常情况下，柴油机与废气涡轮增压器的匹配设计环境参考条件为大气压力1000 mbar、废气涡轮增压器进口温度25℃、扫气空冷器冷却介质温度25℃。基于此，柴油机在-10～45 ℃环境温度范围内均能发出约定最大持续功率。当在标准环境参考条件下匹配的柴油机在极地水域的极低环境温度下运行时，废气涡轮增压器吸入的空气温度太低而密度太高，将导致柴油机扫气压力、压缩压力和最大发火压力过高，这对于柴油机的可靠运行是不被允许的。通常极地航行船舶机舱布置有加热设备，主柴油机从机舱吸入经加热的燃烧空气，进气温度不会太低。但当外界气温低至-30℃甚至更低时，主柴油机燃烧空气进气温度过低可能会引起压缩混合气无法自行点燃，导致发动机启动失败；低温空气具有较高的密度，可能导致增压器喘振；过多的燃烧空气可能导致汽缸超压、发动机超负荷。因此，为确保主柴油机在极低温环境条件下的正常运行，柴油机的进排气系统需要进行处理。

图2 柴油机极地条件下的进排气系统

MAN Diesel&Turbo公司极低环境温度下运行的柴油机的进排气系统布置如图2所示。该柴油机有一套依据负荷调节的废气旁通系统，在极低温环境条件下，进入涡轮机的部分废气被旁通，压气机将获得较少的能量，因此减少了柴油机的空气供应和扫气压力。同时，该系统还能保证废气温度相对较高。

Wartsila公司生产的一款极低环境温度下运行的W-X92柴油机的进排气系统布置如图3所示。该柴油机从机舱外直接吸入燃烧空气，采用高压比废气涡轮增压器，在5～45 ℃环境温度范围内能正常工作，也就是说在低至5 ℃的低温环境条件下无须空气预热等特别措施，仅需确保扫气空冷器的冷却介质温度不低于25 ℃。当在环境温度低于5 ℃的极地水域运行时，为避免空气密度增加而导致柴油机缸内压力超过允许值，该机器设置了扫气泄放装置。在扫气总管上最多可安装三个泄放阀。当废气涡轮增压器的进气温度低于5 ℃时，第一个泄放阀打开泄气；同样，第二个和第三个泄放阀能依据扫气压力和最大发火压力之间的关系自动打开泄气。泄放阀由进气总管上的温度传感器发出的信号控制。

图3 Wartsila 柴油机极地条件下的进排气系统

2.海水冷却系统

极地水域航行的船舶，如果没有采取特殊的布置，其冷却海水的进口易遭受海冰堵塞。因失去冷却水导致主机或发电机组停止工作进而极有可能引发船舶搁浅等海上事故。因此，海水冷却系统防冰塞的设计通常从布置、构造和加热三个方面来考虑。

海底门（或称冰水箱）应布置在船的低位处，并远离冰带水线，使用挡板、围堰、滤器和其他措施把水和冰隔离开来。典型的冰水箱结构如图4所示。海底门的设计应有有效的除冰和透气措施，处于载重水线上的海底门、海水总管、舷侧阀及附件应提供防冻措施，可以采用蒸汽加热、热水加热或热的冷却水回注来防冰除冰。此外，还应有手动除冰的措施，例如打开滤器或从水线以上开口进入海底门除冰块，因此，海底门配有可拆格栅和人孔，有通道直通海底门顶部。

图4 冰水箱示意图

3. 其他辅助系统和设备

（1）甲板设备。极地航行船舶甲板设备的布置和功能应考虑极地水域低气温和积冰的不利影响。甲板设备可能会由于海水飞溅而冻结，应通过选择材料和采取适当的防寒措施，如使用加热或遮蔽措施，来确保甲板设备包括栏杆、船首通道、锚系泊设备、起货设备、应急拖带装置、舷梯等在极地服务温度下功能完好。安装在露天甲板和低温处所的电气设备、电控箱应设置防冷凝装置，例如可通过配备额外的加热元件来保护线圈绕组受到极端低温和冷凝的损害。甲板设备的轴承如果需要强制润滑或预润滑，应配备适合在设计服务温度下工作的润滑油。

（2）甲板管系。受低气温影响的船舶甲板管系，包括液货船甲板上的管系，为了防止任何不适当的热应力或冻裂，管路可以设有伴热。透气管及其他管路进出口及相关系统的设计应防止冰块或积雪而造成堵塞。

（3）水舱。极地船舶的压载舱和/或淡水舱部分或全部位于轻载水线或低位冰区水线（LIWL）以上，并接邻船壳或者露天甲板，如长期在低温环境操作，则应设置适当的防冰冻系统和温度监视系统，以防止舱内压载水和淡水冰冻，排水时导致舱内负压，损坏结构。全部位于轻载水线或低位冰区水线以下（取小者）的压载水舱一般无须加热，但服务于该水舱的管系（包括透气管）应防止冰冻堵塞。

三、极地航行船舶动力装置的管理要点

1. 海冰的应对

（1）应避免螺旋桨因与海冰触碰而损伤。调整好船舶的吃水和吃水差，一般应尽可能增大吃水，并保持尾倾，使螺旋桨尽可能浸入水中，这样能使船舶具有较好的破冰能力，提高稳性并保护螺旋桨和舵不受损伤。吃水差也不宜过大，否则有可能引起浮冰滑过船底而堵塞船底海水吸口。如果船舶是空载，则应以安全为重，必要时货舱应该压水，以保证推进器的安全。

（2）应避免海冰堵塞海水管路。当船舶进入海冰区，大块海冰覆盖海底吸入阀的栅栏，堵塞进水口，此时也会有大量细小冰晶顺水流进入机舱内冷却器管系统，大量堆积冰体会造成冷却管系的堵塞，严重时造成冷却系统瘫痪，导致冷却水温过高，主、副机不能正常工作，乃至造成船舶动力系统瘫痪而失控。因此，极地水域航行使用低位海底门，尽量使海水吸口保持在浮冰的下面，不让海冰堵塞海底门吸口及管路；关闭冷却海水的通海阀，打开通往海水箱的冷却水回注阀，主机、副机冷却水系统改为内循环， 以防冰塞。一旦出现冷却水高温、海水低压等现象，应怀疑海冰吸入、海水管路堵塞，此时应采取通蒸汽、通热水等措施对海水箱进行除冰，必要时可打开海水箱人孔门进行人工除冰。此外，如果船舶设计有应急海水舱或压载水舱作为海水的应急来源，此时可吸入应急海水作为冷却介质。但应注意，采用该方法时海水冷却后若排回至应急海水舱或压载水舱，应避免海水温度过高导致舱内结构腐蚀。

2.低温的应对

（1）低水温的处理。海水温度过低，有可能导致中央冷却系统的冷却淡水温度过低，从而导致被冷却的机械设备热应力过大、润滑油黏度过大、设备内部结露而导致润滑油乳化和设备锈蚀等问题。因此，进入极地水域航行时，应通知机舱将冷却水系统改为内循环，将热的冷却海水回注到冰水箱，以确保合适的冷却水温度；或使用船中前部压载舱的压载水循环冷却，确保合适的冷却水温度，海底门吸口不被碎冰堵住，同时保障压载舱不冻。

（2）低气温的处理。低气温环境下，柴油机燃烧空气进气具有较高的密度，可能导致增压器喘振、汽缸超压、发动机超负荷等；此外，燃烧空气进气温度过低可能会引起压缩混合气无法自行点燃，导致发动机启动困难。因此，机舱应具备有效的保温和加热措施，包括机舱通风预热、机舱散热器保温、缸套冷却水和滑油系统加热等措施。为了控制机舱温度，可适当或断续启闭机舱烟囱出风口的天窗和防火风闸，当内外温差增大甚至高达60 ℃（例如，机舱内25 ℃，而机舱外的气温达到-35 ℃）时，可逐步关闭可调节的天窗和防火风闸至较小的流通面积，以防舱内热空气散失过多。为了控制扫气压力，采取的规避措施包括扫气旁通或废气旁通，确保这类装置的有效工作是关键。为确保主柴油机的可靠性和机动性，极地航行船舶压缩空气的储存量在设计时会考虑适当增加，平常轮机管理中就应确保压缩空气的压力和储存量，避免因启动空气不足而导致船舶失去动力后发生意外事故。此外，严寒气候条件下操作的船舶，控制空气需要确保足够干燥，露天和低温处所布置的杂用空气也需要足够的干燥以防管路中因产生凝水而发生冰冻。

（3）应考虑暴露结构、设备和系统表面遭受的环境温度。在低气温区域和/或季节操作的极地船舶应考虑暴露结构、设备和系统表面遭受的环境温度，针对极地低温条件，通过采取适当的保护措施和/或操作控制的防寒措施，确保机械装置、压载舱、管系等不受冰雪积聚的影响，以确保船舶及设备具备在极地服务温度环境下的操作能力。对于船舶安全（包括航行、操舵、推进、锚泊、消防和救生等）至关重要的区域应通过加热或加罩来保持无冰状态。这些区域至少包括：安全到达船首区域、救生艇、救助艇等的步桥和梯道；脱险通道的出口；救生艇、艇架、救生筏和降放区域；救生设备的储存设施；消防系统的给水分配系统；航行设备（例如雷达）；驾驶室的窗户；包括锚机、锚链和锚链筒在内的甲板锚泊区域。布置在甲板上的锚机、绞缆机、舷梯升降机、救生艇架等可能会由于海水飞溅而冻结，因此应使用加热或遮蔽措施，并尽可能保证活动部件（如减速齿轮和刹车）不被冻结。位于生活区外露天甲板的消防管、淡水管等应用布包住，在其较低位置安装有泄水阀，通水后应注意及时排干管路残水，并用压缩空气吹干。消火栓应安装在保护位置或采用加热遮盖罩等措施，以防冰雪积聚和冰冻。所有冲舱皮龙、淡水管， 用压缩空气吹干后收存到生活区内。位于露天甲板的隔离阀和真空阀可采用遮盖罩或加热遮盖罩等措施，以有效防止冰雪冻结或结冰导致无法操作。汽笛应放尽残水，并开启加热器，防止冻结。

3.其他安全管理注意事项

（1）应充分考虑船舶的船体强度和船龄状况，分析船舶适航能力。确保船舶及船上设备处于良好的工作状态，能够满足极地航行需要。航次消耗的富余量要增加，以应对途中冰情带来的延误。甲板上、机舱内的可移动重物及器具应加固、绑定，确保一切排水口畅通。关闭水密门、窗，拧紧测量管盖。尽量减少一切水柜、油柜自由液面的存在。

（2）确保主动力装置可用，加强驾机联系。极地航行期间持续倾听主机、螺旋桨的声音，若有异常，立即采取紧急停车、检查设备等应急措施。船舶靠泊后，应立即检查螺旋桨、舵叶情况，一旦出现损坏，及时申请维修。必要时轮机长坐镇集控室指挥，注意保护主机，与驾驶台时刻保持联系，保证船舶安全。

（3）低气温环境下航行的船舶，为了防止压载水或淡水在舱内严重结冰胀裂船体，舱内存储的压载水或淡水不能超过舱容的90%。液舱采用的加热盘管、内部循环或吹泡系统等防冰冻系统和温度监视系统应可靠工作，防止由于舱内压载水和淡水冰冻，排水导致舱内负压状态，损坏结构。根据需要在大洋中间水温较高处或在暖流处更换压载水，以保证有较高温度的压载水，不容易结冰。

（4）各舱柜透气管及其他管路进出口及相关系统应防止冰块或积雪造成堵塞。透气口应避免因外部飞溅积冰导致阻塞，以免泵送时引发舱内压力发生变化进一步导致舱柜或船体结构损坏。保持压载舱测量管畅通，防止结冰冻住。

（5）对于可能需要在低气温环境下工作的发动机，需特别注意其滑油应按制造商的推荐保持适当温度以使机器正常启动。舷外发动机如救生艇、救助艇艇机及应急发电机等的燃油尽可能换成低凝点柴油并添加防冻液。

[1]CHNL Information Office. Statistics 2011-Sea ice concentration and ship traffic during a yearly cycle[EB/OL].(2016-03-03)[2017-05-01].http：//www.arctic-lio.com/nsr_transits.

[2]中国船级社.极地船舶指南[EB/OL].(2016-03-03)[2017-05-01].http：//www.ccs.org.cn/ccswz/font/fontAction!article.do?articleId=ff 8080815330b37701533a31cb520059.

[3]李振福,闫倩倩,刘翠莲.北极航线经济腹地范围和等级的划分研究[J].世界地理研究,2016(5)：22-28.

[4]彭振武,王云闯.北极航道通航的重要意义及对我国的影响[J].水运工程,2014(7)：86-89,109.

[5]孙文林,王超,康瑞,等.冰区航行船舶推进系统设计的若干考虑[J].船舶工程,2015(9)：31-36.

10.16176/j.cnki.21-1284.2017.10.006

李宇（1978—），男，宁波海运股份有限公司，机务经理。

程刚（1979—），男，中远船务工程技术服务（大连）有限公司，经营代表。