海洋石油支持船海水箱防冰塞措施研究

陆 忠 杰

（中海油田服务股份有限公司，北京 101149）

0 引 言

为保障海上平台设施的正常生产作业不受海冰的破坏性影响，船舶需要长时间在海上设施周围进行破冰作业及靠泊平台进行物料供给和人员接送等。如船舶的海水箱及海水冷却系统设计不当，会使船舶在破冰和冰区作业时出现海底门滤器堵塞，使船舶设备的冷却海水中断，主副机等动力设备停机，造成船舶处于无动力漂浮的危险状态。严重时，甚至出现海上设施受大量浮冰挤压而倾覆的危险，以及物料供应延时造成海上设施停产。

1 海水箱规范要求

根据中国船级社的《钢质海船入级与建造规范》[1]以及《芬兰－瑞典冰级规则》[2]的要求，对于航行于冰区船舶的海水箱，规范要求如下：

1)海水箱应有适当的防蚀措施；

2)海水箱的布置应避免形成气囊。如在海水箱顶部装设透气管，应在其根部设截止阀。透气管的开口端应高于舱壁甲板或在舱壁甲板附近通至舷外并装设船旁截止阀；

3)冷却水系统应确保船舶冰区航行时冷却水的供给，为此，至少有一个海水箱应满足下列要求：

(1)海水进口应尽可能布置在中心线后，尽量靠后；

(2)海水箱应有足够大的容积。作为设计指南，该海水箱的容积应按每 750kW 发动机功率约配 1m3的海水箱容积。此发动机功率应包括船舶运营所必需的辅发动机功率。

功率计算：PT=PM+PA(1)

式中：PT——发动机功率，kW； PM――主机功率，kW； PA――发电机功率，kW。

海水箱容积计算：V=PT/750 m3(2)

(3)海水箱应足够高，以使浮冰处在进水管口上方。可按下列公式计算海水箱的最小高度：

式中：Hmin——海水箱最小高度，m； Vs——海水箱容积，m3；

(4)冷却水排水管与海水箱之间应设置一根连接管，管子直径应与排水管直径相同；

(5)海水箱进口格栅的通流面积，应考虑主机的冷却水泵、压载泵、副机的冷却水泵及其他辅助设备的冷却水泵的流量和流速，得出所需冷却水用量的海水冷却管系的截面积之和，再用格栅的通流面积除以各冷却管系的截面积之和，应满足大于进水管截面积的4倍；

(6)根据需要，在海水箱上部可设置融冰加热盘管；

(7)可设有利用压载水作为冷却水用的设施，以作为压载工况下的备用水源，但不应作为海水箱的替代装置。

2 海水箱其他要求

根据船舶在不同海域使用情况的反馈意见，在满足规范的前提下，对冰区航行船舶的海水箱设计采取下列措施：

1)海底门布置越低越好，使浮冰进入海水箱的量越小；2)设置高位海底门，在进入浅水航道时以减少泥沙进入海水冷却系统；3)海水箱的强度设计，应考虑吃水到达其顶部；4)透气管伸至主甲板以上；5)采用压缩空气或蒸汽对海水箱的格栅进行吹除；6)应安装防海生物装置和牺牲阳极保护。

3 海水箱结构形式

海水箱的结构形式，根据实船的设计，分为如下3种形式。

3.1 常规海水箱

常规海水箱的海水总管通过阀门、滤器与海底阀箱直接连接，见图1。各个冷却水泵与海水总管连接，通过泵与需要冷却的设备进行冷却或进行压载，见图2。

图1 常规海水阀箱布置

图2 常规海水冷却系统

该海水箱结构形式简单，管系布置容易，可在海水总管上设置支管取用海水；海水冷却水直接排放舷外，设置海水箱的格栅、吹出压缩空气等。但使用效果并不理想，进入海水箱的浮冰在海水总管滤器和各支管滤器极容易形成浮冰堵塞而影响整个系统的使用。

采用此类海水箱，在渤海湾冬季作业仍出现冰塞，经过调查研究后，采取了如下改进措施：

1)冷却海水回路。原冷却海水直接排舷外，同时增加一路管系，使回水直接到海水箱的吸口，冬季利用冷却水的热量融化部分浮冰，夏季仍可直接排舷外，取得一定的效果；

2)海水箱格栅。把原格栅的间距加大，以防止较小的浮冰直接在格栅处堵塞，而较大的浮冰不易在格栅处存积且不易堵死格栅的缝隙，从而保证海水能进入海水箱；

3)压缩空气吹出量。加大管径从而加大压缩空气的吹出量，在短时间能吹出堵塞在格栅处的浮冰，从而保障海水进入海水箱。

3.2 带海水沉淀箱的海水阀箱

带海水沉淀箱的海水箱与前所述的海水箱设计完全一样，但各冷却海水泵不直接在海水总管上抽取冷却水，而是在船中部设立一个与海水总管相连接的独立海水沉淀箱，各个冷却海水泵及压载泵从独立的海水沉淀箱取用海水，见图3。

图3 海水沉淀箱的海水冷却系统

由于各冷却海水泵及压载泵不直接与海水总管相连接，而是从海水沉淀箱取用海水，因此该海底阀箱占用的空间较大，结构和布置比较复杂。这种形式，在海水箱中能存积部分浮冰，在海水沉淀箱中存积大部分浮冰，由于海水沉淀箱在机舱中，其热量也能融化部分浮冰，因而使用效果比较好。

3.3 带SEA BAY的海水箱

此种海水箱，其结构更加复杂，海底门一直与主甲板联通，海水总管同样与海水沉淀箱连接，各种冷却海水泵从海底沉淀箱直接取水冷却各种设备。该海水箱，其下部称为海底门，上部称为SEA BAY，SEA BAY 与海底门直接相通并直接通往主甲板，在主甲板设置人孔盖。由于浮冰的比重约为海水密度的90%，所以进入海底门的浮冰，能直接漂浮进入SEA BAY区域。同样也在船中部设立海水沉淀箱，用于海水冷却系统取用海水或压载水，见图4。

图4 SEA BAY的海水冷却系统

这种设计的优点是：浮冰进入海水总管的比例很小，只有极少量进入海水沉淀箱，在机舱区域，大多数都能融化而不影响各种冷却设备。漂浮在SEA BAY中的浮冰，如果存积较多而不能通过海水完全融化，可以通过SEA BAY在主甲板的人孔盖采取人工捞出浮冰。这样就能完全避免浮冰对海水冷却系统的影响，从而保障全船海水冷却系统的正常工作。

4 冰塞的应急措施

目前，船舶多采用中央淡水冷却系统，由中央冷却器向各个冷却单元供应冷却淡水，中央淡水冷却器由海水箱的海水进行冷却。通常设计取值为：中央冷却水的出口温度常为 36℃，海水进口温度为 32℃。可根据如下的设计公式来计算中央冷却器所需冷却海水流量：

式中：Qs——海水泵的流量，m3/h；HT——中央冷却器热交换总量；K——裕度系数；ρs——海水密度；Cs——海水比热； t2——海水冷却器出口温度；t1——海水冷却器进口温度。

可以看出：在正常设计工况下， t2- t1的差值：36－32＝4；在冰区工况下，其海水进口温度在 1℃。其 t2- t1差值：36－1＝35。其海水泵所需流量相差达8.75倍。以推进功率为6000kW的“海洋石油688”船舶为例，其海水冷却需要的流量设计为 300m3/h，但在冰区工况下，其需要冷却海水的流量相差为35/4=8.75倍，需要的流量约为300/8.75=34.3m3/h，理论上可满足热平衡的计算要求。

如果海水箱或海水滤器出现堵塞，在主机冷却水高温报警情况下，可用钻井水/压载水舱内的淡水替代从海水箱取用海水从而对中央冷却器进行冷却。在冰区工况时，舱内淡水的温度约为 5℃。由于淡水与海水的比热相差约为2%，可忽略其影响。根据上述计算方式，其 t2- t1差值36－5＝31，与正常设计工况 t2-t1的差值36－32＝4相比较，其需要的冷却水流量相差为31/4＝7.75倍，需要的流量约为300/7.75＝38.7m3/h，因此设计时应考虑用一个或两个边舱或双层底淡水舱，其舱容约在80～100m3，增设一个排量约为40m3/h的淡水冷却水泵，可满足中央冷却器所需的冷却水量，冷却回水直接回到冷却水舱。此应急措施，是在海水冷却系统出现冰塞，冷却海水断流的情况下，临时采用舱内淡水替代海水进行冷却，清除冰塞，可避免发生主机停机。

5 结 语

综上所述，船舶设计时应根据船舶的航行区域和航行时间，对海水箱及海水冷却系统采用不同的形式，防止冰塞的现象发生，主要可采取下列措施：

1)采用带SEA BAY的海水箱及海水冷却系统，能从根本上解决海水系统的冰塞现象，从而保障船舶长时间在冰区进行航行和作业；

2)采用带海水沉淀箱的海水阀箱，不能完全解决冰塞的现象，但能缓解冰塞的程度，在设计海水冷却系统时，回水管路除了直接排舷外，还应增加管路到海水箱，这样也能基本解决冰塞现象。该方法适用于较长时间在严重冰区航行和作业的船舶。

3)采用常规形式的海水箱，很容易发生冰塞的现象，在设计海水冷却系统时，除了回水管路直接排舷外，还应增加回水管路到海水箱，增加压缩空气吹出量、加大格栅的间隙等措施，这样也能缓解冰塞的现象。对于短时间在冰区进行航行和作业的船舶是可以的。

4)对于采用中央海水冷却系统的船舶，建议适当增大淡水舱舱容，这样可以在海水箱出现冰塞时，用淡水进行冷却。

[1] 中国船级社.钢质海船入级规范[S].

[2] 芬兰-瑞典冰级规则[S].