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獨(dú)家推薦|極地船舶除冰，看我新型涂層如何了得！

2017-06-29 11:17:09 作者：謝強(qiáng)，陳海龍，章繼峰來(lái)源：中國(guó)艦船研究分享至：

作為世界第一大進(jìn)出口貿(mào)易國(guó)、第二大經(jīng)濟(jì)體，海洋安全與我國(guó)國(guó)家利益密切相關(guān)。美國(guó)出于維護(hù)海洋霸權(quán)的目的，在馬漢“海權(quán)論”思想的武裝下，其海軍觸角已遍布世界各大洋，攫取了所有重要海上通道的控制權(quán)，并時(shí)刻威脅著我國(guó)國(guó)防及經(jīng)濟(jì)安全。

隨著全球氣候變暖，北極冰封的航道逐漸融化，打通連接歐亞貿(mào)易的北極航道受到世界主要貿(mào)易大國(guó)及北極國(guó)家的高度關(guān)注。在積極推進(jìn)國(guó)家海洋發(fā)展戰(zhàn)略的情勢(shì)下，為確保海上運(yùn)輸命脈，我國(guó)注定不會(huì)錯(cuò)失此輪開發(fā)海上貿(mào)易新航線的歷史機(jī)遇。

然而，開發(fā)北極新航線要求發(fā)展適宜在極地惡劣環(huán)境中航行和作業(yè)的各類船舶及海工裝備。在極低溫的氣候影響下，極地航行船舶和海工裝備的船體、上層建筑及各類設(shè)備會(huì)覆蓋大量的冰雪，使船舶吃水深度及重心發(fā)生變化，從而降低船舶隱性、上層建筑結(jié)構(gòu)可靠性；設(shè)備上積累的大量覆冰還會(huì)影響設(shè)備運(yùn)行，帶來(lái)嚴(yán)重安全風(fēng)險(xiǎn)。

歐洲國(guó)家如俄國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、加拿大、芬蘭、瑞典、挪威、丹麥等國(guó)是開展極地航行船舶技術(shù)研究最早的國(guó)家，在船舶設(shè)計(jì)、建造、防除冰技術(shù)研究方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

極地航行船舶

哈爾濱工程大學(xué)章繼峰教授致力于極地船舶與防除冰技術(shù)的研究，長(zhǎng)期跟蹤世界先進(jìn)國(guó)家極地航行船舶防除冰技術(shù)的研究發(fā)展，本文向我們介紹了目前世界極地航行船舶主要防除冰技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀，梳理總結(jié)了各類防除技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用前景。

極地航行船舶及海洋平臺(tái)防冰和除冰技術(shù)研究進(jìn)展

謝強(qiáng)，陳海龍，章繼峰

中國(guó)艦船研究，2017，12（1）：45-53

論文背景

全球氣候變暖、海冰大量融化，蘊(yùn)藏著豐富資源的北極和極具戰(zhàn)略價(jià)值的北極航道越來(lái)越受到關(guān)注，世界主要國(guó)家掀起了極地船舶關(guān)鍵技術(shù)研究熱潮，計(jì)劃大量建造極地船舶。

作為一個(gè)近北極國(guó)家，北極航道的開通可以減少我國(guó)對(duì)常規(guī)航線的依賴，降低海上運(yùn)輸?shù)陌踩L(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)開發(fā)北極資源也可為我國(guó)能源安全提供戰(zhàn)略保障。由于極地常年低溫，冰雪積累將極大地影響船舶性能和各類裝備的運(yùn)行安全。

例如，纜繩、救生設(shè)備、通風(fēng)口等的覆冰會(huì)給船舶運(yùn)行和作業(yè)帶來(lái)危險(xiǎn)；船體覆冰會(huì)增加船舶吃水深度，提高船體重心，降低船舶穩(wěn)性；上層建筑覆冰不僅會(huì)降低結(jié)構(gòu)穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)可靠性，還會(huì)對(duì)各類設(shè)備造成危害，如無(wú)線電通信設(shè)備和雷達(dá)上結(jié)冰將影響信號(hào)的接收。

此外，覆冰還威脅到直升機(jī)的安全作業(yè)。為保障極地船舶航行及各類裝備運(yùn)行的安全，不僅要考慮船舶總體防除冰設(shè)計(jì)，還需要考慮配備防除冰設(shè)備以及新的防除冰新型材料在船舶設(shè)計(jì)上的應(yīng)用。

論文主要內(nèi)容

一、極地環(huán)境中不同覆冰類型概述

極地航行船舶遭受海水濺淋是船體和甲板形成覆冰的主要原因，同時(shí)大氣中的過冷液滴遇到裝備后也在結(jié)構(gòu)表面大量覆冰，即大氣結(jié)冰。海水濺淋冰（sea spray ice）是過冷的海水濺射到裝備上后迅速形成的結(jié)冰。

積雪會(huì)增加船舶或海洋平臺(tái)的重量，覆蓋在各種設(shè)備上，引起打滑。積雪壓實(shí)成冰或融化后再凝結(jié)成雨凇冰（glaze ice）。雨凇冰是凍雨與裝備接觸后形成的透明、致密的冰層。相較于霧凇，雨凇冰的冰層密度大，難以清除。

霧凇（rime）是攜帶過冷液滴的霧與裝備表面接觸后形成的疏松、不透明的白色粒狀結(jié)構(gòu)沉積物，覆蓋在設(shè)備上后清除難度相對(duì)較小。此外，還有霜（frost）、雹（fleet）等結(jié)冰量較小的結(jié)冰方式。

霜&雨凇冰&霧凇

二、結(jié)構(gòu)覆冰對(duì)極地海洋平臺(tái)和船舶的影響

概述了覆冰影響所涉及的主要方面，包括：船舶的適航性、整體穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)完整性、甲板及其設(shè)施、防災(zāi)救援設(shè)備、通信導(dǎo)航系統(tǒng)、附屬設(shè)施等。分別評(píng)估這些部位受到覆冰威脅的風(fēng)險(xiǎn)程度。

三、極地航行船舶與海洋平臺(tái)的防除冰技術(shù)

極地航行船舶和海洋平臺(tái)的防除冰方法按照除冰形式分為主動(dòng)除冰法和被動(dòng)除冰法。主動(dòng)方法是指結(jié)冰后借助外力除冰，如機(jī)械、鹽、電加熱、紅外線等，這些除冰方法需要一定能源或資源。被動(dòng)方法是指利用涂層材料本身的屬性阻止冰凝結(jié)到涂層或降低冰的粘附強(qiáng)度，并依靠風(fēng)力或自身重力使冰脫離表面，這些除冰方法幾乎不消耗能源。

對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有防冰/除冰方法與技術(shù)進(jìn)行了歸納和分析，包括電加熱、紅外線、超聲導(dǎo)波除冰等主動(dòng)除冰方法以及超疏水涂層、犧牲性涂層、水潤(rùn)滑涂層以及低交聯(lián)度界面滑移涂層等被動(dòng)除冰方法。

有利于除冰的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用電加熱方法模擬纜繩除冰

垂直發(fā)射系統(tǒng)艙蓋邊緣采用電加熱方式除冰

各種表面涂覆防冰涂層前后冰粘附強(qiáng)度對(duì)比

結(jié)論：

通過對(duì)各種防除技術(shù)的分析，認(rèn)為紅外線、電熱、高速熱流等主動(dòng)除冰方法方便快捷，但能耗較大且存在二次結(jié)冰的危險(xiǎn)；

超聲導(dǎo)波除冰具有能耗低、除冰快和冷除冰的優(yōu)勢(shì)，但是由于導(dǎo)波的傳播機(jī)制限制只適用于板管結(jié)構(gòu)以及較薄的冰層除冰；

化學(xué)藥劑法和犧牲性涂層費(fèi)用高、次數(shù)有限，且對(duì)極地環(huán)境有很大影響；

超疏水涂層在一定條件具有較小的冰粘附強(qiáng)度，但在高濕、低溫或水滴沖擊下其疏水\防冰性能下降嚴(yán)重，需要進(jìn)一步提高穩(wěn)定性；

水潤(rùn)滑涂層和低交聯(lián)密度界面滑移涂層是最近開發(fā)出來(lái)的優(yōu)異的防冰涂層，冰粘附強(qiáng)度極小，耐久性、環(huán)境適應(yīng)性良好，具有很大的應(yīng)用前景。

作者簡(jiǎn)介

章繼峰，男，1976年生，哈爾濱工程大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)閺?fù)合材料、極地船舶與裝備防冰/除冰技術(shù)。主持過國(guó)防863及863創(chuàng)新基金、國(guó)防973子課題、武器裝備預(yù)先研究項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部國(guó)際合作項(xiàng)目、教育部博士點(diǎn)基金、中國(guó)博士后基金以及多項(xiàng)橫向課題。發(fā)表了各類學(xué)術(shù)論文30余篇，其中SCI檢索12篇，EI檢索15篇，并擁有多項(xiàng)發(fā)明專利。