极地科考船全回转推进器受损原因及预防措施
张士中
【摘 要】 为降低带有全回转推进器和动力定位（DP）功能的船舶在极区航行时的风险，分析某科学考察船在极地作业过程中螺旋桨受损的实际案例，结合后期管理效果，提出以下措施：加强值班瞭望;及时取消DP功能，恢复手动操纵;单车受损时，利用推进器的“悬停”功能克服水涡轮作用于螺旋桨上的力以保持螺旋桨相对平稳，减轻振动。在两极海域航行的船舶应充分考虑极地条件的特殊性，对可能遇到的问题做好预案，确保船舶的安全和科考作业的顺利完成。
【关键词】 极区航行;电力推进;全回转推进器;冰区避碰;动力定位（DP）
0 引 言
随着我国综合国力的持续提高及国家对极地科考的高度重视，越来越多的极地考察工作在有条不紊地推进着，已形成了明确的极地考察序列，所取得的科研成果也在逐年丰硕。特别是十九大以来，随着一批先进科考船的入列，我国极地科考水平达到了一个前所未有的高度。截至目前，自然资源部已经组织开展了35次南极科学考察及10次北极科学考察，取得了令人瞩目的科研成果。但是，科考船管理方面的不足，会给极地科考带来安全隐患。本文以某科考船在极地考察时遇到浮冰损坏吊舱螺旋桨为例，分析船舶在极地考察时所面临的极端情况及应采取的预防措施，为极区航行船舶提供参考。
1 船舶基本情况
科考船承担着为国家海洋科学综合调察，海洋动力环境、地质环境、生态环境、海底资源、能源、国防安全、减轻自然灾害等重大海洋科技问题提供技术支撑保障的任务，同时为我国参与国际重大海洋研究计划和增强我国海洋科技在国际海洋研究中的影响提供先进的探测研究平台。
科考研究工作力求严谨，对采样位置要求精确，这就需要科考船具备很好的机动性和可靠性。20世纪80年代，为了满足船舶在破冰条件下运行时具有更好的机动性和可靠性的需要，吊舱式全回转电力推进器应运而生。
某科考船是我国远洋科学综合考察的主力船舶之一。该船是一艘球艏长艏楼型、B3级冰区加强型钢质特殊用途船舶。无人机舱位于船中略偏后，配有双艏侧推系统、吊舱式电力推进系统（两套）和动力定位系统（DP）、综合导航定位系统。该船配有3台瓦锡兰W8L26柴油机，2台ABB C00980型全回转吊舱，吊舱螺旋桨可正反旋转。
2 事故经过
极地考察一般选择在夏季，此时当地气温上升，冰情较轻，但极地气象条件比较恶劣，气旋生成非常快，在此作业的船舶经常需要到锚地避风。
该船配有DP1，又考虑到避风锚地底质不利于抛锚，有走锚风险，因此采用DP功能，设定DP为原地抗风。当晚23：48左右，机舱柴油机突加负荷振动，主发电机负荷由原来的800 kW迅速上升到1 900 kW，取消DP功能改为手动操作后功率恢复正常。经过全面检查，各油舱、水柜液位正常，有大约10 m3的冰块被挤压到船上左后甲板导致左后舷护栏损坏变形、舷灯损坏。第二天天气好转后再次检查后发现，各油舱、水柜正常，发现左舷撞冰山处船体有明显凹陷，加速试车发现左推进器螺旋桨转速超过120 r/min时振动加大，200 r/min以上振动剧烈，反转试车振动情况类似，右车正常。初步判断为左推进器螺旋桨击打水下冰山到产生变形，发现推进器水下各密封空间有少量进水，放残后正常。靠港后由专业船舶检验机构通过水下检查发现左推进器螺旋桨一个桨叶的梢部有面积约30 cm ？60 cm向内折的变形，折角约60埃平髅芊獯ξ醇飨砸斐！W酆掀拦篮蠹毯酱稳挝窦按白纯觯龆ǖコ翟诵型瓿珊笮瓶既挝瘛？
3 航行中遇到的问题
全回转推进器由于采用吊舱设计而具备比常规推进器更高的敞水效率，加之其灵活的操縱性，对阻力较大的船型来说是一个很好的选择。该船采用双推进器设计，即使一推进器舱损坏，单独使用另一推进器船舶也可达到12 kn的经济航速。按照推进器设计制造厂家给出的事故处理方案，采取左推进器断开总电源开关，让其自由旋转，以防止螺旋桨向电网馈电。在航行时发现，当航速超过10 kn或逆水水流速度太大时，左推进器振动增大。检查后发现，螺旋桨轴密封处有渗水，左推进器电气绝缘性能下降。
4 问题分析
（1）造成螺旋桨受损原因。由于当时采用DP原地定位功能，当船舶受到外力发生移动时，DP系统就会根据船舶所受外力的矢量大小对4个推进器（2个船尾吊舱和2个船首侧推）下达指令，输出一个合力来抵消外力。事发时正值午夜，又是交接班时间，值班人员疏于瞭望，从船舶左后方漂来的巨大浮冰直接撞碰上船体尾部。因海冰密度较大，水面以上的浮冰只是1/10左右的体积，而本推进器螺旋桨为拉力桨（螺旋桨朝向船首方向时，产生向前的推进力），当左舷受力时，螺旋桨会转向左舷方向，此时螺旋桨与左舷舷侧板的距离变得很小，水下部分的浮冰就会直接与螺旋桨接触。由于南极水域的浮冰大多是多年老冰，其硬度堪比钢铁，高速旋转的螺旋桨打到浮冰后致使螺旋桨叶受损变形。
（2）螺旋桨振动原因。推进器桨叶受损后，螺旋桨的质量分布失去平衡，导致重心不在其回转中心线上，当转速达到120 r/min时，不平衡力达到一定程度，推进器振动增大，无法正常运行。
（3）航速超过10 kn或逆流水速过大时振动加剧原因。在航速超过10 kn或逆流水速过大两种情况下，故障螺旋桨处于自由状态，由于水涡轮的作用，螺旋桨被周边高速流动的水带动而产生旋转，当水流速度达到一定值时，受损螺旋桨转速接近200 r/min导致不平衡力过大，推进器产生剧烈振动。
5 事故预防及处理
（1）极地天气变化极快，有时在数小时内即可生成极地气旋，风速常常达到50 m/s以上的超级强度;极地海域的浓雾生成快、浓度大，能见度极低，对极地航行船舶的驾驶台值班人员的要求非常高，稍有疏忽就可能发生重大事故。加强值班必须采取有强有力的监督手段，在避风前也应要求值班驾驶员加强瞭望，建议采取不定期巡查、视频监控等手段确保当班人员有效瞭望。
（2）在使用DP时，如遇到疑似撞上浮冰的情况，要立即取消DP功能，改为手动操作，避免DP系统自动输出动力来抵抗浮冰而损伤船舶。本案例中，从撞上浮冰到取消DP功能时隔近20 min，在此期间主推进系统一直在输出多出正常功率 kW左右的功在克服浮冰的外力。这是造成螺旋桨受损的直接原因。
（3）接通受损推进器电源，恢复推进器正常功能，但要将操纵手柄放到“零”位。当周边水流速度由于水涡轮作用欲带动螺旋桨旋转时，利用推进器的“悬停”功能，保持螺旋桨零转速不变。此时应注意逆流水流流速及对船速的控制，输出功率不可超过推进器“悬停”时所能克服的最大功率。
6 结 语
随着科研精度要求的提升，拥有全回转推进器及DP功能的船舶已成为极地科考船的必备条件。然而这种船舶因起步较晚，管理不够成熟，船舶管理人员应充分考虑到极区航行的特殊性，做好各种预防方案和应急预案，确保科考船的安全航行及各项科考工作的顺利完成。
