極地破冰船冰區結構設計規范對比研究

龔 丞

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

極地破冰船冰區結構設計規范對比研究

龔 丞

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

通過對各主要船級社關于破冰船結構設計的規范進行比較和分析，研究了不同規范關于冰級定義、船體加強區域劃分、材料和腐蝕余量、船體外形參數、冰載荷、冰區總強度、冰區構件尺寸以及結構設計細則的具體要求；總結了各種規范體系的特點，為今后極地破冰船的結構設計研發提供了規范參考，具有一定的現實意義。

破冰船；冰區加強；規范對比；結構設計

引 言

隨著全球氣候變暖影響以及極地科學考察的深入，南北極的地理位置和環境資源價值不斷顯現，極地領域的競爭愈發激烈，權益爭端也不斷加劇。而極地破冰船擔負著保證極地航線暢通以及開辟新航線的重要任務，是到達極地核心區域開展極地科考作業的基本條件，同時也是各國實施兩極戰略布局、拓展戰略空間的關鍵力量。

破冰船需要在極地冰區內承擔破冰、清理航道、救援被困船舶等任務，這對于船體外形、建造材料以及結構的布局形式等方面提出了很高的要求，因此船體結構在破冰船的設計中占據著至關重要的地位。目前存在的有關極地船和破冰船的規范主要包括芬蘭-瑞典規范（FSICR）、國際船級社協會極地冰級規范（IACS PC）以及俄羅斯、美國、挪威等主要船級社制定的冰區加強規范。其中FSICR規范已經被各主要船級社廣泛的吸收作為第一年冰況的基礎規范，而IACS PC規范自實行以來越來越被廣泛接受，現已經被各船級社作為其章節的一部分［1］。

上述規范中，FSICR規范和IACS PC規范主要針對的是在極地水域航行的船舶，它們雖然也具有一定的抗冰和破冰能力，但與破冰船有著較大的差距。對于破冰船來說，其承受浮冰撞擊的概率以及冰載荷的大小遠高于普通的極地船，因而各個規范中對破冰船的結構提出了更加嚴格的要求。

目前各船級社對于破冰船的結構設計規范并不一致，各種規范都有其不同的特點，例如英國勞氏船級社（LR）的規范基本與IACS PC規范一致，美國船級社（ABS）和法國船級社（BV）的破冰船規范也都以IACS PC規范［2］體系為基礎，俄羅斯船級社（RS）和挪威船級社（DNV）的破冰船規范則擁有各自相對獨立的體系。值得一提的是，在DNV和GL聯合推出的DNV-GL規范中用基于IACS PC的新規范取代了原DNV破冰船規范，新規范針對破冰船在冰級劃分、首尾部加強范圍、冰載荷及總強度衡準等方面做出了特別的規定，而原DNV破冰船規范擁有獨立的體系和特點，也具有很大的研究和對比價值。由于各種破冰船規范在體系和側重點上存在不同，本文重點選取了RS、DNV、DNV-GL、ABS和BV規范［3-7］進行綜合對比分析，考察各個規范的特點，為今后極地破冰船的結構設計研發提供規范參考。

1 船體結構的總體要求

1.1 冰級定義和冰級符號

RS規范共有13個冰級劃分（Part I，2.2.3.2～2.2.3.3），其中Ice 1～Ice 3為非極地冰級，Arc 4～Arc 9為極地航行冰級，Icebreaker 6 ～ Icebreaker 9為破冰船冰級，詳見表1。

表1 RS規范冰級劃分

在對各個冰級的描述中，該規范規定了浮冰的最大厚度和船舶允許的航速。

DNV規范的冰級符號分為Ice 5、Ice 10、 Ice 15，或者Polar 10、Polar 20、Polar 30，中間可以增加冰級符號（例如Polar 15）。規范中規定了各種等級的破冰船對于沖撞破冰的限制，以及破冰厚度和相應情況下浮冰的最大屈服強度（Pt.5 Ch.1 Sec.4 A300）。按DNV規范，不同等級破冰船的具體使用條件如表2所示。

與DNV規范不同的是，DNV-GL規范以IACS為基礎，在冰級定義方面沿用了PC規范的劃分（Pt.5 Ch.10 Sec.10， 1.3），只是針對破冰船在PC 1至PC 7的級別后加上Icebreaker以示區分（詳見表3）。

表2 DNV規范冰級劃分

表3 ABS／DNV-GL規范冰級劃分

ABS規范中規定，由于IACS PC規范的出版，ABS已將其作為自身規范的一部分，并取代原來的冰區航行船舶冰級劃分。對于破冰船，可在PC 6及其之上的冰級符號后加Enhanced符號（見表3），因此ABS規范將破冰船的冰級劃分為PC 1 Enhanced至PC 6 Enhanced，其中PC 6 Enhanced僅適用于非極地且沒有多年冰的水域（Pt.6 Ch.1 Sec.4， 3）。

BV規范在吸收了IACS PC規范的內容基礎上，增加了對PC 1至PC 7冰級比較詳細的冰情描述，包括跟隨航行和獨立航行時最大冰厚以及浮冰密集程度等。與此同時，BV規范針對破冰船增加了Icebreaker 1至Icebreaker 7的冰級劃分，并規定了各個冰級下最大的沖撞破冰航速（NR527，Sec 1，3.1），詳見下頁表4。

通過比較可以看出，RS和BV規范對于冰級的劃分較為細致，不僅對航行區域做了更加詳細的劃分，還規定了不同條件下的航速以及破冰能力等具體指標；DNV規范中對各個級別浮冰的屈服強度和最大厚度做出了描述；而ABS和DNV-GL規范則基本沿用了PC規范的劃分方式。

1.2 船體結構加強區域

RS規范對于破冰船的加強分區如下頁圖1所示。沿船長方向由首到尾分為首部區域A、過渡區域A1、船中區域B以及尾部區域C；而首部過渡區域、船中區域和尾部區域又進一步沿垂向分為冰帶區I、下部區II、舭列板區域III以及底部區域IV（Part II，3.10.1.3.3）。詳見下頁表5。

表4 BV規范冰級劃分

表5 RS、ABS/DNV-GL以及BV規范的結構加強區域

DNV規范中將破冰船外板分為7個區域（見圖2），包括首柱、首部、首部下方、船中、下部過渡區、底部、尾部等。

其首部區最后端距離首垂線0.3L，其他各個區域的水平及垂向范圍也有詳細的說明（Pt.5 Ch.1 Sec.4 A403），詳見表6。

表6 DNV規范結構加強區域

DNV-GL規范對于破冰船的加強分區與ABS規范類似，只是針對首尾部加強區域做了補充規定（Pt.5 Ch.10 Sec.10， 3.2）。以ABS規范為例，具體分區如圖3所示。

分區方法與RS規范類似，沿船長方向分為：首部區域B，過渡區域BI，船中區域M以及尾部區域S；首部過渡區域、船中區域和尾部區域又進一步沿垂向分為冰帶區i，下部區l和底部區域b（Pt.6 Ch.1 Sec.2， 3.1），具體描述見表5。

BV規范雖然也是基于IACS規范，但對于破冰船的加強區域劃分有單獨的定義（NR527，Sec 2，1.1），主要是在IACS PC規范的基礎上將首部加強區域的長度修改為首垂線向后0.25L，首部過渡區域長度為首部區域向后0.15L，而尾部加強區域修改為尾垂線向前0.2L，具體如下頁圖4所示。

通過對比可以發現DNV規范對于冰區的劃分相對比較特殊，首部加強范圍較大，而其他規范對于冰區的劃分模式則比較統一，也比較簡明易懂。值得注意的是DNV-GL規范和ABS規范由于沿用了IACS規范的劃分方法，對于破冰船的加強區域與極地船基本相同，而BV規范則對此做了改動，從而使得BV規范和RS規范在冰區劃分上更為相近。

1.3 船體材料和腐蝕余量要求

對于破冰船承受冰載荷的船體外板及其相連構件的材料等級，各規范的規定方法比較一致：首先根據構件所處位置確定其分類，隨后根據板或型材的厚度及設計溫度確定應當使用的材料等級。

對于結構的腐蝕余量，ABS規范、DNV-GL規范和BV規范的規定與IACS一致，根據不同冰級、船體區域和有無保護措施規定不同的腐蝕厚度。RS規范中腐蝕余量根據與破冰船冰級和加強區域有關的年均腐蝕余量和設計服役年限確定（Part II，3.10.4.1）。而DNV規范中對于破冰船的腐蝕余量與一般船舶相同，沒有特別的規定。

2 結構設計及總強度

2.1 船體外形參數及設計冰載荷

對于破冰船的外形參數，各船級社規范中的定義都較為一致，只是在具體的描述上略有不同。以ABS規范為例，如圖5所示。

對于破冰船，BV規范和RS規范根據不同破冰等級規定了各個參數的取值范圍，DNV也規定船中區域的β角不應小于10°。值得一提的是，RS規范針對破冰船船型有特別的要求，包括首柱處的α和γ的取值范圍，首柱下方要設置適合于破冰的結構，不可以設置球鼻首；尾部不能使用方尾形式，同時在舵的后方需要有起保護作用的附體等。

對于設計冰載荷，RS規范規定其大小與破冰船冰級、船體外形參數及船體排水量有關，具體的冰載荷參數以及船體區域參數如下頁表7所示。與其他規范不同的是RS規范中船體外形參數對于各個區域的冰載荷都有影響。

ABS規范、BV規范以及DNV-GL規范在冰載荷的計算上都采用了IACS的計算公式，只是在某些參數的取值上略有不同。以ABS規范為例，主要參數見表7。其中，首部區域與非首部區域的情況有所不同：對于首部區域，形狀參數fai以及板格長寬比AR都與船體的外形有關；而對于非首部區域，fai和AR都取為定值。

與其他規范不同的是，DNV規范將冰載荷分為首部撞擊載荷、船首擱灘載荷、船中擠壓載荷以及局部冰載荷四種。其中，前三種載荷與船體總強度的計算有關，而局部冰載荷的表達方式與RS規范相似（見表7）。但與RS規范不同的是，局部冰載荷大小除首部區與船體外形參數有關外，其他區域與船體外形參數無關。

2.2 冰區總強度

ABS規范中對于破冰船冰區總縱強度的規定與IACS規范基本相同，在計算總縱強度時，冰載荷只需要與靜水載荷相疊加。規范主要包括首部垂向設計冰壓力，垂向設計冰剪力，垂向設計冰作用彎矩等載荷的計算方法（Pt.6 Ch.1 Sec.2， 25），以及總縱強度的衡準（見表8）。

表7 冰載荷對比

表8 總縱強度衡準對比

BV規范、DNV-GL規范與ABS規范類似，但在強度衡準方面將極地船與破冰船分開，對于破冰船提出了更嚴格的要求（見表8）。

DNV規范對于破冰船總強度考慮得較多，不僅給出了總縱強度垂向設計冰剪力和垂向設計冰作用彎矩的公式，同時也有關于船中受到浮冰擠壓時橫向強度和船首子結構在沖撞破冰時強度的相關要求（Pt.5 Ch.1 Sec.4 E）。RS規范則相反，在規范中并沒有專門篇幅對冰區總強度的問題進行說明。

2.3 構件尺寸

由于各種規范對于不同區域外板的厚度和骨材尺寸都有具體的計算公式，因此本文通過使用不同規范分別計算某破冰船的冰區加強構件尺寸，并根據結果來進行對比分析。

由于BV規范、DNV-GL規范和ABS規范計算體系相同，故本文參考ABS規范，按PC3 Enhanced冰級進行計算，按照破冰能力相近的原則，與之相對應的RS規范按Icebreaker 7的要求進行計算，DNV規范按照Polar 15冰級計算。全船舷側采用橫骨架式，肋骨間距取為400 mm，材料的屈服極限為390 MPa。本文在計算中選取了比較有代表性的冰帶區外板和舷側肋骨尺寸進行對比分析。

表9列出了冰帶區域沿船長方向的板厚計算結果。

表9 冰帶區外板厚度對比mm

表10列出了冰帶區域舷側普通肋骨沿船長方向需要滿足的剖面模數和腹板剪切面積的要求。普通肋骨的跨距按1.5 m計算。

表10 冰帶區舷側肋骨尺寸要求對比

通過對比可以看出，在外板厚度方面，ABS和RS計算結果大體一致，但DNV規范計算值要遠大于其他規范；而對于舷側肋骨，ABS規范在首尾端對于剖面模數要求較高，RS規范則在船中區域的剖面模數要求較高，DNV規范計算的肋骨剖面模數與前兩者差別不大，但剪切面積則要遠大于其他規范。

2.4 結構設計細則

RS規范和ABS規范對于破冰船的冰區加強結構都有比較細致的規定，包括舷側肋骨、舷側縱桁的布置以及間距、與外板相連的艙壁和甲板等板結構的加強范圍、首尾柱的截面積及肘板間距要求、雙層底高度及縱桁間距等等。而其他規范對于冰區加強的結構細則描述的比較簡略。

3 結 論

通過以上各個方面的對比可以看出，各國船級社的破冰船規范在內容結構上大體相似，但在具體的規定上又不盡相同。從體系上來看，RS規范和DNV規范相對獨立一些，而ABS、BV和DNV-GL規范則是建立在統一的IACS PC規范基礎之上。各種規范在破冰船結構設計的側重點上有著各自不同的特點：

（1）RS規范對于破冰船冰級的劃分以及結構加強的分區比較清楚和詳細。該規范針對破冰船船型提出了較具體的要求，明確了破冰船與普通極地船在外形上的區別，同時通過設計冰載荷的計算方法突出了船型對于破冰船的重要性。此外，規范對冰區加強結構的布置也有較詳細的說明，但沒有涉及到關于船體總強度的要求。

（2）DNV-GL規范是建立在IACS PC規范體系之上的，與ABS和BV規范比較類似。而原DNV規范與其他規范相比在結構加強分區方面比較復雜和特殊，而且關于首部的加強范圍比其他規范都大；同時由于專門考慮了沖撞破冰等特殊工況，其冰載荷的種類也比其他規范要多，船體總強度的計算也更全面一些；DNV規范中雖然對于破冰船的腐蝕厚度沒有做出特別要求，但通過對結構加強構件尺寸的計算發現其要求的外板厚度和骨材面積都遠大于其他規范。

（3）ABS規范與BV規范有共同的基礎，在冰載荷和構件尺寸的計算上基本是一樣的。從計算結果來看在加強要求相似的情況下，其首尾端構件的要求要比RS規范更高一些，而船中構件要求較低。但在其他方面，兩種規范之間有比較明顯的不同：BV規范在IACS規范的基礎上針對破冰船冰級劃分、結構加強分區、外形參數要求等方面制定了專門的標準，更貼近于RS規范的體系，在總強度衡準方面也比ABS規范要求更高一些。

綜上所述，RS規范基于自身體系專門針對破冰船結構特點提出了包括船體線型在內的比較詳細的要求，其構件的計算公式也基本是通過大量的試驗得到的經驗公式，因此應該是比較適合于指導破冰船的結構設計的。ABS規范、BV規范以及DNV-GL規范在IACS極地航行船舶規范體系的基礎上對破冰船加強分區、外形參數和結構細則等方面提出了特殊要求，也具有重要的參考價值。而DNV原有的破冰船規范對于船體加強的范圍較大，構件尺寸要求也比較高，可能會在一定程度上增加船體的結構重量，因此已被逐步淘汰。但該規范對于破冰等特殊工況下船體結構的載荷和強度計算具有較大的參考意義。

［1］吳春平，吳剛，王曉琳. IMO極地規則和未來極地船舶發展趨勢分析［J］.造船技術， 2014（2）： 6-9.

［2］IACS. Requirements concerning Polar Class［S］. 2011.

［3］RMRS. 2-020101-072-E（T1） Rules for the Classification and Construction of Sea-Going Ships［S］. 2013.

［4］ABS. Rules for Building and Classing Steel Vessels， Part 6［S］. 2013.

［5］DNV. Rules for Classification of Ships， Part 5［S］. 2013.

［6］DNV-GL. Rules for Classification of Ships， Part 5［S］. 2015.

［7］BV. Rules for the Classification of Polar Class and Icebreaker ships［S］. 2010.

信息動態

海洋工程總裝研發設計國家工程實驗室籌備會順利召開

2017年1月18日，中國船舶及海洋工程設計研究院（MARIC）組織的海洋工程總裝研發設計國家工程實驗室籌備會順利召開。集團公司科技部以及中集海工、外高橋造船、上海船廠、滬東中華、黃埔文沖、廣船國際、611所、上海交大、哈爾濱工程大學、四川宏華、上海利策等實驗室成員單位代表參加了會議。

會上，大家針對實驗室籌建方案以及理事會章程、實驗室管理辦法和科創基金課題管理辦法等初稿文件提出了寶貴的意見和建議，并對如何利用好實驗室平臺開展協同創新展開了熱烈的討論。此次會議為實驗室第一屆理事會的順利召開奠定了基礎。

Comparative study of structural design rules for polar icebreaker ships

GONG Cheng
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Having compared and analyzed the structural design rules for icebreaker ships that proposed by major classi fi cation societies, the paper investigates the di ff erent rules' speci fi c requirements of the de fi nition of ice classes, division of ice strengthening region, allowance of material and corrosion, parameter of hull shape, ice loads, the overall strength of ice zone, the scantlings of the ice-strengthening structures and the details of the structural design. The characteristics of the di ff erent rule systems are summarized to provide references for the structural design of the polar icebreaker ships, which has certain practical signi fi cance.

icebreaker; ice strengthening; comparison of rules; structural design

U662.1

A

1001-9855（2017）01-0084-10

2016-08-03；

2016-10-14

龔 丞（1987-），男，碩士，工程師。研究方向：船舶結構設計。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2017.01.084