不同冰級破冰船船級社最小功率要求分析

(上海交通大學 a.船舶海洋與建筑工程學院；b.海洋工程國家重點實驗室；c.高新船舶與深海開發裝備協同創新中心(船海協創中心)，上海 200240)

極區航行的船舶主要分為兩類：①冰區航行船舶(ice-going ship)能夠獨立航行于在浮冰區域及部分薄密集冰區域，或在破冰船的護送下在冰中航行；②破冰船(icebreaker)是專門從事各種破冰作業的船舶，其中包括：冰區護航、翻越冰山、航道破冰、冰區拖拽、破冰和救助作業[1]。極區航行船舶功率作為反映船舶破冰能力的一項關鍵指標，直接影響極區船舶的安全性和作業區域。對于冰區航行船舶功率要求計算，主要采用芬蘭-瑞典規范(FSICR)[2]。對于破冰船功率要求計算，各大船級社的要求差別較大。本文通過綜述4家船級社對破冰船冰級和最小功率要求，研究2種破冰船最小功率計算公式，分析影響破冰船最小功率的各類因素。結合不同船型、冰級的破冰船實船數據分析，各類因素的影響程度并對計算方法的有效性和通用性進行討論。

1 破冰船冰級

對于破冰船而言，要遵循IMO制定的Polar Code，還需要滿足所入級的船級社的破冰船規范要求。美國船級社(ABS)和法國船級社(BV)以國際船級社協會極地冰級規范(IACS PC)規范[3]體系為基礎，并輔以本船級社的部分要求。俄羅斯船級社(RS)和挪威船級社(DNV)的破冰船規范擁有相對獨立的體系[4]。而冰區航行船舶主要是滿足FSICR和IACS PC規范相應要求。本文重點選取RS、BV、ABS、DNV[5-8]規范進行計算對比。

RS有1995年和2008年2個版本的規范，其中RS破冰船規范(1995)[9]中對破冰船的分級分為4個等級，LL1、LL2、LL3及LL4。RS破冰船規范(2008)對于破冰船分為4個等級：Icebreaker6、Icebreaker7、Icebreaker8、Icebreaker9。

BV和ABS都是以IACS PC規范體系為基礎，將破冰船分為7個等級，分別對應于PC 1到PC 7。BV增加了對PC 1到PC 7冰級比較詳細的冰情描述，并以Icebreaker 1到Icebreaker 7劃分破冰船； ABS規范要求，需要滿足ABS的Polar Class，Enhanced規范才能授予Ice Breaker標識，破冰船冰級為Ice Breaker，PC1到Ice Breaker，PC7。

原DNV對破冰船標志定義為ICE-05 Icebreaker、ICE-10 Icebreaker、ICE-15 Icebreaker、Polar-10 Icebreaker、Polar-20 Icebreaker和Polar-30 Icebreaker。對于冰情介于以上冰級的極區船舶，經特殊考慮，可授予相關冰級符號，如Polar-25。而DNV與GL合并后推出DNV-GL規范，用基于IACS PC規范的新規范代替了原DNV破冰船規范，但原DNV破冰船規范擁有獨立的體系和特點，具有很大的研究價值。

2 不同破冰船冰級的最小功率要求

IACS制定的Polar Class規范對于破冰船最小功率并未做出具體要求，因此，各船級社依據自己的工作給出了對應相應冰級的最小功率要求。

2.1 RS破冰船功率要求

RS針對不同的破冰船冰級直接給出相對應的最小輸出功率。不同冰級的破冰船軸功率不應低于表1中相應等級要求數值。

表1 RS船級社功率要求

2.2 BV破冰船功率要求

BV規范要求，不同等級破冰船軸功率不應低于表2中相應等級要求數值。對于通過模型試驗或實船試驗確定推進功率的船舶，可根據具體情況，確定推進裝置最小輸出功率。

表2 BV船級社功率要求

2.3 ABS破冰船功率要求

ABS規范要求，不同等級破冰船軸功率不應低于表3中相應等級要求數值。

對于PC1到PC4，且標識有Ice breaker的船舶而言,最小輸出功率N為

N=kA(B)0.8(L)0.4[1+me-5Δ×10-6]

(1)

式中：k為系數，k=0.735；A、m為系數，見表3。

表3 ABS船級社A、m系數

2.4 DNV破冰船功率要求

DNV對極地船舶最大連續輸出功率的規定與船型緊密相關，需根據具體船型具體計算。最大連續輸出功率P應不低于下式計算所得數值。

P=1.5cscpINB[1+1.6T+

27(0.1IN/T0.25)0.5

(2)

式中：具有傳統破冰船艏的船舶cs=1，cs=0.9+γ/200，最小值為1且不會超過1.2;變槳距螺旋槳cp=1，定槳距螺旋槳cp=1.1；IN為冰級數值；B為水線處型寬；T為垂線間長；γ為冰區高位水線縱剖面角。

3 破冰船最小功率計算

選取3艘不同破冰能力的破冰船，選用RS、DNV、BV、ABS 4家船級社的對應冰級，按照破冰能力相近的原則，計算對破冰船的最小功率，對比見表4、圖1。

表4 破冰船主要參數

圖1 不同規范最小功率要求對比

3.1 LK-60YA級破冰船

LK-60YA級核動力破冰船為俄羅斯新一代核動力破冰船，工程代號Project 22220，同級別總共建造3艘。該系列為現世界上破冰能力最強的破冰船，入級RS，冰級Icebreaker 9，總長173 m，設計水線長160 m，船寬34 m，水線處型寬33 m，吃水為10.5 m，排水量為33 540 t，船舶軸功率60 000 kW[10]。根據破冰能力相近的原則，選擇計算冰級為Icebreaker 1、Ice Breaker，PC1、Polar-30 Icebreaker對該船的最小功率進行計算。

3.2 “Taymyr”號

“Taymyr”號是俄羅斯Taymyr級核動力破冰船，冰級LL2，總長149.7 m，設計水線長136.32 m，船寬29.2 m，水線處型寬28 m，吃水9 m，排水量為21 100 t，船舶軸功率為32 500 kW[11]。根據破冰能力相近的原則，選擇計算船級為Icebreaker 2、 Ice Breaker，PC2、Polar-20 Icebreaker、Icebreaker8對該船的最小功率進行計算。

3.3 “雪龍2號”

中國第一艘自主建造的極地科學考察破冰船“雪龍2號”冰級PC 3，總長122.5 m，設計水線長117 m，船寬22.3 m，水線處型寬22 m，吃水7.8 m，排水量14 300 t，船舶軸功率依推進功率估算約17 000 kW左右[12]。根據破冰能力相近的原則，選擇計算冰級為 Icebreaker 3、Ice Breaker，PC3、Polar-15 Icebreaker、Icebreaker7對該船的最小功率進行計算。

通過表4、圖1可知：①LK-60YA型破冰船能夠很好地滿足RS和BV規范的最小功率要求，而DNV規范計算出的最小功率要求比實船功率高18 193.3 kW，ABS規范計算出的最小功率要求比實船功率高9 362 kW。②Taymyr同樣能滿足RS和BV規范要求，DNV規范計算出的最小功率要求比實船功率高4 807.3 kW，ABS規范計算出的最小功率要求比實船功率高6 219.2 kW。③雪龍2號的實船功率估算約為17 000 kW，即可以滿足RS、BV規范要求，DNV規范計算結果比實船功率約高2 334.6 kW，ABS規范計算結果比實船功率約高3 364.5 kW。

依據分析結果，對于選取的破冰船，都可以較好滿足RS和BV規范要求，而對于破冰能力較強的破冰船，ABS和DNV規范計算出的最小功率要求會比實船功率高，相對比較保守。

本文選取的3艘破冰船冰級都不盡相同。通過對比3艘計算出的最小功率要求，可以看出不同冰級之間最小功率要求差距很大。因此，依據破冰船的航行作業環境選取合適的冰級至關重要。

4 最小功率影響因素分析

通過分析幾大船級社對于破冰船最小推進功率的計算公式可知，影響破冰船最小功率的主要因素有冰級、水線處型寬，ABS還將水線長以及排水量作為另外的影響因素，而DNV則考慮以吃水作為另外的影響因素。

4.1 RS和BV規范

RS和BV規范對于破冰船最小功率只有船級一個影響因素。不同的冰級對應不同的冰情與冰厚情況，同時也對應不同的破冰船最小功率。每個冰級的最小功率相差比較大，究其原因，可能是由于考慮了冰情與冰厚跨度比較大，包含了從1年冰到多年冰，致使船體型線因素影響遠不如冰情、冰厚的影響。對于冰情比較嚴重、冰厚較厚的情況，還需要進行更多的研究工作，以提供更詳細準確的規范要求。

4.2 DNV規范

DNV規范除了將冰級作為影響破冰船最小功率最重要的因素外，還將船寬和吃水作為影響最小功率的主要因素。通過對現有破冰船進行統計，并為了方便數據對比，選取計算冰級為POLAR-20 Icebreaker。本文依據DNV最小功率計算公式探討水線處型寬和吃水對最小功率要求的影響，水線處型寬B取值范圍為23～30 m，吃水T取值范圍為8～11 m，見圖2。

圖2 依據DNV規范計算的吃水、水線處型寬與最小功率關系 (船級為POLAR-20 Icebreaker)

由圖2可見，吃水與最小功率的關系是近似線性增加，在吃水變化范圍內(8～11 m)，吃水每增加1 m最小功率增加約為2.7%，并且增加趨勢逐漸增大。且可以發現隨著吃水的增加，吃水對最小功率的影響更加劇烈。

對DNV最小功率計算公式進行分析，可知最小功率與水線處型寬是成線性增加關系。在水線處型寬變化范圍內(23～30 m)，總的最小功率變化為26.1%，水線處型寬每增加1 m最小功率增加1 350.54 kW。且水線處型寬變化范圍(23～30 m)也比吃水變化范圍(8～11 m)更大，表明水線處型寬對破冰船最小功率影響比吃水更大。

4.3 ABS規范

ABS規范最小功率計算公式涉及到的因素更多，除了將冰級作為影響破冰船最小功率最重要的因素外，還將水線長、水線處型寬和排水量3個船體參數考慮其中，對于船型相似的船舶來說相當于考慮了水線長、水線處型寬和吃水。

破冰船對方形系數Cb有一定要求，破冰船的方形系數Cb一般在0.46～0.49范圍內變化。選取方形系數Cb為0.47，將排水量的影響用長、水線處型寬、吃水進行分析。此外，破冰船的長寬比L/B比較小，通過對現有破冰船進行統計，取水線處型寬中值26.5 m，吃水中值為9.5 m，并選取9組長寬比，分別為4.6～5.0(間隔為0.05)，為了方便數據對比，選取冰級為Icebreaker，PC2，利用ABS規范最小功率計算公式探討水線長、水線處型寬和吃水對最小功率的影響，見圖3、4。

圖3 依據ABS規范計算水線長、吃水與最小功率關系 (水線處型寬為26.5 m，船級為Ice Breaker，PC2)

圖4 依據ABS規范計算不同水線長、 水線處型寬與最小功率關系

由圖3可見，ABS規范最小功率計算公式中，隨著吃水的增加，最小功率反而降低，與DNV最小功率計算公式的計算結果相反。但在吃水變化范圍(8～11 m)內，最小功率只改變了約1.4%。 在吃水相同的情況下，變化破冰船水線長，即改變長寬比，在水線長變化范圍內(122～132 m)，水線長每增加1 m最小功率增加約為3.0%。隨著水線長不斷增加，水線長變化對于最小功率的增加趨勢不斷降低。

由圖4可見，在水線長相同的情況下，通過選取不同的長寬比，獲得不同的水線處型寬值。在長寬比變化范圍內(4.6～5.0)，長寬比每減小0.1，破冰船的最小功率增加1.5%～1.6%，且增加趨勢隨長寬比減小而增大。分析斜率變化發現，水線長在135～140 m間的破冰船，水線處型寬變化對于最小功率的影響最大；在此范圍外，隨著水線長變化，水線處型寬變化對最小功率的影響逐漸減小。

5 結論

1)對比4家船級社破冰船最小功率規范要求，對同一艘船而言，BV對最小功率的要求最低，其次為RS。ABS和DNV比較保守，特別在冰級較高時，與RS、BV規范差距較大。

2)通過對選擇的3艘破冰船進行計算，可以發現所選破冰船都能夠滿足RS和BV的最小功率要求，對于破冰能力較大的船舶難以滿足ABS和DNV最小功率要求。

3)破冰船不同冰級對最小功率要求差別較大，是影響破冰船最小功率的最主要因素，在選擇破冰船冰級時需要根據具體的航行作業環境，選擇合適的冰級。

4)通過分析DNV和ABS最小功率計算公式，研究水線長、水線處型寬以及吃水對于破冰船最小功率要求的影響。水線處型寬影響最大，水線長的影響較小，而吃水對最小功率影響在2種規范正好相反，需要進一步研究。

5)后續研究中應增加實船試驗或模型試驗，進一步完善本文的結果。還應對其他船體參數對于破冰船最小功率的影響進行分析。