極地海域撬冰式破冰拖船關鍵技術應用研究

朱 彬

(江蘇大津重工有限公司，江蘇 鎮江 212221)

0 引言

近年來，俄羅斯“北方航線”[1]的全年通航成為世界海上交通的一個重要課題。“北方航線”將太平洋與大西洋之間的運輸距離縮短25%～55%，航行時間節省約35%～50%，這大大降低了海上交通運輸成本。

破冰船的主要功能是破碎水面冰層，開辟航道，保障艦船進出冰封港口、錨地，或引導艦船在冰區航行。按航行區域，破冰船一般分為江河、湖泊、港灣或海洋破冰船。通常一些地處極區與寒區或高緯度地區港灣或海面經常冰封，航道受阻，且冰對船舶運行產生破壞和影響，因此，為確保冰區航行安全和暢通，破冰船就成為必不可少的工具。

長期以來，破冰船的研發都由北歐地區的國家主導，并引領技術水平發展方向，在冰等級劃分和破冰能力的設計上占據絕對領先地位。目前在世界上設計和建造破冰船能力較強以及擁有該型船的國家主要有：俄羅斯、芬蘭、瑞典、德國、美國、挪威、丹麥、加拿大等[2]。中國的破冰船研究還處于“跟跑”階段，和這些國家相比還有較大的差距。

現階段，國內有研究破冰船總體布置、線型設計[3]的，也有研究帶破冰功能全回轉拖船[4]的，還有進行不同船艏角撞擊冰層的有限元分析研究的[5]。本文在研究破冰船的船體艏艉型線和形狀、撬冰式冰刀結構形式的基礎上，提供了破冰冰刀設計方法，且在實船俄羅斯破冰護航拖船(Vityaz)上進行了應用。

1 本設計船舶概述

俄羅斯破冰船(Vityaz)是一艘擁有雙主機、全回轉導管槳、單臺艏側推等主要設備、能夠在無限航區航行的海工輔助船，主要服務于俄羅斯遠東地區的港口，如薩哈林海域[6]，為該區域的油氣設施、裝備提供服務。該船具備多種工作功能：錨作拖帶；護航Aframax級油輪靠泊港口及單點系泊(SPM)；運輸和傳送物品或人員登乘及撤離SPM和MOB；污油回收及應急響應；破冰；對外消防和救助等。

2 破冰船艏艉形狀設計研究

(1)撬冰式破冰拖船船體結構的艏部斜外板與水平面的夾角為25°。在冰區航行時，船艏斜外板首先接觸冰層并對冰層產生下壓力，使冰層被船底部冰刀撞碎，同時前傾式的船艏有利于碎冰順利進入船底部經過艉部排出。

(2)該船艉部斜外板與水平面的夾角為17°。艉部為半排冰船艉，推進裝置設置在艉部斜外板的過渡段處。過渡段與水平面的夾角小于17°。由于艉部有長而淺向上傾斜的縱剖線，有利于碎冰沿艉部斜外板在推進裝置的螺旋槳前方順利排出，防止碎冰脫離船體外板對推進裝置的螺旋槳造成干擾和破壞。

(3)本撬冰式破冰拖船船體結構滿足俄羅斯船級社(RMS)對Arc8 & Arc9 破冰等級的強度要求。

(4)利用芬蘭Aker Arctic冰池的試驗數據對該船的長寬比進行研究，并對冰區加強進行核算，從而獲得本船長寬比的數值為3.73。該長寬比有利于提高船舶在浮冰區的機動靈活性，并且防止冰層對艏艉區域壓力矩過大造成船體結構受損。

(5)艏部斜外板的厚度為17.5 mm，艉部斜外板的厚度為13.5 mm，符合船體對外板強度的要求，保證了破冰拖船船體的整體結構強度。 本實例的撬冰式破冰拖船船體結構的冰帶區域外板板厚t1計算公式[7-8]：

式中：s為扶強材間距；f1為系數；σy為鋼板屈服強度，高強鋼取355 MPa；tc為鋼板腐蝕余量，一般取2 mm。

本實例的撬冰式破冰拖船船體結構的艏艉部斜外板所用鋼材的牌號為AH36。

船體結構縱向剖視圖見圖1。

1—艉部斜外板；2—主甲板；3—艏部斜外板；4—橫向艙壁；5—縱向框架；6—垂直立柱；7.1—第一艏部制蕩縱艙壁；7.2—第二艏部制蕩縱艙壁；7.3—艉部制蕩縱艙壁；8—水密橫艙壁；9—升高主甲板；10—雙層底內底板；11—艉滾筒；12—過渡段；13—推進裝置。

圖1 船體結構縱向剖視圖

3 破冰船冰刀結構設計研究

3.1 破冰船破冰方式

破冰船的破冰方式有兩種[9]：第一種是利用船體本身的重量壓載在冰面上，通過重力方式將冰層壓碎；第二種是利用船舶本身的動力，通過冰面的冰上沖撞擠壓將冰層破碎，從而開鑿海面。第一種方式是利用船體本身重力來實現破冰的，使用較為普遍，但該方法存在以下缺點：船體體型大、破冰緩慢、能耗高、效率低等；且以往的破冰厚度均較薄，一般厚度約為0.3 m。這樣會造成在開辟航道時經常遭遇卡冰現場，破冰效率不高。其主要原因還是在于破冰結構的設計不能滿足破冰要求，以及破冰船本身的設計難以提高破冰效率，造成一定的資源損失和浪費。

3.2 破冰冰刀結構特征及其優點

為了解決以上技術問題，本實例提供一種用于破冰船的破冰冰刀設計方法。具體方法是：冰刀安裝于破冰船底部的船體外板上，由一塊底板和兩塊對稱設置的側板組成。側板、底板與船體外板通過全焊透焊接形成全封閉結構。冰刀為附屬在船體中內龍骨外且沿船長方向布置的連續箱體結構，艏部與中線呈單面12°傾角，朝艉采用漸寬過渡到平直再變窄的結構，每檔肋位設有連接一側側板的框架板，框架板一側與側板之間設有用于焊接固定兩者的塞焊面板。

每檔肋位設置框架板，作為破冰冰切橫向的加強結構。框架板一側與側板之間設有塞焊面板，作為用于最后焊接側板的鋼襯墊，從而提高整體為全封閉結構的破冰冰刀的整體結構強度。本形式設計船型冰刀為貫穿于全船的連續結構。艏部采用尖艏形式為船首破冰時提供強大的應力點，朝艉逐漸變寬再過渡到平直再變窄的結構方便船倒車時破冰，同時有利于碎冰的排出，向艉貫穿全船，可以提高航向穩定性。由此可見，通過科學的結構設計，解決了破冰船卡冰和結構強度不足的技術問題，從而增加了破冰的厚度，提高了破冰效率，節約了資源。

破冰船的破冰冰刀，朝艉方向5 m范圍內通過圓弧過渡使得寬度增加至2 m，在4 m范圍內圓弧過渡至寬度0.8 m并保持平直延續至艉部，在艉部末端2 m范圍以單面12°傾角交于中線。破冰冰刀底板、側板、框架板與塞焊面板均采用屈服強度355 MPa以上的高強度鋼。

3.3 冰刀結構計算

艏部冰刀豎直外板板厚計算t2方式[8-9]：

式中：f2為系數，最大值取1.0。

冰刀豎直外板計算取值見表1。

3.4 冰刀設計的效果

(1)本冰刀首尾尖銳的結構設計有利于高效破冰，艏部肥大設計既能增強艏部冰刀的強度，同時又能引導碎冰向左右兩側分散，防止碎冰積蓄在艏部，保障船舶能夠持續高效破冰。

表1 冰刀豎直外板計算取值表

(2)應用破冰冰刀計算方法可以高效、精準地選取合適的厚度。通過軟件建模，對冰刀在破冰工況下的強度進行有限元分析驗證，得到滿足設計要求的板厚數據，從而保證破冰冰刀的工況有效性。

(3)選用耐低溫、高強度的鋼材，進一步加強了破冰冰刀的整體結構強度和耐用性。

冰刀結構的立體示意圖見圖2。冰刀典型節點圖見圖3。

圖2 冰刀結構的立體示意圖

圖3 冰刀典型節點圖

4 結論

本設計用于航行于北極圈及俄羅斯遠東海域的破冰船，并成為開辟經濟航道、救助被困船只的特種船舶的破冰利器。本設計的成功實踐表明：

(1)該設計提高了小噸位船舶的破冰等級，降低了同級別破冰船的投資成本。

(2)有利于提高船底碎冰的排出速度，增加了主船體的結構強度和破冰效率。

(3)提高了船舶的航向穩定性。

(4)使以破冰為基本功能的各類海洋工程船具備多功能的特點，滿足復合功能的市場使用要求，開拓了新型的破冰船應用領域。

目前，該兩項技術通過了發明專利審核，技術成果轉化為實際應用。