極地船舶規范及其主要技術發展

曹 晶 王 剛

（1.中國船級社 上海規范研究所 上海 200315；2.中國船級社 船舶與海上設施結構安全實驗室 上海 200315）

0 引言

近年來，極地的經濟、軍事和政治等戰略地位日益凸顯，已成為世界各國關注的焦點。美國、俄羅斯和歐洲等近北極國家和地區，在原有優勢的基礎上正在積極布局極地船舶裝備，提升極地科學考察、商業航運和資源開發能力，切實保障未來在極地地區的資源開發活動[1]。然而極地常年被海冰覆蓋，北極冬季海冰冰厚在2.5～ 3.0 m，南極存在大量冰山；南北極最低測量溫度分別達到-89.2 ℃和-59 ℃，高寒環境、復雜冰況等極端環境給船舶裝備及人員安全帶來巨大風險與挑戰。國際公約、規則與規范為極地航行船舶應對極地復雜環境及風險提供安全技術及準則。國際海事組織（international maritime organization，IMO）頒布了《國際極地水域航行船舶規則》（簡稱“極地規則”）[1]。北冰洋附近國家船級社建立起了完善的極地船舶規范標準體系，研發安全評估技術，助推了極地船舶技術裝備的創新。經過多年積累，我國在極地航行與開發方面取得顯著成果。2013 年，中遠海運集團的永盛輪成功首航北極東北航道；2019 年，極地科學考察破冰船“雪龍2”號由江南廠建造并交付使用。

國家《“十四五”規劃和2035 年遠景目標綱要》明確指出：要瞄準極地深海等前沿領域，實施一批具有前瞻性、戰略性的國家重大科技項目，開展極地立體觀監測平臺和重型破冰船研制，雪龍探極二期建設。我國極地航行與開發技術進入了新發展階段。為此，本文全面梳理總結國際公約、極地船舶規范技術現狀及特點，研究提煉極地船舶安全相關的重要關鍵技術，為未來我國極地船舶規范體系的自主構建提供技術支持，以支撐未來極地船型開發與航運拓展。

1 極地船舶技術現狀及趨勢

為推動極地水域人命安全和環境保護、可持續的極地（北極）航運發展，2017 年7 月1 日，IMO“極地規則”生效，極地水域船舶受極地規則約束。依托于豐富的極地船海裝備研發及極地航行實踐，北冰洋附近國家建立起了完善的極地船舶規范標準體系，俄羅斯船級社建立完整的破冰船規范，挪威船級社、美國船級社等紛紛推出了船舶防寒相關的規范指南。與此同時，先進的極地船舶規范標準進一步助推了極地船舶裝備的創新發展。

在極地規則強制實施和北極航運需求推動下，我國極地航行船舶規范標準得以完善。中國船級社（CCS）在冰區加強規范基礎上，陸續發布《低氣溫環境下操作船舶的補充規定》（簡稱“防寒規范”）、《極地船舶指南》等，支持國家每年極地科考任務和北極東北航道商業利用，以及“雪龍2”號等極地船型開發和建造項目。

伴隨北極油氣資源開發深入，滿足抗高冰況、耐高寒冷并具有復雜操作模式的大型化破冰型極地資源運輸船型開發成為未來發展需求。芬蘭AKER北極公司開發了新一代具備常年北極航行能力的高冰級液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）船。而從北極航道的發展趨勢來看，多用途船、油船、LNG 船和集裝箱船將成為未來極地海域的四大主力運輸船型[2]。極地探險旅游保持上漲態勢，其中南極觀光活動每年以10%～ 15%的遞增速度上升，帶動了極地郵輪的需求。隨著我國極地開發與科學考察的深入，亟需重型破冰船等重型裝備[3]，以保障我國極地戰略、軍事和船舶安全。而國際規則、法規對安全、環保要求的日益嚴格，提高了極地船舶裝備研發、航運拓展的技術準入門檻，因此需要加強極地船舶技術攻關與規范標準建設。

2 極地船舶公約規范體系

2.1 國際公約

國際法律框架規定極地航行船舶設計和操作。法律框架的主體是《聯合國海洋法公約》（united nations convention on the law of the sea，UNCLOS）、IMO、船旗/沿岸國/港口國、認可組織（recognized organization，RO）以及國際船級社協會（international association of classification societies，IACS），如下頁圖1所示。

圖1 極地船舶國際公約、規則與規范體系

極地規則制定采用了風險方法確定控制范圍和識別減緩風險措施，考慮的主要風險包括：海冰、船舶結冰、低溫、極晝極夜、高緯度、偏遠及水文資料不足、船員經驗不足、惡劣多變的氣候和環境敏感性等。制定的安全措施采用了目標型標準（goal-based standards，GBS）的模式，即以識別的危害為導向，確定目標、規定功能性要求以及分析出規定性要求等3 個層次要求。極地規則包含安全措施和環保措施兩大部分，涵蓋極地船舶構造、設備、操作、培訓、搜救和環保等方面。由于采用基于風險的方法，可解決極地規則的適用性問題，并能支持極地船的創新設計發展。極地規則也考慮了《聯合國海洋法公約》第234 條責任和權力，域外國家北極航運船舶需要遵循北極沿岸國北極航道通航強制要求。

2.2 船級社規范

IACS 制定了極地船舶相關要求，主要包括UR I 《極地級相關要求》，提供了極地冰區獨立航行的極地級船舶結構、機械裝置要求，共包含7 個冰級（PC7～ PC1），如表1 所示；UR S6《各種船體構件的鋼級使用-長度為 90 m 及以上的船舶》，其中提供了低氣溫環境下船體構件鋼級使用要求。這些要求均被“極地規則”采納并引用，PC 冰級作為“極地規則” A、B 類船舶的強制要求。

表1 極地冰級

為了支撐我國極地航運開發、極地船舶裝備設計制造，確保我國極地航運安全，在極地船舶規則、規范標準體系框架中，配套實施IMO“極地規則”，中國船級社制定并發布涵蓋規范、指南和計算軟件的極地船舶規范標準，形成完整的規范標準體系。

中國船級社船舶冰區加強規范包含極地冰級規范和B 系列冰級規范。極地冰級規范納入國際船級社協會UR I 要求。B 系列冰級規范Ice Class B1*、B1～ B3 冰級適用于冬季波羅的海或其他相似冰況海域航行船舶，Ice Class B 適用于除大塊固定冰以外的漂流浮冰海域（如中國北方冬季 沿海）。

中國船級社《低氣溫環境下操作船舶的補充規定》為極地水域低氣溫操作的船舶提供基于極地服務溫度（polar service temperature,PST）/設計服務溫度（design service temperature,DST）的船舶及設備和系統的防寒水平[4]，如下頁表2 所示，包含暴露于低氣溫環境的船體結構和機械設備材料、起居和工作艙室、液艙、甲板設備和系統、甲板工作區域和脫險通道、救生和消防安全設備和系統、航行設備等方面的防寒措施的技術要求。中國船級社還制定了一系列極地船舶相關指南，其中：《極地船舶指南》、《極地水域操作手冊編寫指南》可指導用戶實施公約、規范的相關要求；《冰區操作船體監測及輔助決策系統指南》為極地船舶船體監測提供技術指導，該指南為“雪龍2”號的應力監測系統設計提供了有力的技術支持。

表2 中國船級社防寒水平

3 主要關鍵技術分析

海冰和低溫是極地船舶面臨的主要威脅，對極地船舶設計、建造和極地航行提出了巨大挑戰，因此針對破冰技術、防寒技術和極地航行保障技術等關鍵技術研究也是極地船舶規范研究的重要內容。

3.1 破冰技術

3.1.1 船舶冰載荷

船舶結構冰載荷的合理確定是極地船舶結構安全的核心內容。國際船級社協會極地冰級規范以船首受浮冰碰擦作用確定抵抗冰載荷所要取得的尺度設計場景[5]。基于船冰作用的能量平衡原理，假設船舶初始正常動能轉化為冰的破碎能，進而得到設計冰力。船舶撞擊冰緣的時候，冰力可以通過冰載荷模型方程進行求解得到，其力學原理是基于Popov 碰撞模型。冰力公式如下：

式中：P o為冰壓力，MPa，與冰級相關；ex為壓力面積指數；φ為冰緣角，（°）；β′為肋骨垂向角，（°）；?n為規范化質量，kt，?n＝ ?ship/Co；V n為規范化速度，m/s，V n＝Vshipl；Co為質量折減系數；l為x方向余弦，l=sin(α)cos(β′) 。

校核結構尺寸需要冰壓力，因此獲得冰力后還要轉化成結構承受的局部冰壓力，即設計冰載荷由均勻分布在一長方形載荷作用板（高b和寬w）上的平均壓力Pavg表征。

圖2 船首浮冰碰擦作用示意圖

隨著極地船舶朝新穎化、大型化發展，操作模式也更多樣，船冰作用工況更加復雜。基于正向碰擦的理論模型確定艏部冰載荷并采用船體分區因子的方式應用于其他船體分區的模式，必然不能完全反映實際冰載荷作用特點，特別是對具有特殊操作模型的船舶，具有一定的局限性。基于冰力學分析的冰載荷數值計算方法可以有效預報各種操作模式下船體的冰載荷作用，因此，冰載荷的數值模擬分析技術對極地船設計是一種必不可少的補充手段。

業界采用有限元、離散元、近場動力學、環向裂紋法和光滑粒子動力學等不同方法進行冰載荷數值分析[6-7]，但大多都是計算得到冰力用于冰區航行阻力計算，也有通過船體結構直行破冰的離散元模擬，分析了船體結構的總體冰載荷和局部冰壓力[8]。為解決滿足工程應用需求的冰載荷數值預報問題，中國船級社聯合業界單位開發船舶結構冰載荷高級分析專用軟件。基于海冰離散元的數值計算方法開發，準確模擬了PC1～ PC7 冰級要求下的冰荷載、冰阻力，解決了船舶直行、轉向、艉向、斜向和淺水等多種冰區操作模式下的局部冰壓力和整體冰阻力數值計算，并在重型破冰船、極地LNG 船等船型研發中進行了應用。

圖3 顯示了某型極地LNG 船結構冰載荷分析。通過建立船殼網格模型，運用海冰離散元法對極地LNG 船在設計冰況下艏向、艉向破冰模擬，設計海冰厚度1.5 m，海冰彎曲強度0.5 MPa；獲得了艏向、艉向的冰壓力分布特征，艏部典型位置冰壓力2.264 MPa，艉部典型位置冰壓力1.673 MPa。對于艉部破冰工況，圖 3（2）顯示艉柱下部受破碎浮冰撞擊，也承受了較大冰載荷，設計時需重點關注。

圖3 極地LNG 船結構冰載荷分析

目前我國“雪龍2”號配備并使用了冰載荷監測系統，國內也正在開展冰水池及試驗能力建設，隨著冰水池模型試驗或實船測量冰載荷數據的積累和分析，將進一步推動冰載荷數值預報能力提升。

3.1.2 結構強度

IACS 的URI《極地級相關要求》對外板及其骨材、主要支撐構件等船體結構制定了強度要求。外板及其骨材給出了基于冰壓力的描述性要求，強肋骨和承受冰載荷的舷側縱桁采用直接計算方法校核。不同于一般規范，UR I 制定外板及其骨材要求時采用了彈塑性準則，有助于確保結構材料分布及重量更加平衡，以抵抗設計/極端冰載荷。實際上，冰區航行實踐中，對于不損害船舶整體強度和水密完整性的局部小變形也是可以接受的。

對于強肋骨和承受冰載荷的舷側縱，可采用線性有限元或非線性有限元進行強度分析。線性有限元分析相對簡單、易于操作，目前被廣泛應用，規范中也給出了衡準要求，包括腹板許用剪切應力為。考慮彈塑性能力，面板的許用Von Mises 應力取1.15Reh，腹板和面板還應滿足屈曲要求。相比線性計算，非線性計算更加復雜，規范中也僅給出了基于目標的要求，尚無明確的衡準，目前非線性分析方法尚未廣泛應用于設計[9]。

彈塑性設計方法也適用于結構極限承載能力計算和損傷分析。很多科學工作者闡述過結構極限載荷的力學概念，也提出了若干結構極限載荷準則（如切線法、最大彈性變形法、兩倍彈性斜率法等）。開展冰載荷作用下的結構極限承載能力研究，通過非線性有限元方法獲得冰載荷作用下結構的載荷-變形曲線，再利用合適的極限載荷準則來確定結構的極限承載能力。圖 4 為對典型舷側結構模擬假定的不同初始塑性變形（取主要支撐構件跨距l 的比例），分別采用切線法、最大彈性變形法、兩倍彈性斜率法計算冰載荷下結構的極限承載能力。

圖4 冰載荷作用下結構極限承載能力計算

表3 顯示了不同初始塑性變形下的結構極限承載能力。可以看出：當初始屬性變形大于一定值時（如l/200），3 個方法得到的極限承載能力呈顯著下降趨勢。上述方法可作為極地船舶結構局部變形損傷修理的判定參考。

表3 不同初始塑性變形下的極限承載能力

隨著船舶大型化發展，冰載荷作用下的整船有限元直接計算也是重要內容（參見圖5）。基于冰區航行工況進行冰載荷預報，研究冰載荷對船體結構影響，包括冰載荷與其他載荷相互關系和組合系數、冰載荷加載方法、考慮冰載荷的評估衡準，提出考慮冰載荷的整船有限元分析方法建議。

圖5 冰載荷加載

3.1.3 螺旋槳及軸系強度

一般采用有限元直接計算校核冰載荷作用下的螺旋槳強度，規范給出了詳細的螺旋槳冰載荷工況及衡準。針對極地航行船舶的螺旋槳有限元強度分析要求，中國船級社對螺旋槳的空間幾何造型進行了研究，推導了將葉片型值表換算到空間坐標的公式，開發了螺旋槳有限元強度校核計算軟件，極大提高了螺旋槳有限元計算的準確性和效率。冰載荷作用下的螺旋槳應力云圖如圖6所示。

圖6 冰載荷作用下的螺旋槳應力云圖

冰載荷激勵下的推進軸系扭振計算方法是推進軸系設計的關鍵因素。相比大量常規的扭振研究工作而言，目前我國還缺乏冰載荷激勵下的扭振技術研究。中國船級社開展了極地航行4 種冰載荷工況下的螺旋槳槳葉激勵分析，利用Fourier（傅里葉）變換將4 種工況下的螺旋槳冰載荷時域（螺旋槳旋轉角度）激勵信號轉化為頻域激勵信號，并提出變速系統中螺旋槳激勵諧次與幅值轉化為與柴油機轉速相同當量系統的方法[10]。根據以上冰載荷激勵研究與分析成果，開發了基于頻域分析的冰載荷激勵下推進軸系扭振工程計算軟件，已應用于實船檢驗中。

當考慮螺旋槳收到冰載荷激勵為瞬態沖擊形式時，中國船級社開展了采用時域方法的推進軸系瞬態扭振計算研究[11]，對其中的建模方法、計算方法、激勵和阻尼等關鍵技術及影響因素進行研究，形成冰載荷作用下的推進軸系瞬態扭振計算的一般流程，采用Newmark（紐馬克）逐步積分法并借助求解工具，對極地航行船舶推進軸系進行瞬態扭振仿真計算，實例驗證了計算方法及程序的正確性，可為極地航行船舶電力和低速柴油機推進軸系瞬態扭振計算提供工程參考。冰載荷激勵下的軸系動態扭矩及應力響應分析如圖7所示。

圖7 冰載荷激勵下的軸系動態扭矩及應力響應分析

3.2 防寒技術

3.2.1 防寒設計

低氣溫環境會影響船舶結構、設備和系統的功能以及船上人員的工作，可能威脅船舶的操作安全。船舶防寒設計通常主要考慮的風險包括：材料性能喪失、機械/設備功效下降或故障、貨物凍結、壓載水冰凍、可居住性降低、凍傷以及船舶水上部分積冰等，合理的防寒設計是低氣溫操作船舶設計的重要內容。

準確理解相關溫度定義是執行規則、規范技術要求的基礎，主要包括最低日均低溫（the lowest mean daily low temperature,LMDLT）（見 圖 8）、設計服務溫度（DST）、預期的最低環境溫度（minimum anticipated temperature,MAT）等。設計服 務溫度（DST）一般設為低于擬定的船舶操作區域和季節的最低日均低溫（LMDLT）至少 10 ℃，預期的最低環境溫度（MAT）一般應考慮低于LMDLT 至少 20 ℃。

圖8 通用溫度定義

考慮不同設備、系統面臨低溫風險及危害后果的差異，規范中對船舶布置、露天設備、消防和救生等要求所使用的溫度也不同（詳見表 4），防寒設計需要針對性考慮。

表4 船舶系統防寒使用的溫度參數及要求

3.2.2 低溫試驗驗證

為滿足預期低溫下的使用要求，露天安裝的設備和系統通常需要進行針對性設計或改造，如何驗證其在設計服務溫度下的功能完好性是關鍵之一。依托于近北極的地緣優勢，歐美等國開展了大量極地實地環境的救生艇等試驗研究。我國并不具備該優勢，通過試驗室方法模擬極地環境驗證設備功能成為有效的手段之一。中國船級社聯合相關設備廠商開展了極地救生艇/筏及其降放裝置的性能標準及試驗方法研究，識別極地環境與常規環境的差異，逐項分析極地危險源對救生艇及其降放裝置和氣脹式救生筏的不利影響，通過試驗室方法模擬極地環境（如圖9 所示），以驗證相關措施和手段的適用性和使用效果，總結歸納極地救生艇和救生筏的性能標準和試驗方法[12]。

圖9 救生艇降防裝置低溫試驗

3.3 極地航行及保障技術

3.3.1 極地操作能力評估

極地航行是一個復雜的工程問題，一方面從設計建造角度需要建造具有足夠抗冰、防寒能力的船舶，另一方面從營運操作角度還需要結合船舶能力和實際環境評估操作安全性。因此，需要建立極地船舶操作能力和限制評估方法以指導船舶極地 操作。圖10 是中國極地研究中心制作的東北航道1 月和2 月的海冰蛋形圖。

圖10 海冰蛋形圖（中國極地研究中心制作）

針對極地船舶操作能力和限制評估的數據需求，中國船級社研究制定了極地冰況和溫度數據的應用處理方法，指導業界相關單位制定了海冰、溫度數據產品，解決了現有海冰和溫度觀測數據無法用于工程評估的問題，提升了我國冰數據處理應用能力。

其針對極地航行船舶面臨海冰、低溫的主要風險，在冰區操作能力評估方法（POLARIS）基礎上，增加了低氣溫操作能力評估，進而建立了極地航行操作能力和限制評估方法及實施細則。

該方法已成功指導多艘船舶冰區航行操作，為船東安全營運及科學決策提供了有力的技術支持和保障。

3.3.2 冰區操作船體監測及輔助決策

冰區航行船舶船體監測及輔助決策技術是指對船舶結構進行長期在線監測，根據數據指標分析船舶結構狀態，及時評估結構安全性。這不僅可以為船舶冰區航行提供決策支撐，而且監測積累的冰載荷數據也能為冰載荷研究和抗冰結構設計提供數據輸入。為此，國際上開展了大量實船監測研究，我國新建的“雪龍2”號極地科考破冰船便安裝了結構應力及冰載荷監測系統，并獲得中國船級社的認可。為了建立有效的船體實時監測系統，需要針對冰載荷監測位置、典型結構節點應力監測布置、安全閾值確定、冰載荷反演和操作決策建議等關鍵技術問題進行研究。

傳感器一般布置在受冰載荷大的位置，但船冰作用具有很強的隨機性，因船型及操作模式不同，船體冰壓的分布特征也不同。利用離散元冰載荷預報可獲得船體結構高壓區位置分布特征分析，有助于優化冰載荷測點布置。通過對典型極地船舶平整冰艏向、艉向、轉向操作的冰載荷分析，艏向操作時，水線附近船首部、艏肩部冰壓力較大；艉向航行時，船尾部、艉肩部冰壓力較大；轉向航行時，艏肩部和艉部的冰壓力最大。“雪龍2”號的冰載荷測點也應用了冰載荷分析結果進行優化布置。

為捕獲結構受冰載荷作用的應變信號，應變傳感器選擇的橫向框架通常應該靠近破冰或受冰沖擊的肋骨上，單向拉壓應變傳感器應放置在橫向框架面板的中點處，雙向應變傳感器應放置在中和軸靠近外板的框架端部，橫向框架應變監測布置如圖11所示。

圖11 傳感器布放示意圖

目前還難以直接測量冰載荷,一般通過結構應變、六自由度運動參數等船舶結構局部或總體響應的測量數據間接反演冰載荷[13]，其中影響系數矩陣法、支持向量機法、格林函數法和運動參數法等廣泛應用于實船冰載荷反演。

4 結語

先進規范標準在推進我國極地船舶裝備自主可控發展、對標國際領先的過程中，發揮著基礎性和引領性作用，在極地船舶裝備發展的各個階段都提供了有力的基礎支撐。因此，我國需要開展極地船舶規范標準體系建設，圍繞未來極地船舶大型化、新穎化發展，針對抗高冰況、耐高寒冷需求的極地船舶研發，布局安全相關的關鍵技術研究：

（1）開展破冰技術研究

研究海冰-結構-海水耦合作用機理，持續發展船舶冰載荷數值計算方法，研發高性能船舶結構、螺旋槳冰載荷軟件，建立極地船舶冰載荷預報能力，推動冰載荷作用下的結構強度高級分析方法；開展基于大數據的冰區航行安全與控制技術研究，提高極地航行船舶實時冰況下安全及風險評估能力；建立極地船舶主機功率預報方法及專用計算軟件開發；開展推進軸系扭振時域計算方法研究，為極地航行船舶軸系設計和主機控制策略的制定提供參考；通過冰載荷激勵作用下推進軸系在其運行轉速下軸系各部件的動態扭矩和應力響應值，開展極地航行軸系強度評估。

（2）開展防寒技術研究

根據極地船用材料服役環境，研究極地船舶用鋼、船用耐磨涂料和船用橡膠密封材料的性能要求和檢驗標準；研究實驗室模擬極地環境條件下，露天設備性能的試驗驗證技術；研究船舶艙室保溫的數值計算方法，分析艙室溫度場分布的規律，驗證多環境溫度條件下的艙室保溫性能；研究氣泡擾動、循環擾動和介質加熱等不同壓載艙防凍結措施的效能，分析結冰/凍結對液艙結構強度的影響。

（3）試驗驗證技術

針對極地船舶設計研發及驗證需求，開展海冰力學特性研究，搭建冰水池及試驗技術，進而建立極地船舶冰區航行性能預報能力；開展實船冰載荷測量技術研究，搭建實船冰載荷監測平臺及數據庫，支撐冰載荷研究和抗冰結構設計；開展極地環境及數據研究，建立極地低溫等環境模擬技術，驗證船舶系統及設備的低溫性能。