极地破冰船冰区结构设计规范对比研究

龚 丞

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

极地破冰船冰区结构设计规范对比研究

龚 丞

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

通过对各主要船级社关于破冰船结构设计的规范进行比较和分析，研究了不同规范关于冰级定义、船体加强区域划分、材料和腐蚀余量、船体外形参数、冰载荷、冰区总强度、冰区构件尺寸以及结构设计细则的具体要求；总结了各种规范体系的特点，为今后极地破冰船的结构设计研发提供了规范参考，具有一定的现实意义。

破冰船；冰区加强；规范对比；结构设计

引 言

随着全球气候变暖影响以及极地科学考察的深入，南北极的地理位置和环境资源价值不断显现，极地领域的竞争愈发激烈，权益争端也不断加剧。而极地破冰船担负着保证极地航线畅通以及开辟新航线的重要任务，是到达极地核心区域开展极地科考作业的基本条件，同时也是各国实施两极战略布局、拓展战略空间的关键力量。

破冰船需要在极地冰区内承担破冰、清理航道、救援被困船舶等任务，这对于船体外形、建造材料以及结构的布局形式等方面提出了很高的要求，因此船体结构在破冰船的设计中占据着至关重要的地位。目前存在的有关极地船和破冰船的规范主要包括芬兰-瑞典规范（FSICR）、国际船级社协会极地冰级规范（IACS PC）以及俄罗斯、美国、挪威等主要船级社制定的冰区加强规范。其中FSICR规范已经被各主要船级社广泛的吸收作为第一年冰况的基础规范，而IACS PC规范自实行以来越来越被广泛接受，现已经被各船级社作为其章节的一部分［1］。

上述规范中，FSICR规范和IACS PC规范主要针对的是在极地水域航行的船舶，它们虽然也具有一定的抗冰和破冰能力，但与破冰船有着较大的差距。对于破冰船来说，其承受浮冰撞击的概率以及冰载荷的大小远高于普通的极地船，因而各个规范中对破冰船的结构提出了更加严格的要求。

目前各船级社对于破冰船的结构设计规范并不一致，各种规范都有其不同的特点，例如英国劳氏船级社（LR）的规范基本与IACS PC规范一致，美国船级社（ABS）和法国船级社（BV）的破冰船规范也都以IACS PC规范［2］体系为基础，俄罗斯船级社（RS）和挪威船级社（DNV）的破冰船规范则拥有各自相对独立的体系。值得一提的是，在DNV和GL联合推出的DNV-GL规范中用基于IACS PC的新规范取代了原DNV破冰船规范，新规范针对破冰船在冰级划分、首尾部加强范围、冰载荷及总强度衡准等方面做出了特别的规定，而原DNV破冰船规范拥有独立的体系和特点，也具有很大的研究和对比价值。由于各种破冰船规范在体系和侧重点上存在不同，本文重点选取了RS、DNV、DNV-GL、ABS和BV规范［3-7］进行综合对比分析，考察各个规范的特点，为今后极地破冰船的结构设计研发提供规范参考。

1 船体结构的总体要求

1.1 冰级定义和冰级符号

RS规范共有13个冰级划分（Part I，2.2.3.2～2.2.3.3），其中Ice 1～Ice 3为非极地冰级，Arc 4～Arc 9为极地航行冰级，Icebreaker 6 ～ Icebreaker 9为破冰船冰级，详见表1。

表1 RS规范冰级划分

在对各个冰级的描述中，该规范规定了浮冰的最大厚度和船舶允许的航速。

DNV规范的冰级符号分为Ice 5、Ice 10、 Ice 15，或者Polar 10、Polar 20、Polar 30，中间可以增加冰级符号（例如Polar 15）。规范中规定了各种等级的破冰船对于冲撞破冰的限制，以及破冰厚度和相应情况下浮冰的最大屈服强度（Pt.5 Ch.1 Sec.4 A300）。按DNV规范，不同等级破冰船的具体使用条件如表2所示。

与DNV规范不同的是，DNV-GL规范以IACS为基础，在冰级定义方面沿用了PC规范的划分（Pt.5 Ch.10 Sec.10， 1.3），只是针对破冰船在PC 1至PC 7的级别后加上Icebreaker以示区分（详见表3）。

表2 DNV规范冰级划分

表3 ABS／DNV-GL规范冰级划分

ABS规范中规定，由于IACS PC规范的出版，ABS已将其作为自身规范的一部分，并取代原来的冰区航行船舶冰级划分。对于破冰船，可在PC 6及其之上的冰级符号后加Enhanced符号（见表3），因此ABS规范将破冰船的冰级划分为PC 1 Enhanced至PC 6 Enhanced，其中PC 6 Enhanced仅适用于非极地且没有多年冰的水域（Pt.6 Ch.1 Sec.4， 3）。

BV规范在吸收了IACS PC规范的内容基础上，增加了对PC 1至PC 7冰级比较详细的冰情描述，包括跟随航行和独立航行时最大冰厚以及浮冰密集程度等。与此同时，BV规范针对破冰船增加了Icebreaker 1至Icebreaker 7的冰级划分，并规定了各个冰级下最大的冲撞破冰航速（NR527，Sec 1，3.1），详见下页表4。

通过比较可以看出，RS和BV规范对于冰级的划分较为细致，不仅对航行区域做了更加详细的划分，还规定了不同条件下的航速以及破冰能力等具体指标；DNV规范中对各个级别浮冰的屈服强度和最大厚度做出了描述；而ABS和DNV-GL规范则基本沿用了PC规范的划分方式。

1.2 船体结构加强区域

RS规范对于破冰船的加强分区如下页图1所示。沿船长方向由首到尾分为首部区域A、过渡区域A1、船中区域B以及尾部区域C；而首部过渡区域、船中区域和尾部区域又进一步沿垂向分为冰带区I、下部区II、舭列板区域III以及底部区域IV（Part II，3.10.1.3.3）。详见下页表5。

表4 BV规范冰级划分

表5 RS、ABS/DNV-GL以及BV规范的结构加强区域

DNV规范中将破冰船外板分为7个区域（见图2），包括首柱、首部、首部下方、船中、下部过渡区、底部、尾部等。

其首部区最后端距离首垂线0.3L，其他各个区域的水平及垂向范围也有详细的说明（Pt.5 Ch.1 Sec.4 A403），详见表6。

表6 DNV规范结构加强区域

DNV-GL规范对于破冰船的加强分区与ABS规范类似，只是针对首尾部加强区域做了补充规定（Pt.5 Ch.10 Sec.10， 3.2）。以ABS规范为例，具体分区如图3所示。

分区方法与RS规范类似，沿船长方向分为：首部区域B，过渡区域BI，船中区域M以及尾部区域S；首部过渡区域、船中区域和尾部区域又进一步沿垂向分为冰带区i，下部区l和底部区域b（Pt.6 Ch.1 Sec.2， 3.1），具体描述见表5。

BV规范虽然也是基于IACS规范，但对于破冰船的加强区域划分有单独的定义（NR527，Sec 2，1.1），主要是在IACS PC规范的基础上将首部加强区域的长度修改为首垂线向后0.25L，首部过渡区域长度为首部区域向后0.15L，而尾部加强区域修改为尾垂线向前0.2L，具体如下页图4所示。

通过对比可以发现DNV规范对于冰区的划分相对比较特殊，首部加强范围较大，而其他规范对于冰区的划分模式则比较统一，也比较简明易懂。值得注意的是DNV-GL规范和ABS规范由于沿用了IACS规范的划分方法，对于破冰船的加强区域与极地船基本相同，而BV规范则对此做了改动，从而使得BV规范和RS规范在冰区划分上更为相近。

1.3 船体材料和腐蚀余量要求

对于破冰船承受冰载荷的船体外板及其相连构件的材料等级，各规范的规定方法比较一致：首先根据构件所处位置确定其分类，随后根据板或型材的厚度及设计温度确定应当使用的材料等级。

对于结构的腐蚀余量，ABS规范、DNV-GL规范和BV规范的规定与IACS一致，根据不同冰级、船体区域和有无保护措施规定不同的腐蚀厚度。RS规范中腐蚀余量根据与破冰船冰级和加强区域有关的年均腐蚀余量和设计服役年限确定（Part II，3.10.4.1）。而DNV规范中对于破冰船的腐蚀余量与一般船舶相同，没有特别的规定。

2 结构设计及总强度

2.1 船体外形参数及设计冰载荷

对于破冰船的外形参数，各船级社规范中的定义都较为一致，只是在具体的描述上略有不同。以ABS规范为例，如图5所示。

对于破冰船，BV规范和RS规范根据不同破冰等级规定了各个参数的取值范围，DNV也规定船中区域的β角不应小于10°。值得一提的是，RS规范针对破冰船船型有特别的要求，包括首柱处的α和γ的取值范围，首柱下方要设置适合于破冰的结构，不可以设置球鼻首；尾部不能使用方尾形式，同时在舵的后方需要有起保护作用的附体等。

对于设计冰载荷，RS规范规定其大小与破冰船冰级、船体外形参数及船体排水量有关，具体的冰载荷参数以及船体区域参数如下页表7所示。与其他规范不同的是RS规范中船体外形参数对于各个区域的冰载荷都有影响。

ABS规范、BV规范以及DNV-GL规范在冰载荷的计算上都采用了IACS的计算公式，只是在某些参数的取值上略有不同。以ABS规范为例，主要参数见表7。其中，首部区域与非首部区域的情况有所不同：对于首部区域，形状参数fai以及板格长宽比AR都与船体的外形有关；而对于非首部区域，fai和AR都取为定值。

与其他规范不同的是，DNV规范将冰载荷分为首部撞击载荷、船首搁滩载荷、船中挤压载荷以及局部冰载荷四种。其中，前三种载荷与船体总强度的计算有关，而局部冰载荷的表达方式与RS规范相似（见表7）。但与RS规范不同的是，局部冰载荷大小除首部区与船体外形参数有关外，其他区域与船体外形参数无关。

2.2 冰区总强度

ABS规范中对于破冰船冰区总纵强度的规定与IACS规范基本相同，在计算总纵强度时，冰载荷只需要与静水载荷相叠加。规范主要包括首部垂向设计冰压力，垂向设计冰剪力，垂向设计冰作用弯矩等载荷的计算方法（Pt.6 Ch.1 Sec.2， 25），以及总纵强度的衡准（见表8）。

表7 冰载荷对比

表8 总纵强度衡准对比

BV规范、DNV-GL规范与ABS规范类似，但在强度衡准方面将极地船与破冰船分开，对于破冰船提出了更严格的要求（见表8）。

DNV规范对于破冰船总强度考虑得较多，不仅给出了总纵强度垂向设计冰剪力和垂向设计冰作用弯矩的公式，同时也有关于船中受到浮冰挤压时横向强度和船首子结构在冲撞破冰时强度的相关要求（Pt.5 Ch.1 Sec.4 E）。RS规范则相反，在规范中并没有专门篇幅对冰区总强度的问题进行说明。

2.3 构件尺寸

由于各种规范对于不同区域外板的厚度和骨材尺寸都有具体的计算公式，因此本文通过使用不同规范分别计算某破冰船的冰区加强构件尺寸，并根据结果来进行对比分析。

由于BV规范、DNV-GL规范和ABS规范计算体系相同，故本文参考ABS规范，按PC3 Enhanced冰级进行计算，按照破冰能力相近的原则，与之相对应的RS规范按Icebreaker 7的要求进行计算，DNV规范按照Polar 15冰级计算。全船舷侧采用横骨架式，肋骨间距取为400 mm，材料的屈服极限为390 MPa。本文在计算中选取了比较有代表性的冰带区外板和舷侧肋骨尺寸进行对比分析。

表9列出了冰带区域沿船长方向的板厚计算结果。

表9 冰带区外板厚度对比mm

表10列出了冰带区域舷侧普通肋骨沿船长方向需要满足的剖面模数和腹板剪切面积的要求。普通肋骨的跨距按1.5 m计算。

表10 冰带区舷侧肋骨尺寸要求对比

通过对比可以看出，在外板厚度方面，ABS和RS计算结果大体一致，但DNV规范计算值要远大于其他规范；而对于舷侧肋骨，ABS规范在首尾端对于剖面模数要求较高，RS规范则在船中区域的剖面模数要求较高，DNV规范计算的肋骨剖面模数与前两者差别不大，但剪切面积则要远大于其他规范。

2.4 结构设计细则

RS规范和ABS规范对于破冰船的冰区加强结构都有比较细致的规定，包括舷侧肋骨、舷侧纵桁的布置以及间距、与外板相连的舱壁和甲板等板结构的加强范围、首尾柱的截面积及肘板间距要求、双层底高度及纵桁间距等等。而其他规范对于冰区加强的结构细则描述的比较简略。

3 结 论

通过以上各个方面的对比可以看出，各国船级社的破冰船规范在内容结构上大体相似，但在具体的规定上又不尽相同。从体系上来看，RS规范和DNV规范相对独立一些，而ABS、BV和DNV-GL规范则是建立在统一的IACS PC规范基础之上。各种规范在破冰船结构设计的侧重点上有着各自不同的特点：

（1）RS规范对于破冰船冰级的划分以及结构加强的分区比较清楚和详细。该规范针对破冰船船型提出了较具体的要求，明确了破冰船与普通极地船在外形上的区别，同时通过设计冰载荷的计算方法突出了船型对于破冰船的重要性。此外，规范对冰区加强结构的布置也有较详细的说明，但没有涉及到关于船体总强度的要求。

（2）DNV-GL规范是建立在IACS PC规范体系之上的，与ABS和BV规范比较类似。而原DNV规范与其他规范相比在结构加强分区方面比较复杂和特殊，而且关于首部的加强范围比其他规范都大；同时由于专门考虑了冲撞破冰等特殊工况，其冰载荷的种类也比其他规范要多，船体总强度的计算也更全面一些；DNV规范中虽然对于破冰船的腐蚀厚度没有做出特别要求，但通过对结构加强构件尺寸的计算发现其要求的外板厚度和骨材面积都远大于其他规范。

（3）ABS规范与BV规范有共同的基础，在冰载荷和构件尺寸的计算上基本是一样的。从计算结果来看在加强要求相似的情况下，其首尾端构件的要求要比RS规范更高一些，而船中构件要求较低。但在其他方面，两种规范之间有比较明显的不同：BV规范在IACS规范的基础上针对破冰船冰级划分、结构加强分区、外形参数要求等方面制定了专门的标准，更贴近于RS规范的体系，在总强度衡准方面也比ABS规范要求更高一些。

综上所述，RS规范基于自身体系专门针对破冰船结构特点提出了包括船体线型在内的比较详细的要求，其构件的计算公式也基本是通过大量的试验得到的经验公式，因此应该是比较适合于指导破冰船的结构设计的。ABS规范、BV规范以及DNV-GL规范在IACS极地航行船舶规范体系的基础上对破冰船加强分区、外形参数和结构细则等方面提出了特殊要求，也具有重要的参考价值。而DNV原有的破冰船规范对于船体加强的范围较大，构件尺寸要求也比较高，可能会在一定程度上增加船体的结构重量，因此已被逐步淘汰。但该规范对于破冰等特殊工况下船体结构的载荷和强度计算具有较大的参考意义。

［1］吴春平，吴刚，王晓琳. IMO极地规则和未来极地船舶发展趋势分析［J］.造船技术， 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.

信息动态

海洋工程总装研发设计国家工程实验室筹备会顺利召开

2017年1月18日，中国船舶及海洋工程设计研究院（MARIC）组织的海洋工程总装研发设计国家工程实验室筹备会顺利召开。集团公司科技部以及中集海工、外高桥造船、上海船厂、沪东中华、黄埔文冲、广船国际、611所、上海交大、哈尔滨工程大学、四川宏华、上海利策等实验室成员单位代表参加了会议。

会上，大家针对实验室筹建方案以及理事会章程、实验室管理办法和科创基金课题管理办法等初稿文件提出了宝贵的意见和建议，并对如何利用好实验室平台开展协同创新展开了热烈的讨论。此次会议为实验室第一届理事会的顺利召开奠定了基础。

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

龚 丞（1987-），男，硕士，工程师。研究方向：船舶结构设计。

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