极地运输船总体设计要点

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(南通中远川崎船舶工程有限公司，江苏 南通 226005)

北极航道具有巨大的航运、经济、战略价值。但是北极环境下，船舶将面对很多危险和挑战，如过低的气温和浮冰、恶劣的天气、缺少准确的定位导航和通信系统等。2017年1月1日正式生效的极地航行规则尤其关注极地船舶的安全和环保。公司在2016年建造的3 800车位双燃料汽车滚装船，具有劳氏船级社1AS的高冰级符号,航行于波罗的海海域。通过冰区加强型船舶的设计建造，积累了一些实船经验。在一些新造船项目谈判中，船东有意向在技术规格中增加冰区加强的技术要求，以满足开拓市场的需要。针对船东在极地运输船舶市场的要求，公司自主研发了2.8万t极地多用途船。结合极地多用途船的研发过程以及3 800车位冰区加强型汽车滚装船的设计建造经验，介绍极地航行规则生效后的总体设计要点。

1 冰级和吃水

各主要船级社、国际船级社协会IACS和相关国家机构等都已制定了冰区船舶相关的规范和法规条文。目前普遍采用的当年冰冰区加强规范有芬兰和瑞典海事局制定的《芬兰-瑞典冰级规则》(FSICR)[1]。此类规范首先依据各海区冰情统计资料对其划分冰级，进一步对该航区内的冰区船舶划分等级，提出船舶结构加强、推进系统等方面的对应要求。

冰级确定对结构设计、主机功率、螺旋桨、设计温度、成本等方面均有影响。船舶设计前充分调研设计航线的冰情、极地航行的时间、运营条件(如独立航行还是由破冰船引航)、类似船型的冰级，综合考虑破冰费用、冰区加强成本、增加功率和油耗的费用，并与船东协商确定合适冰级。IACS根据航行季节和层冰厚度，将冰级分为PC1～PC7。其中：PC1～PC5冰级船能够全年航行于极地海域，冰区结构加强造成载重量损失，主机功率也大幅增加，对商船营运经济性不利。适合在北极浮冰中航行的船舶应具有冰级符号PC6和PC7。PC6冰级表示夏秋季节在中等厚度的可能包含旧杂冰的当年冰中营运，PC7冰级表示夏秋季节在当年薄冰中营运。根据统计数据，货船一般选择夏秋季节航行于北极航道，因此PC6、PC7较为合适。

北极附近港口的规模不大，海峡比较多，因此，船舶主尺度不宜过大。东北航道的桑尼科夫海峡水深最浅处为12.8 m。西北航道中，多芬海峡部分水域水深小于10 m，雷伊海峡部分水深在5～18 m之间。因此极地航行船的吃水也有所限制，设计时要根据目标航行路线和季节、靠泊港口确定吃水。确定好船舶吃水后，根据冰区的装载工况，确定冰带范围。根据FSICR规则和船级规范，冰区吃水包括高位、低位吃水，其间为冰区装载工况允许的吃水范围。高、低位吃水间以及上下延伸的区域为冰带，是需要结构加强的区域。该区域一般采用横骨架式结构，以获得较高的抗冰强度，钢材需要有较好的耐低温性能。冰区高位吃水可以取满载时淡水吃水。低位吃水一般为压载吃水，也可取重压载吃水。低位吃水较大，可以减小冰带及冰区加强的范围，减轻空船重量和成本，同时增大螺旋桨的浸没率。

2 稳性

极地规则要求完整稳性计算中考虑结冰的影响，暴露的露天甲板和舷梯按照30 kg/m2，水面以上两舷的侧投影面积按照7.5 kg/m2计算结冰的重量，且设计上应考虑减少积冰的措施，如通道上增加加热设备[2]。

极地规则要求极地船舶能承受海冰撞击穿透船体导致的进水，对抗沉性的要求高于常规水域，因此需计算极地环境下的破舱稳性。具体流程如下：

1)首先确定破损前的初始完整工况，初始工况为SOLAS规范II-1/7章概率破舱计算中的所有工况，即最深分舱吃水ds、轻载航行吃水dl、部分分舱吃水dp对应的假定工况。

2)按照规则对纵向、横向和垂向的破损范围以及破损沿船宽或船长方向的位置的规定，确定多个最危险的破损舱组合。

①对于破损中心点位于高位冰区水线的最大船宽处前方时，纵向破损范围为高位冰区水线长度的4.5%，否则为高位冰区水线长度的1.5%。

②横向破损范围为整个破损范围内，垂直于船壳板向船中760 mm。对于单壳货船，横向破损会导致货舱进水，破舱稳性较难满足规范要求。因此，极地航行船舶应设宽度760 mm以上的双壳舷侧结构。

③垂向破损范围是冰区高位水线吃水的最大装载吃水20%或者纵向破损范围长度中的小者，破损中心假定位于龙骨板至1.2倍冰区高位吃水之间的垂向位置。

3)计算出船舶破损后的残余稳性、浮态。

4)将破舱稳性计算结果与规则中要求的衡准进行比较。

撞冰破损后的剩余稳性，应使得生存概率因子Si在所有装载工况都等于1。生存概率因子，即概率论破舱稳性计算中的Si。

2.8万t极地多用途船在开发中，发现极地破舱稳性不满足要求。如表1，DS1.2/PC-17、DS1.2/PC-18、DS1.2/PC-32三种工况(初始完整工况：最深分舱吃水DS、纵倾1.2 m)下的生存概率因子Si未达到1。原因在于舱室破损后的最终水线低于可能发生继续浸水的开口的下缘，最大复原力臂未达到规范要求的0.12 m。计算发现，提高最深分舱吃水对应的初稳性高值和降低初始纵倾，均可满足规范要求。但注意到SOLAS规范中分舱与破舱稳性部分要求初始纵倾在考虑±0.5%Ls(分舱长度)范围后应包括所有营运纵倾，因此如果降低计算中选取的初始纵倾值，则装载手册中的营运载况纵倾范围将受到一定限制。考虑到营运装载工况的初稳性高均大于提高后的结果，因此设计中通过提高部分空气管头高度和初始工况初稳性高来满足规范要求。

表1 原设计方案破损计算结果

极地破舱稳性计算中如遇到不满足衡准要求，需要调查不同破损工况具体的原因，并从提高空气管头等开口的高度和初始完整工况的初稳性高、降低初始纵倾、改变舱室划分、修改型线等角度，改善破舱稳性性能。但是提高初始完整工况的初稳性高、降低初始纵倾会对实际营运装载工况带来限制，空气管头设计得过高会影响货物装载，因此要平衡各种措施的利弊，采用多种方法相结合以达到所需的效果。

3 主机功率

常规海域航行时的主机功率由船的敞水阻力决定。极地浮冰中低速航行时(如5 kn航速)主机推进功率取决于冰阻力和敞水阻力之和。主机功率不足会导致船舶在浮冰中的航速下降，严重时船舶被困在冰区。因此,确保极地冰区船舶具有足够的主机功率是必要的。极地冰区主机功率参考船级规范或FSICR规则[3]计算。该方法考虑冰块厚度参数、船舶艏部型线参数和螺旋桨参数等，还需分别计算高位冰区水线及低位冰区水线所需的最小主机功率，并取大者。主机最小推进功率公式如下[1]：

(1)

式中：Pmin为最小主机功率；Ke为传统推进系统形式因子；RCH为碎冰甬道中的阻力；DP为螺旋桨直径。

式中RCH如果使用FSICR规则中的公式计算，推进系统形式因子Ke可由表1或直接计算方法确定。RCH如果采用冰池试验获得，Ke应采用基于实桨数据的直接计算方法确定，确保推进系统产生足够的推力克服冰阻力。FSICR规则导则中给出了计算Ke的替代方法[3]。

表2 Ke取值

文献[4]统计过装备调距桨情况下，几种载重吨船型在不同冰级时所要求的最小推进功率，对于安装定距桨的冰区船，需要在此基础上增加11%的功率。设计初期可以将公式计算结果与统计结果进行对比。

由于冰区阻力与艏部型线有关，对于2.8万t极地多用途船主机功率计算，设计了5种艏部型线，计算出主机功率，如表3。

表3 主机功率计算

由表3可见，高位水线(UIWL)相比低位水线(LIWL)的功率结果均大，因此按照高位水线对应的功率选择主机功率。第2种线型对应的主机功率最小为11 381 kW,但是船体型线为理论化的参数，实际操作难度大，对货舱等主体结构布置变化很大。对比几种型线计算所得的主机功率，功率差别有限，并权衡布置等因素，选择第3种线型(case 3)作为最终线型。对于相同的线型参数，根据主机功率计算式(1)和表2，选用调距桨Ke系数为2.03，而定距桨的Ke系数为2.26，因此，主机功率可比定距桨降低10%，从而实现机舱尺寸较小、货舱装载量最大化。因此功率选用调距桨的计算结果。

ABS船级社认为FSICR规则要求的主机功率过高，因此制定了冰级指导文件，用以指导不同冰级功率的计算。其中提到直接利用设计桨的系柱特性方法确定Ke，先采用规范计算得到5 kn航速时的冰阻力，然后根据5 kn航速时克服冰的阻力计算所需要的系桩拉力，最后根据桨的特性计算产生系桩拉力所需的主机功率[5]。以一艘1A冰级的Aframax型油船为例，先用冰区模型试验确定冰区阻力，然后用ABS方法计算功率，可比用FSICR规范计算的冰阻力再计算的主机功率降低40%左右[6]。

FSICR规则关于主机功率的规定是基于冰区航行船舶需在碎冰甬道中维持5 kn航速，适用于中小型船舶，如主尺度不大的多用途船。规则中明确功率计算公式不适用于船宽超过40 m的船舶，并建议对于排水量超过7万t的船舶采用冰池船模试验的方法确定阻力。因此，对于极地大型运输船如油轮和液化天然气(LNG)船,建议采用冰池船模试验确定冰阻力，然后根据设计螺旋桨的参数，直接计算出克服冰区阻力所需的功率，依此方法来选择主机机型较为经济。

由于调距桨CPP可以通过改变螺距，在不同的船速下保持其原有的水动力性能，因此CPP可以在不同的船速下，保持它的转速作为MCR功率下的主机转速。但是对于定距桨FPP，当在极地冰区船速很低时，为了维持其转速作为MCR功率对应的转速，主机需要提供更多的功率来克服原有船速时的高水动力转矩。因此，选择定距桨或调距桨，对于确定主机功率是不同的。以下给出由冰池试验结果确定冰区阻力，并根据设计桨的水动力特性直接计算主机功率的流程。

1)水池试验，测量设计航速时的敞水阻力。

2)确定敞水阻力曲线。

(2)

式中：ROW为敞水阻力；Cr为常数系数；Vs为船速。

3)进行冰池试验得到极地冰区要求的航速(如5 kn航速)时的冰阻力。

4)设计螺旋桨，建立桨的敞水推力系数kt和转矩系数kq曲线。

(3)

(4)

式中：ρ为海水密度;n为主机转速;D为桨径;J为桨的进速系数。

5)对于定距桨，按照式(5)确定螺旋桨的转速n。

Tnet≥Ri

(5)

调距桨，转速n为主机MCR功率时的转速。

在冰区航行时，桨推力要克服敞水阻力和冰阻力，即T≥ROW+Ri。T为桨发出的推力；Ri为冰阻力。T-ROW为冰中静推力，等效于Tnet。V=Vs(1-w),w为伴流系数。

6)根据式(6)确定最小主机功率。

(6)

式中:n为转速;nMCR为主机MCR功率对应的转速；PMCR为主机MCR功率，并且与转矩限制曲线功率与转速的平方成正比。

4 螺旋桨选型设计及舵保护

螺旋桨设计需综合考虑冰区航行和非冰区航行工况，以满足不同航行工况下的性能要求，可调螺距螺旋桨由于能调整螺距和主机转速，实现桨与主机的匹配，操纵性更优，因此更适合极地航行的多工况船舶。根据FSICR规范主机功率计算公式，配备调距桨替代定距桨，还能够减少10%的主机功率。极地冰区航行船舶的螺旋桨桨叶受到冰层的撞击容易损坏，调距桨桨叶的维修和拆卸比定距桨也较为方便。

螺旋桨的强度设计是除极地冰区主机功率以外推进系统设计的另一个重要项目。按照冰级规范，螺旋桨的强度要进行有限元分析，确保螺旋桨在冰区航行时的安全。因此，螺旋桨设计除了按照普通桨的设计流程进行设计外，还要根据桨的数据库和规范中的强度要求对桨的参数进行修正，最终确定桨的参数。

螺旋桨设计载荷是进行强度分析的前提。根据船舶在冰区航行过程中螺旋桨与冰块相互作用的特点，螺旋桨的设计载荷分为最大向后力Fb和最大向前力Ff。Fb为旋转螺旋桨切削冰块时，使桨叶向船艉方向弯曲的力;Ff为冰块与螺旋桨碰撞时，使桨叶向船艏方向弯曲的力。FSICR规则中对Fb定义如下。

(7)

(8)

(9)

Ff定义如下。

(10)

(12)

式中:对于调距桨，n为MCO功率下螺旋桨转速，对于定距桨，n为MCO功率下螺旋桨额定转速的85%，r/s；d为桨毂直径,m；D为桨径，m；EAR为桨叶盘面比；z为桨叶数；Hice为撞击螺旋桨最大冰块的厚度，m。

螺旋桨强度按照表4给出的5种工况进行校核，桨叶的强度需满足以下要求。

(13)

式中:σref2为参考应力，取式(14)、(15)计算的小者。

σref2=0.7σu

(14)

σref2=0.6σ0.2+0.4σu

(15)

式中：σ0.2为桨叶材料的屈服强度，MPa；σu为桨叶材料的抗拉强度，MPa；σst为设计载荷作用下的计算等效应力，MPa。

表4 冰区螺旋桨设计载荷工况(R为桨叶的半径)

冰区船的推进系统也有采用吊舱式推进器的，如三星重工建造的7万t重吨北极穿梭油船Vasily Dinkov号[8]，吊舱可作360°全回转，同时能起到舵的作用，船舶的操纵性能和紧急机动性能较好，在极地冰区航行时具有较大优势。

冰区倒车航行时，层冰被船尾挤碎，浮冰向船体下部移动，对舵叶和螺旋桨破坏严重。在船尾冰区低位水线附近布置冰刀，推开舵周边的浮冰，避免舵受到浮冰正面的冲击力，同时舵受到冲击而偏离船中造成偏航的概率大为降低。冰刀布置时，重点考虑强度和适当的形状。冰刀的最低处位于冰区低位吃水以下，以达到排开碎冰的作用。而正车航行时，冰刀对船舶快速性影响较小，可以忽略。图1为2.8万t极地多用途船艉部布置示例。

5 海水吸入箱设计

船舶的海底门与海水吸入总管直接相连，吸入海水供船上各系统用，如消防、冷却、压载等系统。如果在极地航行时海底门被冰块堵塞，将影响各海水冷却系统的工作，严重时可能会造成船舶停机停航。因此极地冰区加强船舶的海水吸入箱，其中之一的海水分隔间设在靠近船舯处，且远离船尾。海水吸入箱位于舭部，并设计成凸字形，利用海冰密度小于海水的特性，以使海冰聚集在海水吸入箱顶部，这样海冰远离泵吸口，机器的海水冷却泵吸口位于海水分隔间顶部，通海排出管路应连接在海水箱顶部，利用海水冷却机器后的余热消融海水箱顶部的浮冰。对PC6/PC7冰级标志船舶计算海水吸入箱容量时，每750 kW船舶发动机输出功率(包括辅机的输出功率)计1 m3。同时海水吸入箱具有足够的高度，以使冰积聚在海水吸入箱的上方，所有的排出阀布置在船舶处于任何吃水状态下排水均不受冰块所阻的部位。同时，布置蒸汽接管或加热盘管供海水吸入箱除冰及融冰用。2.8万t极地多用途船海水吸入箱设计见图2。

6 绿色环保设计

6.1 燃油舱双壳保护

极地规则扩大了MARPOL公约中燃油舱双壳保护的范围，对于总燃油装载容量小于600 m3的A类和B类船舶，所有燃油舱也需与船体外壳隔离，且距离不小于0.76 m。但不适用于最大单个容量不大于30 m3的小燃油舱。对于布置在双层底内的燃油溢流舱和污油舱等，艉部型线收缩，设置双壳的难度较大，如果单个舱的容量大于30 m3，可以分隔油舱减少舱容。

6.2 低硫措施

为了在硫限制排放区域满足规范要求，同时减少极地航行时硫化物的排放，可以布置低硫燃油舱，锅炉、柴油机燃油泵相应根据低硫燃油的粘度、润滑特性选取。或者采用新型推进系统，如采用支持燃油和天然气两种燃料的新型主机，则可以减少二氧化硫和二氧化碳的排放，适应极地规则对环境保护的要求。

6.3 压载水管理

随着压载水公约生效，同时满足极地规则中的排放推荐标准，考虑D-2条的压载水性能标准的压载水管理，需安装压载水处理设备。

7 防冻设计

极地常有冰雪天气，对船舶操作带来不利影响，因此设计时需特别考虑。如暴露在甲板上的锚泊系泊设备尽量布置到半封闭的场所内，确保缆机锚机在冰雪环境下仍然可以使用。对通往锚绞机操作区域的暴露通道，提供加热措施，保证通道无冰。根据极地规则，暴露的脱险通道应防止结冰，在脱险通道甲板上布置加热装置。另一种方案是将脱险通道布置在室内区划。救生艇、救生筏、救助艇等安全救生设备也应尽量布置在结构内部或使用加热帆布罩保护。对登轮点至救生设备的通道，布置加热装置保证人员安全到达救生设备。通向暴露区划的门框内需设置伴热电缆，防止门结冰影响通行。

对极地航行船舶水舱压载水线以上的区域需要有融冰装置。2.8万t极地多用途船根据船型特点，从节能降耗出发，采用蒸汽回路对压载水舱进行加热融冰。

驾驶室布置时，规则要求有清晰的前后视野，一种设计是驾驶甲板延伸到两翼并采用封闭结构，这样便于靠泊时观察两舷的冰情。

普通电罗经不能满足极地高纬度的精度要求，需要配置光纤电罗经导航设备。罗经甲板上的天线需提供加热设备或保护罩防止结冰或被雪覆盖。

8 结论

相对于常规货船，极地运输船舶总体设计需要围绕低温结冰等因素展开。

首先需要在充分调研冰情、极地航行时间、运营条件、成本费用等基础上，确定合适的冰级，依此开展总体设计。根据吃水范围确定冰带，据此进行结构加强。其次，极地规则要求考虑结冰时的破舱稳性，对总体布置设计产生影响，需要针对具体情况，采取提高开口高度、完整装载工况时的初稳性高、改变舱室划分等多种方法，以改善极地破舱稳性。

主机功率依赖于艏部线型，采用冰区规范确定，但对于大型船舶,计算结果往往偏大，如采用冰池试验也能得到准确的结果，而且也有利于降低功率、优化主机选型。本文提出基于冰池试验结果，采用设计桨的水动力特性，直接计算出主机功率的方法。

极地冰区螺旋桨的参数需要根据桨的数据库和规范中的强度要求进行修正。在船体艉部冰区低位吃水线处布置冰刀，倒车时减少浮冰对桨和舵的破坏。防低温设计方面，暴露在甲板上的操作设备、安全救生设备、脱险通道、压载水舱等，考虑不同的防冻对策。

极地运输船舶的设计面临的挑战很多，需要考虑安全、环保、使用效能、航行性能等因素，更多地融入船东的用船习惯，优化布置和设计。同时也要平衡经济性，避免造成建造成本和运营成本大幅度上升。

[1] Finnish Maritime Administration. Finnish-Swedish Ice Class Rules[S]. Helsinki: Finnish Maritime Aclministration,2008.

[2] IMO. Resolution MSC.385(94) international code for ships operating in polar waters (polar code)[S].2015.

[3] Finnish Maritime Administration. Guidelines for the application of the Finish-Swedish Ice Class Rules[S]. Helsinki: Finnish Maritime Aclministration,2008.

[4] MAN B&W Diesel A/S. Propulsion Trends in Tankers[R]. Copenhagen,Denmark:MAN Diesel,2004.

[5] ABS. Guidance Notes on Ice Class[S].2005.

[6] 张东江.北极航运及冰区船舶主机功率探讨[J].船舶，2012,23(4)：28-32.