极地海域撬冰式破冰拖船关键技术应用研究

朱 彬

(江苏大津重工有限公司，江苏 镇江 212221)

0 引言

近年来，俄罗斯“北方航线”[1]的全年通航成为世界海上交通的一个重要课题。“北方航线”将太平洋与大西洋之间的运输距离缩短25%～55%，航行时间节省约35%～50%，这大大降低了海上交通运输成本。

破冰船的主要功能是破碎水面冰层，开辟航道，保障舰船进出冰封港口、锚地，或引导舰船在冰区航行。按航行区域，破冰船一般分为江河、湖泊、港湾或海洋破冰船。通常一些地处极区与寒区或高纬度地区港湾或海面经常冰封，航道受阻，且冰对船舶运行产生破坏和影响，因此，为确保冰区航行安全和畅通，破冰船就成为必不可少的工具。

长期以来，破冰船的研发都由北欧地区的国家主导，并引领技术水平发展方向，在冰等级划分和破冰能力的设计上占据绝对领先地位。目前在世界上设计和建造破冰船能力较强以及拥有该型船的国家主要有：俄罗斯、芬兰、瑞典、德国、美国、挪威、丹麦、加拿大等[2]。中国的破冰船研究还处于“跟跑”阶段，和这些国家相比还有较大的差距。

现阶段，国内有研究破冰船总体布置、线型设计[3]的，也有研究带破冰功能全回转拖船[4]的，还有进行不同船艏角撞击冰层的有限元分析研究的[5]。本文在研究破冰船的船体艏艉型线和形状、撬冰式冰刀结构形式的基础上，提供了破冰冰刀设计方法，且在实船俄罗斯破冰护航拖船(Vityaz)上进行了应用。

1 本设计船舶概述

俄罗斯破冰船(Vityaz)是一艘拥有双主机、全回转导管桨、单台艏侧推等主要设备、能够在无限航区航行的海工辅助船，主要服务于俄罗斯远东地区的港口，如萨哈林海域[6]，为该区域的油气设施、装备提供服务。该船具备多种工作功能：锚作拖带；护航Aframax级油轮靠泊港口及单点系泊(SPM)；运输和传送物品或人员登乘及撤离SPM和MOB；污油回收及应急响应；破冰；对外消防和救助等。

2 破冰船艏艉形状设计研究

(1)撬冰式破冰拖船船体结构的艏部斜外板与水平面的夹角为25°。在冰区航行时，船艏斜外板首先接触冰层并对冰层产生下压力，使冰层被船底部冰刀撞碎，同时前倾式的船艏有利于碎冰顺利进入船底部经过艉部排出。

(2)该船艉部斜外板与水平面的夹角为17°。艉部为半排冰船艉，推进装置设置在艉部斜外板的过渡段处。过渡段与水平面的夹角小于17°。由于艉部有长而浅向上倾斜的纵剖线，有利于碎冰沿艉部斜外板在推进装置的螺旋桨前方顺利排出，防止碎冰脱离船体外板对推进装置的螺旋桨造成干扰和破坏。

(3)本撬冰式破冰拖船船体结构满足俄罗斯船级社(RMS)对Arc8 & Arc9 破冰等级的强度要求。

(4)利用芬兰Aker Arctic冰池的试验数据对该船的长宽比进行研究，并对冰区加强进行核算，从而获得本船长宽比的数值为3.73。该长宽比有利于提高船舶在浮冰区的机动灵活性，并且防止冰层对艏艉区域压力矩过大造成船体结构受损。

(5)艏部斜外板的厚度为17.5 mm，艉部斜外板的厚度为13.5 mm，符合船体对外板强度的要求，保证了破冰拖船船体的整体结构强度。 本实例的撬冰式破冰拖船船体结构的冰带区域外板板厚t1计算公式[7-8]：

式中：s为扶强材间距；f1为系数；σy为钢板屈服强度，高强钢取355 MPa；tc为钢板腐蚀余量，一般取2 mm。

本实例的撬冰式破冰拖船船体结构的艏艉部斜外板所用钢材的牌号为AH36。

船体结构纵向剖视图见图1。

1—艉部斜外板；2—主甲板；3—艏部斜外板；4—横向舱壁；5—纵向框架；6—垂直立柱；7.1—第一艏部制荡纵舱壁；7.2—第二艏部制荡纵舱壁；7.3—艉部制荡纵舱壁；8—水密横舱壁；9—升高主甲板；10—双层底内底板；11—艉滚筒；12—过渡段；13—推进装置。

图1 船体结构纵向剖视图

3 破冰船冰刀结构设计研究

3.1 破冰船破冰方式

破冰船的破冰方式有两种[9]：第一种是利用船体本身的重量压载在冰面上，通过重力方式将冰层压碎；第二种是利用船舶本身的动力，通过冰面的冰上冲撞挤压将冰层破碎，从而开凿海面。第一种方式是利用船体本身重力来实现破冰的，使用较为普遍，但该方法存在以下缺点：船体体型大、破冰缓慢、能耗高、效率低等；且以往的破冰厚度均较薄，一般厚度约为0.3 m。这样会造成在开辟航道时经常遭遇卡冰现场，破冰效率不高。其主要原因还是在于破冰结构的设计不能满足破冰要求，以及破冰船本身的设计难以提高破冰效率，造成一定的资源损失和浪费。

3.2 破冰冰刀结构特征及其优点

为了解决以上技术问题，本实例提供一种用于破冰船的破冰冰刀设计方法。具体方法是：冰刀安装于破冰船底部的船体外板上，由一块底板和两块对称设置的侧板组成。侧板、底板与船体外板通过全焊透焊接形成全封闭结构。冰刀为附属在船体中内龙骨外且沿船长方向布置的连续箱体结构，艏部与中线呈单面12°倾角，朝艉采用渐宽过渡到平直再变窄的结构，每档肋位设有连接一侧侧板的框架板，框架板一侧与侧板之间设有用于焊接固定两者的塞焊面板。

每档肋位设置框架板，作为破冰冰切横向的加强结构。框架板一侧与侧板之间设有塞焊面板，作为用于最后焊接侧板的钢衬垫，从而提高整体为全封闭结构的破冰冰刀的整体结构强度。本形式设计船型冰刀为贯穿于全船的连续结构。艏部采用尖艏形式为船首破冰时提供强大的应力点，朝艉逐渐变宽再过渡到平直再变窄的结构方便船倒车时破冰，同时有利于碎冰的排出，向艉贯穿全船，可以提高航向稳定性。由此可见，通过科学的结构设计，解决了破冰船卡冰和结构强度不足的技术问题，从而增加了破冰的厚度，提高了破冰效率，节约了资源。

破冰船的破冰冰刀，朝艉方向5 m范围内通过圆弧过渡使得宽度增加至2 m，在4 m范围内圆弧过渡至宽度0.8 m并保持平直延续至艉部，在艉部末端2 m范围以单面12°倾角交于中线。破冰冰刀底板、侧板、框架板与塞焊面板均采用屈服强度355 MPa以上的高强度钢。

3.3 冰刀结构计算

艏部冰刀竖直外板板厚计算t2方式[8-9]：

式中：f2为系数，最大值取1.0。

冰刀竖直外板计算取值见表1。

3.4 冰刀设计的效果

(1)本冰刀首尾尖锐的结构设计有利于高效破冰，艏部肥大设计既能增强艏部冰刀的强度，同时又能引导碎冰向左右两侧分散，防止碎冰积蓄在艏部，保障船舶能够持续高效破冰。

表1 冰刀竖直外板计算取值表

(2)应用破冰冰刀计算方法可以高效、精准地选取合适的厚度。通过软件建模，对冰刀在破冰工况下的强度进行有限元分析验证，得到满足设计要求的板厚数据，从而保证破冰冰刀的工况有效性。

(3)选用耐低温、高强度的钢材，进一步加强了破冰冰刀的整体结构强度和耐用性。

冰刀结构的立体示意图见图2。冰刀典型节点图见图3。

图2 冰刀结构的立体示意图

图3 冰刀典型节点图

4 结论

本设计用于航行于北极圈及俄罗斯远东海域的破冰船，并成为开辟经济航道、救助被困船只的特种船舶的破冰利器。本设计的成功实践表明：

(1)该设计提高了小吨位船舶的破冰等级，降低了同级别破冰船的投资成本。

(2)有利于提高船底碎冰的排出速度，增加了主船体的结构强度和破冰效率。

(3)提高了船舶的航向稳定性。

(4)使以破冰为基本功能的各类海洋工程船具备多功能的特点，满足复合功能的市场使用要求，开拓了新型的破冰船应用领域。

目前，该两项技术通过了发明专利审核，技术成果转化为实际应用。