8 000 HP破冰型三用工作船设计

闫秋莲

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 引 言

8 000 HP（1HP=745.699 872 W）破冰型三用工作船（见图1）是上海船舶研究设计院在参考国内外破冰三用船型设计的基础上，根据船东提出的“设计任务书”的具体要求设计的一型破冰型三用工作船。每年冬季，辽东湾（包括渤海湾）的油田生产对破冰船都有迫切的需求。在冬季有冰情时，大片海冰在风力和海潮的作用下对油田平台的桩腿、桩腿上的原油输油管线、输气管线和原油外输船舶产生严重挤压及碰撞，极易造成平台发生剧烈晃动，甚至引发平台倒塌、输油输气管线破裂等严重事故。每年冬季，渤海湾油田海域为防止大块海冰撞击平台，通常会安排破冰船24 h不间断破冰，确保油田正常生产。本文所述8 000 HP破冰型三用工作船以满足渤海海域冬季对破冰船的需求为主，同时可在其他季节在黄渤海、东海或南海海域作为非破冰型三用工作船开展拖带、起抛锚、物资供应、守护值班、营救（可搭载人员100人）和对外消防等作业。该船航行于无限航区，满足中国船级社（China Classification Society，CCS）和中国海洋石油总公司对破冰型远洋拖船、供应船、抛起锚船和油田守护船的有关要求。

图1 8 000 HP破冰型三用工作船效果图

1 船型要素和总布置

1.1 船型和船级

该船的船体为全焊接式钢质船体，采用横骨架式结构，具有一层连续主甲板，主甲板无梁拱，有艉舷弧。主甲板上设有1层长艏楼和1层短艏楼，第2艏楼甲板上设有1层甲板室和驾驶室，艏部甲板作业区采用封闭式上盖，主甲板下设有双层底和局部平台甲板，机舱区域采用双底双壳设计。

该船采用双机、双导管可调桨推进形式，设有双高升力鱼尾舵，船舶线型为折角破冰线型，船首设有2台管状侧推装置，船尾设有艉滚筒，配备1台1 500 kN的双卷筒液压拖缆机，长艏楼后的主甲板上设有甲板载货区和作业区。该船取得以下船级符号：

★CSA Icebreaking Offshore Tug/Supply Ship/Stand-By Ship/Fire Fighting Ship1；Anchor Handling；Ice Class B2

★CSM AUT-0；BWMP；BWMS

1.2 主要技术要素及总图

该船的主要技术要素和总布置图分别见表1和图2。

表1 8 000 HP破冰型三用工作船主要技术要素

图2 8 000 HP破冰型三用工作船总布置图

2 船舶线型和破冰能力研究

该船的线型设计综合考虑了破冰性能和非破冰时的快速性能。

2.1 破冰线型分析

目前世界上的破冰船主要有3种破冰线型，具体如下。

2.1.1 勺型艏部-环型艉部线型

破冰原理：船舶前进破冰时，利用船舶动能和艏部勺型线型将冰挤压到艏部下方［1］，在挤压力的作用下达到破冰的目的；船舶倒车破冰时，由于艏部设有环型破冰带，被挤压到艏部下方的冰被压碎，环型破冰带将碎冰导出两舷侧，以保护舵叶、螺旋桨和艉轴密封等。采用该线型的船舶破冰能力较强，如滨海293船，可破厚度为90 cm的极地常年冰，一般应用于南北两极。

2.1.2 刀型艏部线型

破冰原理：船舶前进破冰时，利用船舶动能和艏部刀型线型将冰劈开，用船体将裂缝拓宽，达到破冰的目的，艉部一般没有特殊设置（保护）。采用该线型的船舶破冰能力相对较弱，如滨海266/267/268船，其破冰能力一般为破厚度为40 cm的当年生单层冰。

2.1.3 其他形式的艏部线型

除了上述2种线型以外，还有水线附近采用勺型、下部采用斜向刀型线型的复合型艏部线型。

破冰原理：船舶前进破冰时，既利用勺型线型将冰挤压到艏部下［2］，又利用艏部斜向刀型将冰劈开进行破冰。采用该线型的船舶艏部设有碎冰导向结构，将碎冰导出两舷侧，以保护舵叶、螺旋桨和艉轴密封等，其破冰能力介于上述2种船型之间，如滨海284/285/286/287船，其破冰能力一般为破厚度为60 cm的当年生单层冰。

2.2 破冰方法和破冰线型选择依据

渤海重冰区在辽东湾海域，在重冰年份，辽东湾当年生单层冰厚度约为60 cm。尽管受潮汐的作用，岸边层叠冰的厚度在80～100 cm，但其强度与当年生单层冰的强度几乎相同。根据近10 a的破冰经验，辽东湾（包括渤海湾）破冰船具有破600 mm厚冰层的能力，基本上能满足油田区域的破冰需求。

该船选用“滨海286”船作为母型船，采用上述第三种线型（见图3）。破冰方法一般情况下采用“连续式”破冰方法，当遇到厚一点的冰层时（如叠加冰），采用“冲撞式”破冰方法。破冰线型在母型船的基础上优化，选择折角破冰线型，艏部略为倾斜，相比母型船，艏柱倾角和纵剖线倾角减小［3］，破冰时的阻力减小，破冰时的航速提高。为满足布置大直径螺旋桨的需要，艉部线型采用折角型双隧道形式［4］，隧道的进口位于船舶底部，以保证螺旋桨来流平顺。当船首将冰压碎之后，大多数碎冰块沿着船的两舷侧向后移动，即使少量碎冰被碰入船底，也会因艏部的线型而促使碎冰沿水流向上运动，最终使得碎冰块浮于水面并沿舷侧向后运动，不会进入隧道内，减少对螺旋桨和舵的损伤。

图3 船体艏艉线型

2.3 破冰能力分析

根据该船的任务要求，该船航行于渤海区域，取得Icebreaking Tug，Ice Class B2船级符号，满足具有破冰能力船舶的补充规定（Icebreaking Tug）的要求［5］。目前，CCS《钢质海船入级规范》（2012年）第八篇第九章“具有破冰能力船舶的补充规定”适用航行于当年结冰水域、具有独立破冰能力的非破冰专用船舶［6］，冰级标志与冰层厚度要求见表2。

表2 冰级标志与冰层厚度要求

该船的破冰冰层厚度和积雪厚度如下：

1）B2冰层厚度h0=0.6 m；

2）积雪厚度Sc的取值应不小于0.3 m。

船舶所需破冰功率的计算公式为

式（1）中：B为船宽，B=14.2 m；L为船长，L=96%LWL=65.64 m；f1为系数，计算时取值应不小于1.0，f1=

该船的破冰冰层厚度为0.6 m，积雪厚度大于0.3 m，根据规范的要求对其破冰功率进行计算。当破冰航速v=5 kn时，所需破冰功率为3 639 kW；当破冰航速v=8 kn时，所需破冰功率5 580 kW。该船的最大推进功率为5 700 kW，船舶推进功率大于所需的船舶破冰功率，满足CCS规范的要求。在实际应用破冰船过程中，考虑到冰层突冰厚度较大的情况，通常对主机功率留20%的余量，避免出现过载情况。当该船的主机功率为70%MCR时，其推进功率3 990 kW仍大于破冰功率3 639 kW，破冰航速为5.5 kn。主机功率设置为8 000 HP较为合适。

3 操纵和倒车性能研究

通过对母型船“滨海286”进行调研可知，其操纵性能欠佳（包括全速回转和低速回转），尤其是船舶靠平台时倒车航速较小，艉靠平台的倒车航速最大仅为4 kn。通过分析母型船的船型和操纵装置（舵、推进器和侧推）可知，母型船采用的是流线型平衡舵，舵面积为2×4.93 m2，最大舵角为35°，艏部有1个艏侧推，推力为90 kN，艉部线型略肥，方形系数约为0.7。

为提高艉部倒车航速，在对线型进行优化设计时，重点对艏艉线型进行优化，削瘦艉部线型，改善折角角度，减少艉部水下部分排水量，改善艉部纵剖线纵倾角，优化艉部附体形状和角度，并采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）软件进行仿真计算，分析艉部伴流场。通过开展船模倒车试验和试航，最大倒车航速可达8 kn；在舵的设计方面，采用高升力鱼艉舵（舵效较好）［7］，增大舵面积到2×7.2 m2，最大舵角由母型船35°增大到45°，改善船舶的全速和低速回转性。船首设计2个艏侧推，推力分别为85 kN和70 kN，提高船舶低速航行时的操纵性。

高升力鱼尾舵多应用于船舶工作环境恶劣（多杂草、渔网等杂物），且对操纵性能要求较高的船舶上（如挖泥船、拖网渔船、破冰船、内河或近海运输船）。高升力鱼尾舵的优点有：能改善船舶的操纵性能和回转性能，回转直径下降25%～27%；升力系数是传统舵的1.3～1.6倍［8］；提高了船舶静止时的操纵性，减少了拖拽；鱼尾舵单件构造无复杂连接件，适于在冰冻海域工作。该船通过试航试验，全速回转直径为1.6倍船长。

鱼尾舵对航速的影响：对于中低速船舶而言，航速基本不变（该船试航航速为14.04 kn）；对于中高速船舶而言，航速越高下降越明显。这主要是考虑到舵尾翼形成空泡时影响航速，而流线型鱼尾舵对航速的影响很小。通常认为流线型鱼尾舵相比普通流线型舵阻力增加不超过3%，而对船舶整体阻力的影响更小。

4 耐波性能研究

由于母型船没有减摇水舱，船舶横摇角较大，横摇周期较短，影响了船员在船上的工作和休息，因此在设计船舶过程中对减摇水舱的设计及其效果进行评估和分析，全面考虑减摇水舱的尺寸、阻尼格栅的形式、水舱布置位置和减摇水舱装水量等。

三用工作船常用被动式减摇水舱，设计该类型减摇水舱的关键之一是确保其固有周期与船舶横摇的固有周期匹配。根据被动式减摇水舱的原理，水舱宽度一般等于船宽，根据分析论证可确定水舱液深，液深通常以水舱高度的50%～60%为最佳，最大不宜超过水舱高度的70%。该船的横摇固有周期约为8.1 s。根据相关固有周期计算公式，可得到水舱液深约为1.32 m，最终实际选取舱高为2.9 m。水舱沿船长方向的尺度可根据总布置、稳性要求和水舱装水量确定，装水量与减摇力矩有关，通常取排水量的2%～4%。该船在充分考虑总布置的要求的情况下，水舱长度沿船长方向取为4.2 m，共1个水舱，载水量约占满载排水量的2.7%。

对于平面被动减摇水舱而言，为兼顾各周期范围内的减摇效果，通常需在水舱内设置各种格栅，以调节水舱阻尼，使各波浪周期范围内的减摇效果达到较好。阻尼格栅的阻尼太小可能导致共振区外的横摇增大太多，阻尼太大又不利于共振区的减摇。目前，虽然阻尼格栅的形式多种多样，但产生阻尼的原理大致相同，即利用格栅/隔板对水流的阻碍作用产生一定的阻尼，以调节水流运动的相位。常用的阻尼格栅有立柱形式、隔板形式和开孔板形式等3种。该船选取3种阻尼格栅形式进行计算分析，1种立柱形式和2种挡板形式，对应的3种减摇水舱阻尼隔板配置方案见图4。

图4 减摇水舱阻尼隔板配置方案

该船通过对减摇水舱的尺度和阻尼格栅形式进行合理的设计和优化，选取方案3作为设计方案，其不规则波中的最大减摇率有望达到40%，详见图5和图6。

图5 不同隔栅方案横摇运动响应

图6 减摇率预报结果

该船所设减摇水舱系统可调节液位，针对不同船舶的运行情况提供监测指示。在不同的装载状态和海况条件下，集成配备的监测和控制系统可随时输出最佳液位指示，可通过对舱内水位高度进行调节匹配当前的船舶横摇状态［9］。保证减摇水舱的横摇周期与当前船舶和海浪状态具有最佳匹配关系，获得最优减摇效果。

5 机舱布置和通风优化研究

与相同推进功率的其他船相比，该船的尺度相对较小，尤其是型宽和型深，均比相似推进功率的船型小近1 m。由此导致该船的机舱空间相当紧张，在布置机舱时遇到了一些挑战。同时，受破冰船艏部线型的影响，机舱前1/3部分宽度变窄，最窄处宽度约为3.8 m；高度方向机舱底层部分通道的有效高度约为2.05 m，平台甲板通道处的有效高度为2.29 m。

由于该船多货种舱较多，机舱后端壁以后集中布置为载货区域，集中布置散料罐舱、燃料油舱、泥浆舱、盐水舱和基础油舱等货舱，突出船小但供应能力强的特点。

受机舱高度的限制，该船的机舱通风管路和排气管路的布置是一大难题，主机增压器排气出口无法竖直向上排气，同时因采用单烟囱布局，右舷主机的排气管需横跨机舱通向位于左前部的机舱棚，而在该路径上可能会与机舱通道和机舱通风管路产生干涉。为保证机舱通道具备有效的宽度和高度，确保主机排气管能顺利布置，并保证机舱内能实现有效通风，综合考虑机舱通道、排气管和通风风管的布置。因此，在优化布置时先划定通道，在机舱平台和底层分别确定主要通道的路径，并确立“通道优先”原则，设备和管路的布置均不能占用通道。

在完成通道和排气管走向布置之后，充分利用剩余空间进行机舱通风风管布置，在常规设计中，为确保机舱底层的通风效果满足要求，通常需在平台甲板以下设置大量水平风管，这导致管路和电缆布置困难，阻碍人员通道。该船为机舱底层设置“点状送风”方案，充分考虑底层设备运行和散热的要求，选取若干个最可能产生“热点”的区域，由上层风管延伸垂直风管至相关区域。通过在可能产生气流不畅或严重发热问题的位置设置通风开口，形成送风“点”，确保气流直接到达需换气和散热的位置。在机舱底层不设水平风管的情况下实现良好的气流组织，达到预期的通风效果。

6 结 语

8 000 HP破冰型三用工作船是目前中海油服在辽东湾海域投入的相同吨位的破冰船中破冰能力最强、推进功率最大、外供能力最强、回转性能最优、适航性最强的破冰型三用工作船。通过对该船进行研发设计，主要得到以下结论：

1）船舶的快速性和破冰能力与船舶线型设计有很大关系。因此，在进行线型设计时，在主机功率一定的情况下，综合考虑优化艏部和艉部线型，尽最大努力提高船舶的破冰排冰能力。

2）由于破冰船在平台周围值守穿梭，对低速回转性能的要求较高，经常出现艉部倒车靠近平台的情况，故敞水区域低速回转性能要灵活，倒车航速不能太低，除了对船舶主尺度进行分析论证以外，船体线型分析研究、舵形式选型和设计研究等也很重要。破冰船应选择舵效较好的鱼尾舵，并增大舵面积，增大最大操舵角，由此提升船舶的低速回转性能。

3）由于破冰型三用工作船的机舱空间相对小，机械设备较多，对机舱设备、机舱风管和排气管等的布置要求较高，应精准布局，在机舱单烟囱布局情况下确保管路布置、人员通道和维护空间互不冲突，实现优化布置。