極地海域撬冰式破冰拖船關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究

朱 彬

(江蘇大津重工有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212221)

0 引言

近年來，俄羅斯“北方航線”[1]的全年通航成為世界海上交通的一個重要課題?！氨狈胶骄€”將太平洋與大西洋之間的運輸距離縮短25%～55%，航行時間節(jié)省約35%～50%，這大大降低了海上交通運輸成本。

破冰船的主要功能是破碎水面冰層，開辟航道，保障艦船進出冰封港口、錨地，或引導(dǎo)艦船在冰區(qū)航行。按航行區(qū)域，破冰船一般分為江河、湖泊、港灣或海洋破冰船。通常一些地處極區(qū)與寒區(qū)或高緯度地區(qū)港灣或海面經(jīng)常冰封，航道受阻，且冰對船舶運行產(chǎn)生破壞和影響，因此，為確保冰區(qū)航行安全和暢通，破冰船就成為必不可少的工具。

長期以來，破冰船的研發(fā)都由北歐地區(qū)的國家主導(dǎo)，并引領(lǐng)技術(shù)水平發(fā)展方向，在冰等級劃分和破冰能力的設(shè)計上占據(jù)絕對領(lǐng)先地位。目前在世界上設(shè)計和建造破冰船能力較強以及擁有該型船的國家主要有：俄羅斯、芬蘭、瑞典、德國、美國、挪威、丹麥、加拿大等[2]。中國的破冰船研究還處于“跟跑”階段，和這些國家相比還有較大的差距。

現(xiàn)階段，國內(nèi)有研究破冰船總體布置、線型設(shè)計[3]的，也有研究帶破冰功能全回轉(zhuǎn)拖船[4]的，還有進行不同船艏角撞擊冰層的有限元分析研究的[5]。本文在研究破冰船的船體艏艉型線和形狀、撬冰式冰刀結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，提供了破冰冰刀設(shè)計方法，且在實船俄羅斯破冰護航拖船(Vityaz)上進行了應(yīng)用。

1 本設(shè)計船舶概述

俄羅斯破冰船(Vityaz)是一艘擁有雙主機、全回轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳、單臺艏側(cè)推等主要設(shè)備、能夠在無限航區(qū)航行的海工輔助船，主要服務(wù)于俄羅斯遠東地區(qū)的港口，如薩哈林海域[6]，為該區(qū)域的油氣設(shè)施、裝備提供服務(wù)。該船具備多種工作功能：錨作拖帶；護航Aframax級油輪靠泊港口及單點系泊(SPM)；運輸和傳送物品或人員登乘及撤離SPM和MOB；污油回收及應(yīng)急響應(yīng)；破冰；對外消防和救助等。

2 破冰船艏艉形狀設(shè)計研究

(1)撬冰式破冰拖船船體結(jié)構(gòu)的艏部斜外板與水平面的夾角為25°。在冰區(qū)航行時，船艏斜外板首先接觸冰層并對冰層產(chǎn)生下壓力，使冰層被船底部冰刀撞碎，同時前傾式的船艏有利于碎冰順利進入船底部經(jīng)過艉部排出。

(2)該船艉部斜外板與水平面的夾角為17°。艉部為半排冰船艉，推進裝置設(shè)置在艉部斜外板的過渡段處。過渡段與水平面的夾角小于17°。由于艉部有長而淺向上傾斜的縱剖線，有利于碎冰沿艉部斜外板在推進裝置的螺旋槳前方順利排出，防止碎冰脫離船體外板對推進裝置的螺旋槳造成干擾和破壞。

(3)本撬冰式破冰拖船船體結(jié)構(gòu)滿足俄羅斯船級社(RMS)對Arc8 & Arc9 破冰等級的強度要求。

(4)利用芬蘭Aker Arctic冰池的試驗數(shù)據(jù)對該船的長寬比進行研究，并對冰區(qū)加強進行核算，從而獲得本船長寬比的數(shù)值為3.73。該長寬比有利于提高船舶在浮冰區(qū)的機動靈活性，并且防止冰層對艏艉區(qū)域壓力矩過大造成船體結(jié)構(gòu)受損。

(5)艏部斜外板的厚度為17.5 mm，艉部斜外板的厚度為13.5 mm，符合船體對外板強度的要求，保證了破冰拖船船體的整體結(jié)構(gòu)強度。 本實例的撬冰式破冰拖船船體結(jié)構(gòu)的冰帶區(qū)域外板板厚t1計算公式[7-8]：

式中：s為扶強材間距；f1為系數(shù)；σy為鋼板屈服強度，高強鋼取355 MPa；tc為鋼板腐蝕余量，一般取2 mm。

本實例的撬冰式破冰拖船船體結(jié)構(gòu)的艏艉部斜外板所用鋼材的牌號為AH36。

船體結(jié)構(gòu)縱向剖視圖見圖1。

1—艉部斜外板；2—主甲板；3—艏部斜外板；4—橫向艙壁；5—縱向框架；6—垂直立柱；7.1—第一艏部制蕩縱艙壁；7.2—第二艏部制蕩縱艙壁；7.3—艉部制蕩縱艙壁；8—水密橫艙壁；9—升高主甲板；10—雙層底內(nèi)底板；11—艉滾筒；12—過渡段；13—推進裝置。

圖1 船體結(jié)構(gòu)縱向剖視圖

3 破冰船冰刀結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

3.1 破冰船破冰方式

破冰船的破冰方式有兩種[9]：第一種是利用船體本身的重量壓載在冰面上，通過重力方式將冰層壓碎；第二種是利用船舶本身的動力，通過冰面的冰上沖撞擠壓將冰層破碎，從而開鑿海面。第一種方式是利用船體本身重力來實現(xiàn)破冰的，使用較為普遍，但該方法存在以下缺點：船體體型大、破冰緩慢、能耗高、效率低等；且以往的破冰厚度均較薄，一般厚度約為0.3 m。這樣會造成在開辟航道時經(jīng)常遭遇卡冰現(xiàn)場，破冰效率不高。其主要原因還是在于破冰結(jié)構(gòu)的設(shè)計不能滿足破冰要求，以及破冰船本身的設(shè)計難以提高破冰效率，造成一定的資源損失和浪費。

3.2 破冰冰刀結(jié)構(gòu)特征及其優(yōu)點

為了解決以上技術(shù)問題，本實例提供一種用于破冰船的破冰冰刀設(shè)計方法。具體方法是：冰刀安裝于破冰船底部的船體外板上，由一塊底板和兩塊對稱設(shè)置的側(cè)板組成。側(cè)板、底板與船體外板通過全焊透焊接形成全封閉結(jié)構(gòu)。冰刀為附屬在船體中內(nèi)龍骨外且沿船長方向布置的連續(xù)箱體結(jié)構(gòu)，艏部與中線呈單面12°傾角，朝艉采用漸寬過渡到平直再變窄的結(jié)構(gòu)，每檔肋位設(shè)有連接一側(cè)側(cè)板的框架板，框架板一側(cè)與側(cè)板之間設(shè)有用于焊接固定兩者的塞焊面板。

每檔肋位設(shè)置框架板，作為破冰冰切橫向的加強結(jié)構(gòu)?？蚣馨逡粋?cè)與側(cè)板之間設(shè)有塞焊面板，作為用于最后焊接側(cè)板的鋼襯墊，從而提高整體為全封閉結(jié)構(gòu)的破冰冰刀的整體結(jié)構(gòu)強度。本形式設(shè)計船型冰刀為貫穿于全船的連續(xù)結(jié)構(gòu)。艏部采用尖艏形式為船首破冰時提供強大的應(yīng)力點，朝艉逐漸變寬再過渡到平直再變窄的結(jié)構(gòu)方便船倒車時破冰，同時有利于碎冰的排出，向艉貫穿全船，可以提高航向穩(wěn)定性。由此可見，通過科學的結(jié)構(gòu)設(shè)計，解決了破冰船卡冰和結(jié)構(gòu)強度不足的技術(shù)問題，從而增加了破冰的厚度，提高了破冰效率，節(jié)約了資源。

破冰船的破冰冰刀，朝艉方向5 m范圍內(nèi)通過圓弧過渡使得寬度增加至2 m，在4 m范圍內(nèi)圓弧過渡至寬度0.8 m并保持平直延續(xù)至艉部，在艉部末端2 m范圍以單面12°傾角交于中線。破冰冰刀底板、側(cè)板、框架板與塞焊面板均采用屈服強度355 MPa以上的高強度鋼。

3.3 冰刀結(jié)構(gòu)計算

艏部冰刀豎直外板板厚計算t2方式[8-9]：

式中：f2為系數(shù)，最大值取1.0。

冰刀豎直外板計算取值見表1。

3.4 冰刀設(shè)計的效果

(1)本冰刀首尾尖銳的結(jié)構(gòu)設(shè)計有利于高效破冰，艏部肥大設(shè)計既能增強艏部冰刀的強度，同時又能引導(dǎo)碎冰向左右兩側(cè)分散，防止碎冰積蓄在艏部，保障船舶能夠持續(xù)高效破冰。

表1 冰刀豎直外板計算取值表

(2)應(yīng)用破冰冰刀計算方法可以高效、精準地選取合適的厚度。通過軟件建模，對冰刀在破冰工況下的強度進行有限元分析驗證，得到滿足設(shè)計要求的板厚數(shù)據(jù)，從而保證破冰冰刀的工況有效性。

(3)選用耐低溫、高強度的鋼材，進一步加強了破冰冰刀的整體結(jié)構(gòu)強度和耐用性。

冰刀結(jié)構(gòu)的立體示意圖見圖2。冰刀典型節(jié)點圖見圖3。

圖2 冰刀結(jié)構(gòu)的立體示意圖

圖3 冰刀典型節(jié)點圖

4 結(jié)論

本設(shè)計用于航行于北極圈及俄羅斯遠東海域的破冰船，并成為開辟經(jīng)濟航道、救助被困船只的特種船舶的破冰利器。本設(shè)計的成功實踐表明：

(1)該設(shè)計提高了小噸位船舶的破冰等級，降低了同級別破冰船的投資成本。

(2)有利于提高船底碎冰的排出速度，增加了主船體的結(jié)構(gòu)強度和破冰效率。

(3)提高了船舶的航向穩(wěn)定性。

(4)使以破冰為基本功能的各類海洋工程船具備多功能的特點，滿足復(fù)合功能的市場使用要求，開拓了新型的破冰船應(yīng)用領(lǐng)域。

目前，該兩項技術(shù)通過了發(fā)明專利審核，技術(shù)成果轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用。