極地冰區(qū)船舶的船型及法規(guī)要求分析

1、極地冰區(qū)船舶的船型及法規(guī)要求分析聶鑫摘要國(guó)際上對(duì)海洋冰區(qū)的研究早已展開(kāi)，冰區(qū)船舶的設(shè)計(jì)和建造技術(shù)也基本成熟而目前我國(guó)對(duì)于冰區(qū)船舶的研宄無(wú)論是從理論還是從工程上都尚處于起步階段。隨著北極航線(xiàn)的開(kāi)辟，極地航行油輪的需求增大，但是極地航行油輪的設(shè)計(jì)面臨著諸多的挑戰(zhàn)，極地航行油輪既要滿(mǎn)足自身功能的要求同時(shí)由于北極特殊的地理環(huán)境，極地航行油輪需要滿(mǎn)足相關(guān)的國(guó)際公約，通過(guò)開(kāi)展極地航行環(huán)境分析，對(duì)極地航行油船的主尺度的確定、總布置設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)、以及推進(jìn)系統(tǒng)和動(dòng)力匹配、耐低溫系統(tǒng)等設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了研究和分析。通過(guò)對(duì)相關(guān)極地區(qū)域的規(guī)范和國(guó)際公約進(jìn)行研究，同時(shí)結(jié)合極地特殊的環(huán)境特點(diǎn)以及海峽的特殊情況，分析了極

2、地航行船舶的主尺度以及船型特點(diǎn)。 冰區(qū)資源價(jià)值及冰區(qū)船舶的研究意義極地資源的開(kāi)發(fā)和航道的利用如今己經(jīng)成為人們對(duì)極地冰區(qū)研宄的熱門(mén)話(huà)題。由于極地冰雪覆蓋，所以無(wú)論是資源開(kāi)發(fā)、科學(xué)考察還是航道利用，都離不開(kāi)適于在冰區(qū)航行的船舶。不僅是極地冰區(qū)，非極地冰區(qū)的資源開(kāi)發(fā)及航道利用同樣對(duì)于中國(guó)這樣的中高祎度國(guó)家有著重要意義。鑒于冰區(qū)重要的戰(zhàn)略與經(jīng)濟(jì)價(jià)值，我國(guó)雖不屬于極地國(guó)家，但基于科學(xué)考察、油氣開(kāi)采、漁業(yè)捕搜、航道利用等需要，對(duì)冰載荷以及冰區(qū)船舶設(shè)計(jì)的研宄依然卓有價(jià)值。一、船型參數(shù)對(duì)極地船舶阻力性能影響分析 船型主尺度及船型參數(shù)對(duì)船舶性能影響極大，極地船舶的船寬、首柱傾角，首部外飄角等參數(shù)對(duì)冰區(qū)航行性能影

3、響巨大，對(duì)靜水阻力性能的影響尚不清楚。本文選取船寬、首柱傾角， 首部外飄角三個(gè)關(guān)鍵船型參數(shù)為研究對(duì)象，采用 方法計(jì)算并分析不同船型參數(shù)值對(duì)靜水阻力性能的影響，同時(shí)結(jié)合極地船舶的冰阻力經(jīng)驗(yàn)公式和冰區(qū)性能要求對(duì)船型參數(shù)的合理取值給出建議。 3 1 船寬 自破冰型極地船舶船寬直接關(guān)系到破冰后的碎冰道寬度，同時(shí)會(huì)影響到船舶所需要的主機(jī)功率。選取本文前面提及的某極地船舶為研究對(duì)象，變換其寬度值分別至 4 2 、 4 0 、 3 8 、 3 6 方案，并計(jì)算各方案在相同吃水（ 1 5 ）、相同航速下（0 1 5 ）的模型靜水阻力，結(jié)果見(jiàn)如表 3 。由表3 可以看出， 極地船舶船寬越小船舶模型靜水阻力值越小

4、 。 3 2 首柱傾角自破冰型極地船舶首柱前傾主要是為了方便極地船舶騎爬至冰層上面并為極地船舶提供垂直向下的載荷使冰層彎曲破裂達(dá)到破冰目 的 ， 同時(shí)可將碎冰向船舷兩側(cè)排開(kāi)， 合適的首柱傾角 能夠最大化船舶 的破冰能力6。為了分析首柱傾角對(duì)靜水阻力的影響，分別設(shè)置 1 5。、 2 5。、 3 5。三個(gè)首柱傾角，計(jì)算它們?cè)谙嗤运?（ 1 5）、相同航速下（0 1 5 ）的模型靜水阻力，結(jié)果見(jiàn)如表 4 。由表 4 可以看出，隨著首柱傾角的增大模型靜水阻力略微變大， 對(duì)靜水 阻力性能 的影響較小。 3 3首部外飄角 自破冰型極地船舶的首部外飄角直接影響極地船舶的破冰效率和排冰能力，設(shè)計(jì)中需要關(guān)注該

5、角度的變化對(duì)船舶性能的影響。為了研究外飄角對(duì)靜水阻力性能的影響，分別設(shè)置設(shè)計(jì)吃水處的外飄角為 40°、 5 0° 、 6 5°，并計(jì)算它們?cè)谙?同吃水 （ 1 5 ）、相同航速下（ 0 1 5 ）的模型靜水阻力，結(jié)果見(jiàn)如表 5。由表 5 可以看出，隨著首部外飄角的增大模型靜水阻力增加。 主機(jī)型號(hào)在冰區(qū)航行時(shí)，船上各系統(tǒng)如動(dòng)力及推進(jìn)系統(tǒng)包括主機(jī)、減速齒輪裝置、起動(dòng)裝置、軸系、螺旋槳及冷卻水系統(tǒng)等設(shè)備均需滿(mǎn)足冰區(qū)航行的要求。特別是輪機(jī)等設(shè)備應(yīng)能在、的冰級(jí)下安全運(yùn)行，并應(yīng)特別考慮低溫下液壓系統(tǒng)的功能、水管和海底門(mén)的防凍措施以及應(yīng)急柴油機(jī)低溫起動(dòng)性能等。需要通過(guò)對(duì)極地航行

6、油船船體艉部、推進(jìn)器、冰三者相互作用分析，確定不同推進(jìn)類(lèi)型和推進(jìn)器的布局方案?；谕七M(jìn)器推進(jìn)性能，船體水阻力以及冰阻力增值和船槳相互作用進(jìn)行冰區(qū)條件下的船舶快速性能預(yù)報(bào)?？紤]數(shù)值和規(guī)范結(jié)合的方式開(kāi)展推進(jìn)器抗冰性能的研宄，提出合理的推進(jìn)器配置方案，建立動(dòng)力匹配技術(shù)。舵型及螺旋槳型式選取方面，需要針對(duì)極地航行油輪的工作環(huán)境與工況，建立舵槳水動(dòng)力數(shù)值預(yù)報(bào)模型，進(jìn)行多工況高效航、槳的優(yōu)化設(shè)計(jì)研宄。并采用數(shù)值模擬手段，分析冰槳相互作用對(duì)螺旋槳性能、強(qiáng)度、疲勞的影響，建立冰槳相互作用模型，計(jì)算極端載荷下螺旋槳應(yīng)力分布研究防治槳葉強(qiáng)度屈服實(shí)效的設(shè)計(jì)措施。研究冰槳舵作用下的航的強(qiáng)度應(yīng)力分布，分析降低最大應(yīng)力的

7、技術(shù)措施；同時(shí)需要分析冰槳流體相互作用下的動(dòng)態(tài)載荷，提出計(jì)算螺旋槳疲勞載荷的等效模型，計(jì)算螺旋槳疲勞壽命周期，研究延長(zhǎng)疲勞壽命的技術(shù)措施，具體螺旋槳型式、槳葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及蛇獎(jiǎng)相對(duì)位置等?？偛贾脠D的繪制極地航行船型設(shè)計(jì)在考慮冰區(qū)航行的破冰能力的同時(shí)，要兼顧考慮在敞水區(qū)域航行安全性、經(jīng)濟(jì)性、適航性以及破冰航行時(shí)碎冰沿船體流動(dòng)所產(chǎn)生的對(duì)推進(jìn)器的干擾和碰撞。極地船舶在無(wú)冰水域航行水動(dòng)力性能、破冰航行水動(dòng)力性能及排冰性能對(duì)首尾部型線(xiàn)不同要求等問(wèn)題，我們以極地游船的總布置圖為例 船舶極地航行面臨的諸多考驗(yàn)北極海冰具有相當(dāng)明顯的季節(jié)變化，又具有相對(duì)穩(wěn)定性海冰面積最大在2 月，最小在8月而冬季( 12 月 4

8、 月)海冰面積相對(duì)穩(wěn)定夏季的8 月和9 月，冰面積月度變化也不大，而在冰融化的春季及初夏( 5 7 月)和冰凝結(jié)的秋季及初冬( 10 月 1 月)，月際差值相應(yīng)較大隨著全球氣溫的變暖，在夏季，鄂霍次克海戴維斯海峽拉布拉多海白令海以及白令海峽地區(qū)己經(jīng)基本無(wú)冰，船舶可以自由通行因此，北冰洋的貿(mào)易航線(xiàn)主要活動(dòng)在6 10 月浮冰的消融期北極航道的選擇主要受海冰分布影響，沒(méi)有確定不變的航道.在北極和南極地區(qū)航行的船舶面臨著許多極地地區(qū)特有的風(fēng)險(xiǎn).北極地區(qū)平均風(fēng)速為 4 6米/秒在一年中,大風(fēng)情況經(jīng)常伴隨著風(fēng)暴而來(lái)，通常沒(méi)有任何暗示，但即使是大風(fēng)，風(fēng)速也很少超過(guò)25 米/秒 北極地區(qū)中的北大西洋海域巴芬灣

9、 白令海和楚科奇海因?yàn)闅庑顒?dòng)常見(jiàn)而風(fēng)力最強(qiáng) 北冰洋航路上的海流，作為淺水大陸架沿岸流， 受地形要素的影響，整體上自西向東流島嶼之間的狹窄海峽中潮流顯著，水流強(qiáng)勁如揚(yáng)斯克海峽，當(dāng)遇到東北氣流時(shí)，洋流最高時(shí)速可以達(dá)到6 9 節(jié)，維利基茨基海峽附近可達(dá) 5 節(jié)，新西伯利亞諸島南部的拉普杰夫海峽在強(qiáng)風(fēng)時(shí)也能達(dá)到 3 至 4 節(jié) 這時(shí)小船逆流無(wú)法進(jìn)入海峽，等到潮流變化后方可航行極區(qū)的海上交通量少水文氣象條件復(fù)雜多變，極區(qū)的海圖信息遠(yuǎn)沒(méi)達(dá)到其他海域的覆蓋范圍和精度北極地區(qū)除了主要港口鮮有燈塔航標(biāo)外，由于受冰的影響，航道幾乎沒(méi)有燈浮或浮筒無(wú)線(xiàn)電定位因極區(qū)缺乏無(wú)線(xiàn)電臺(tái)站有很大的困難， 船舶配備的勞蘭 臺(tái)卡和

10、測(cè)向儀等無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航設(shè)備不能使用，只能依靠 GPS 衛(wèi)星定位或者北斗系統(tǒng)定位 極區(qū)航行或穿越西風(fēng)帶或進(jìn)入冰區(qū)航行，掌握氣象海況等非常重要， 但是在緯度 75°N以北，通訊設(shè)備不能接受同步衛(wèi)星的信號(hào)， 只能利用依星上其網(wǎng)站下載 羅經(jīng)是保障船舶安全航行的重要助航設(shè)備， 南 北磁極附近磁力線(xiàn)密集， 海圖上標(biāo)注的磁差線(xiàn)間數(shù)值相差大， 在磁差線(xiàn)間進(jìn)行內(nèi)差得出的磁差值誤差也較大此外，船舶進(jìn)入冰區(qū)可能會(huì)遇到許多潛在的困難和風(fēng)險(xiǎn)，如甲板水管系和液壓管系受寒凍住或凍裂，船體可能發(fā)生意外磨損，主副機(jī)由于工作環(huán)境惡化導(dǎo)致發(fā)生故障，船舶有關(guān)工作難以落實(shí)，機(jī)械設(shè)備因天氣寒冷容易損壞或失靈，螺旋槳和舵損壞，以及船

11、舶受困等，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失破冰過(guò)程中強(qiáng)行增大主機(jī)負(fù)荷破冰前進(jìn)會(huì)引起主機(jī)超負(fù)荷而損壞主機(jī)極地船舶總體關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)極地圈層是地球上人類(lèi) 尚未完全開(kāi)發(fā)的主要區(qū)域，其環(huán)境極為脆弱 。一旦極地環(huán)境遭到破壞，不僅地球上最后一片凈土不復(fù)存在， 而且其造成的后果將是不可設(shè)想的。目前對(duì)北極環(huán)境保護(hù)的重視度越 來(lái)越高，船舶嚴(yán)格的排放要求對(duì)總體設(shè)計(jì)的影響不亞于冰層和 惡 劣 天氣的影響。因此，在綠色船舶發(fā)展大背景下，開(kāi)展極地船舶綠色設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)研究，發(fā)展綠色極地船舶技術(shù)將顯得更為重要。在考慮時(shí)，破冰船存在著特殊問(wèn)題，即對(duì)于作業(yè)于冰區(qū)的船舶，要求在不增加裝機(jī)功率的情況下提高性能 。而破冰船一般都需要較大的動(dòng)力以支持

12、破冰作業(yè)， 能滿(mǎn)足 要求 的 比 較現(xiàn)實(shí)的方法包括使用輔助裝置（ 垂直船首沖刷系統(tǒng)、空泡潤(rùn)滑、方位電力驅(qū)動(dòng)等）和燃料。不過(guò)并不適用于所有船型，例如電力推進(jìn)船舶，而對(duì)于一些冰級(jí)較高的船型如芬蘭瑞 典 1 冰級(jí)船舶，要求也有所降低，因?yàn)橛捎谶@些船的特殊性，基本無(wú)法完全符合標(biāo)準(zhǔn)。到目前為止，依舊沒(méi)有一個(gè)解讀 1 冰級(jí)以上船舶 的 明確指導(dǎo) 。 綠色船舶將是有效提升我國(guó)船舶工業(yè)能力的技術(shù)突破口，針對(duì)極地船舶，結(jié)合實(shí)際使用需求，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注和發(fā)展極地綠色船舶評(píng)價(jià)技術(shù) 、 極地綠色船型設(shè)計(jì)技術(shù)、極地船舶無(wú)壓載水技術(shù)和極地船舶新能源動(dòng)力技術(shù)。傳統(tǒng)的破冰船均具有典型的破冰首和舷側(cè)傾斜特征，破冰船的首部 線(xiàn)型有：

13、直艏柱契形首、懷特凹形首、梅爾維爾首、絞刀型勺形首、山脊型半勺形首、平式系列、蒂森瓦斯首等。近年來(lái)，又發(fā)展了雙向 破冰船型、斜向破冰船型、三體破冰船型等新船型。開(kāi)展極地船舶 新型破冰船型幾何構(gòu)型理論與方法研究，形成主尺度等參數(shù)綜合論證優(yōu)化技術(shù)和極地船型幾何重構(gòu)技術(shù)，建立船型曲面的參數(shù)驅(qū)動(dòng)方法 ，有助于獲得航行性能優(yōu)良的極地船型。 極地船舶的總體設(shè)計(jì)不僅要考慮敞水區(qū)航行性能，而且還要兼顧冰 區(qū)的破冰性能和操控性能等。這些因素相互影響，在設(shè)計(jì)中還可能是相互矛盾的。 隨著北極通航，北極航道的運(yùn)力將穩(wěn)步上升，越來(lái)越多的船只將往返于極地冰區(qū)和敞水區(qū)域。如對(duì)于跨北極貨運(yùn)型船型 ， 既追求敞水區(qū)域的經(jīng)濟(jì)性，

14、又必須考慮冰區(qū)航行性能。因此，需要開(kāi) 展冰水混合流場(chǎng)中船舶性能均衡設(shè)計(jì)理論與準(zhǔn)則研究。要實(shí)現(xiàn)敞水及冰區(qū)航行性能的平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立敞水及冰區(qū)航行性能的快速預(yù)報(bào)模型。其難點(diǎn)在于極地航行船舶船型破冰過(guò)程及機(jī)理、 極地破冰 船型優(yōu)化技術(shù)和極地船舶冰區(qū)航行性能預(yù)報(bào)方法的研究和突破。 北極航區(qū)規(guī)則研究為了規(guī)范船舶極地航行和作業(yè)，保證船舶航行安全和環(huán)境保護(hù)，目前涉及極地船舶統(tǒng)一的國(guó)際規(guī)則主要有兩方面，一方面是由海安會(huì)（）下的船舶設(shè)計(jì)與設(shè)備分委會(huì)推動(dòng)的強(qiáng)制性極地規(guī)則；另一方面是國(guó)際船級(jí)社（）年頒布的對(duì)極地船舶的統(tǒng)一要求及歷次修改，作為入級(jí)符號(hào)的附加規(guī)定，此要求逐漸被船級(jí)社納入到各自的船級(jí)規(guī)范中涵蓋了極地環(huán)保

15、、造船、航行安全等諸方面。通過(guò)本研宄熟悉各船級(jí)社有關(guān)冰區(qū)船舶的相關(guān)規(guī)范和差異，各規(guī)范對(duì)冰區(qū)登記的劃分標(biāo)準(zhǔn)，最新的極地規(guī)范和指南，北極沿岸國(guó)對(duì)冰區(qū)航行船的各種法規(guī)，國(guó)際海事組織對(duì)預(yù)防海損、保護(hù)北極生態(tài)的各項(xiàng)法規(guī)等，為極地航海油輪的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。在隨著極地航行和商業(yè)開(kāi)發(fā)活動(dòng)的增多，逐步成為當(dāng)前國(guó)際海事組織需要迫切解決的問(wèn)題。極地水域船舶航行安全規(guī)則（）（極地規(guī)則）草案直在推進(jìn)制定，旨在對(duì)上述與極地航行安全以及防污染進(jìn)行整合，形成極地水域操作安全的國(guó)際公約。年召開(kāi)的次會(huì)議開(kāi)始制定極地規(guī)則，會(huì)議就有關(guān)的政策性問(wèn)題取得原則共識(shí)，規(guī)則結(jié)構(gòu)基本確定，但技術(shù)細(xì)節(jié)仍有分歧。規(guī)則架構(gòu)主要包含認(rèn)證、設(shè)計(jì)、設(shè)備與系統(tǒng)

16、、操作、環(huán)境保護(hù)、配員與培訓(xùn)等幾大塊內(nèi)容。年召開(kāi)的次會(huì)議由相關(guān)工作組確立極地規(guī)則的基本框架。需要考慮的事項(xiàng)包括：目標(biāo)和功能要求；風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別分析和控制。極地區(qū)域航行需要遵循的國(guó)際公約聯(lián)合國(guó)海洋法公約是規(guī)定各國(guó)使用海洋權(quán)力和責(zé)任的法律框架，年生效，目前有個(gè)簽署國(guó)。聯(lián)合國(guó)海洋法公約中的第條，也稱(chēng)“冰封區(qū)域”條款，明確規(guī)定：在冰塊封凍范圍內(nèi)，沿海國(guó)家有權(quán)參與制定并認(rèn)真執(zhí)行反歧視性的法規(guī)，用以減少、防止并控制船舶在特有經(jīng)濟(jì)區(qū)對(duì)海洋的污染，這種污染勢(shì)必會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞，更甚者造成無(wú)可挽回的后果，涉及此區(qū)域的法規(guī)應(yīng)適當(dāng)考慮航行條件及嚴(yán)寒氣候及一年中大部分時(shí)候冰封的情形對(duì)航行造成的障礙和危險(xiǎn)，并在現(xiàn)有最可行的科學(xué)證據(jù)基礎(chǔ)上，保護(hù)海洋環(huán)境和保障安全。國(guó)際海事組織（）于年月頒布了通函在北極冰覆蓋水域內(nèi)船舶航行指南，主要針對(duì)船體結(jié)構(gòu)、船員生活處所和緊急應(yīng)對(duì)措施、船舶分艙、動(dòng)力控制系統(tǒng)，輪機(jī)方面的主輔機(jī)系統(tǒng)、救生安全、操作布置、通導(dǎo)設(shè)備、船員防護(hù)配備、環(huán)境保護(hù)和破損控制等提出了要求。目前，公約、公約、聯(lián)合國(guó)海洋法公約、（）、（公約構(gòu)成了船舶在極地航行時(shí)需要遵守的主要國(guó)際