8 000 HP破冰型三用工作船設計

閆秋蓮

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

0 引 言

8 000 HP（1HP=745.699 872 W）破冰型三用工作船（見圖1）是上海船舶研究設計院在參考國內外破冰三用船型設計的基礎上，根據船東提出的“設計任務書”的具體要求設計的一型破冰型三用工作船。每年冬季，遼東灣（包括渤海灣）的油田生產對破冰船都有迫切的需求。在冬季有冰情時，大片海冰在風力和海潮的作用下對油田平臺的樁腿、樁腿上的原油輸油管線、輸氣管線和原油外輸船舶產生嚴重擠壓及碰撞，極易造成平臺發生劇烈晃動，甚至引發平臺倒塌、輸油輸氣管線破裂等嚴重事故。每年冬季，渤海灣油田海域為防止大塊海冰撞擊平臺，通常會安排破冰船24 h不間斷破冰，確保油田正常生產。本文所述8 000 HP破冰型三用工作船以滿足渤海海域冬季對破冰船的需求為主，同時可在其他季節在黃渤海、東?；蚰虾：Ｓ蜃鳛榉瞧票腿霉ぷ鞔_展拖帶、起拋錨、物資供應、守護值班、營救（可搭載人員100人）和對外消防等作業。該船航行于無限航區，滿足中國船級社（China Classification Society，CCS）和中國海洋石油總公司對破冰型遠洋拖船、供應船、拋起錨船和油田守護船的有關要求。

圖1 8 000 HP破冰型三用工作船效果圖

1 船型要素和總布置

1.1 船型和船級

該船的船體為全焊接式鋼質船體，采用橫骨架式結構，具有一層連續主甲板，主甲板無梁拱，有艉舷弧。主甲板上設有1層長艏樓和1層短艏樓，第2艏樓甲板上設有1層甲板室和駕駛室，艏部甲板作業區采用封閉式上蓋，主甲板下設有雙層底和局部平臺甲板，機艙區域采用雙底雙殼設計。

該船采用雙機、雙導管可調槳推進形式，設有雙高升力魚尾舵，船舶線型為折角破冰線型，船首設有2臺管狀側推裝置，船尾設有艉滾筒，配備1臺1 500 kN的雙卷筒液壓拖纜機，長艏樓后的主甲板上設有甲板載貨區和作業區。該船取得以下船級符號：

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

★CSM AUT-0；BWMP；BWMS

1.2 主要技術要素及總圖

該船的主要技術要素和總布置圖分別見表1和圖2。

表1 8 000 HP破冰型三用工作船主要技術要素

圖2 8 000 HP破冰型三用工作船總布置圖

2 船舶線型和破冰能力研究

該船的線型設計綜合考慮了破冰性能和非破冰時的快速性能。

2.1 破冰線型分析

目前世界上的破冰船主要有3種破冰線型，具體如下。

2.1.1 勺型艏部-環型艉部線型

破冰原理：船舶前進破冰時，利用船舶動能和艏部勺型線型將冰擠壓到艏部下方［1］，在擠壓力的作用下達到破冰的目的；船舶倒車破冰時，由于艏部設有環型破冰帶，被擠壓到艏部下方的冰被壓碎，環型破冰帶將碎冰導出兩舷側，以保護舵葉、螺旋槳和艉軸密封等。采用該線型的船舶破冰能力較強，如濱海293船，可破厚度為90 cm的極地常年冰，一般應用于南北兩極。

2.1.2 刀型艏部線型

破冰原理：船舶前進破冰時，利用船舶動能和艏部刀型線型將冰劈開，用船體將裂縫拓寬，達到破冰的目的，艉部一般沒有特殊設置（保護）。采用該線型的船舶破冰能力相對較弱，如濱海266/267/268船，其破冰能力一般為破厚度為40 cm的當年生單層冰。

2.1.3 其他形式的艏部線型

除了上述2種線型以外，還有水線附近采用勺型、下部采用斜向刀型線型的復合型艏部線型。

破冰原理：船舶前進破冰時，既利用勺型線型將冰擠壓到艏部下［2］，又利用艏部斜向刀型將冰劈開進行破冰。采用該線型的船舶艏部設有碎冰導向結構，將碎冰導出兩舷側，以保護舵葉、螺旋槳和艉軸密封等，其破冰能力介于上述2種船型之間，如濱海284/285/286/287船，其破冰能力一般為破厚度為60 cm的當年生單層冰。

2.2 破冰方法和破冰線型選擇依據

渤海重冰區在遼東灣海域，在重冰年份，遼東灣當年生單層冰厚度約為60 cm。盡管受潮汐的作用，岸邊層疊冰的厚度在80～100 cm，但其強度與當年生單層冰的強度幾乎相同。根據近10 a的破冰經驗，遼東灣（包括渤海灣）破冰船具有破600 mm厚冰層的能力，基本上能滿足油田區域的破冰需求。

該船選用“濱海286”船作為母型船，采用上述第三種線型（見圖3）。破冰方法一般情況下采用“連續式”破冰方法，當遇到厚一點的冰層時（如疊加冰），采用“沖撞式”破冰方法。破冰線型在母型船的基礎上優化，選擇折角破冰線型，艏部略為傾斜，相比母型船，艏柱傾角和縱剖線傾角減?。?］，破冰時的阻力減小，破冰時的航速提高。為滿足布置大直徑螺旋槳的需要，艉部線型采用折角型雙隧道形式［4］，隧道的進口位于船舶底部，以保證螺旋槳來流平順。當船首將冰壓碎之后，大多數碎冰塊沿著船的兩舷側向后移動，即使少量碎冰被碰入船底，也會因艏部的線型而促使碎冰沿水流向上運動，最終使得碎冰塊浮于水面并沿舷側向后運動，不會進入隧道內，減少對螺旋槳和舵的損傷。

圖3 船體艏艉線型

2.3 破冰能力分析

根據該船的任務要求，該船航行于渤海區域，取得Icebreaking Tug，Ice Class B2船級符號，滿足具有破冰能力船舶的補充規定（Icebreaking Tug）的要求［5］。目前，CCS《鋼質海船入級規范》（2012年）第八篇第九章“具有破冰能力船舶的補充規定”適用航行于當年結冰水域、具有獨立破冰能力的非破冰專用船舶［6］，冰級標志與冰層厚度要求見表2。

表2 冰級標志與冰層厚度要求

該船的破冰冰層厚度和積雪厚度如下：

1）B2冰層厚度h0=0.6 m；

2）積雪厚度Sc的取值應不小于0.3 m。

船舶所需破冰功率的計算公式為

式（1）中：B為船寬，B=14.2 m；L為船長，L=96%LWL=65.64 m；f1為系數，計算時取值應不小于1.0，f1=

該船的破冰冰層厚度為0.6 m，積雪厚度大于0.3 m，根據規范的要求對其破冰功率進行計算。當破冰航速v=5 kn時，所需破冰功率為3 639 kW；當破冰航速v=8 kn時，所需破冰功率5 580 kW。該船的最大推進功率為5 700 kW，船舶推進功率大于所需的船舶破冰功率，滿足CCS規范的要求。在實際應用破冰船過程中，考慮到冰層突冰厚度較大的情況，通常對主機功率留20%的余量，避免出現過載情況。當該船的主機功率為70%MCR時，其推進功率3 990 kW仍大于破冰功率3 639 kW，破冰航速為5.5 kn。主機功率設置為8 000 HP較為合適。

3 操縱和倒車性能研究

通過對母型船“濱海286”進行調研可知，其操縱性能欠佳（包括全速回轉和低速回轉），尤其是船舶靠平臺時倒車航速較小，艉靠平臺的倒車航速最大僅為4 kn。通過分析母型船的船型和操縱裝置（舵、推進器和側推）可知，母型船采用的是流線型平衡舵，舵面積為2×4.93 m2，最大舵角為35°，艏部有1個艏側推，推力為90 kN，艉部線型略肥，方形系數約為0.7。

為提高艉部倒車航速，在對線型進行優化設計時，重點對艏艉線型進行優化，削瘦艉部線型，改善折角角度，減少艉部水下部分排水量，改善艉部縱剖線縱傾角，優化艉部附體形狀和角度，并采用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件進行仿真計算，分析艉部伴流場。通過開展船模倒車試驗和試航，最大倒車航速可達8 kn；在舵的設計方面，采用高升力魚艉舵（舵效較好）［7］，增大舵面積到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轉性。船首設計2個艏側推，推力分別為85 kN和70 kN，提高船舶低速航行時的操縱性。

高升力魚尾舵多應用于船舶工作環境惡劣（多雜草、漁網等雜物），且對操縱性能要求較高的船舶上（如挖泥船、拖網漁船、破冰船、內河或近海運輸船）。高升力魚尾舵的優點有：能改善船舶的操縱性能和回轉性能，回轉直徑下降25%～27%；升力系數是傳統舵的1.3～1.6倍［8］；提高了船舶靜止時的操縱性，減少了拖拽；魚尾舵單件構造無復雜連接件，適于在冰凍海域工作。該船通過試航試驗，全速回轉直徑為1.6倍船長。

魚尾舵對航速的影響：對于中低速船舶而言，航速基本不變（該船試航航速為14.04 kn）；對于中高速船舶而言，航速越高下降越明顯。這主要是考慮到舵尾翼形成空泡時影響航速，而流線型魚尾舵對航速的影響很小。通常認為流線型魚尾舵相比普通流線型舵阻力增加不超過3%，而對船舶整體阻力的影響更小。

4 耐波性能研究

由于母型船沒有減搖水艙，船舶橫搖角較大，橫搖周期較短，影響了船員在船上的工作和休息，因此在設計船舶過程中對減搖水艙的設計及其效果進行評估和分析，全面考慮減搖水艙的尺寸、阻尼格柵的形式、水艙布置位置和減搖水艙裝水量等。

三用工作船常用被動式減搖水艙，設計該類型減搖水艙的關鍵之一是確保其固有周期與船舶橫搖的固有周期匹配。根據被動式減搖水艙的原理，水艙寬度一般等于船寬，根據分析論證可確定水艙液深，液深通常以水艙高度的50%～60%為最佳，最大不宜超過水艙高度的70%。該船的橫搖固有周期約為8.1 s。根據相關固有周期計算公式，可得到水艙液深約為1.32 m，最終實際選取艙高為2.9 m。水艙沿船長方向的尺度可根據總布置、穩性要求和水艙裝水量確定，裝水量與減搖力矩有關，通常取排水量的2%～4%。該船在充分考慮總布置的要求的情況下，水艙長度沿船長方向取為4.2 m，共1個水艙，載水量約占滿載排水量的2.7%。

對于平面被動減搖水艙而言，為兼顧各周期范圍內的減搖效果，通常需在水艙內設置各種格柵，以調節水艙阻尼，使各波浪周期范圍內的減搖效果達到較好。阻尼格柵的阻尼太小可能導致共振區外的橫搖增大太多，阻尼太大又不利于共振區的減搖。目前，雖然阻尼格柵的形式多種多樣，但產生阻尼的原理大致相同，即利用格柵/隔板對水流的阻礙作用產生一定的阻尼，以調節水流運動的相位。常用的阻尼格柵有立柱形式、隔板形式和開孔板形式等3種。該船選取3種阻尼格柵形式進行計算分析，1種立柱形式和2種擋板形式，對應的3種減搖水艙阻尼隔板配置方案見圖4。

圖4 減搖水艙阻尼隔板配置方案

該船通過對減搖水艙的尺度和阻尼格柵形式進行合理的設計和優化，選取方案3作為設計方案，其不規則波中的最大減搖率有望達到40%，詳見圖5和圖6。

圖5 不同隔柵方案橫搖運動響應

圖6 減搖率預報結果

該船所設減搖水艙系統可調節液位，針對不同船舶的運行情況提供監測指示。在不同的裝載狀態和海況條件下，集成配備的監測和控制系統可隨時輸出最佳液位指示，可通過對艙內水位高度進行調節匹配當前的船舶橫搖狀態［9］。保證減搖水艙的橫搖周期與當前船舶和海浪狀態具有最佳匹配關系，獲得最優減搖效果。

5 機艙布置和通風優化研究

與相同推進功率的其他船相比，該船的尺度相對較小，尤其是型寬和型深，均比相似推進功率的船型小近1 m。由此導致該船的機艙空間相當緊張，在布置機艙時遇到了一些挑戰。同時，受破冰船艏部線型的影響，機艙前1/3部分寬度變窄，最窄處寬度約為3.8 m；高度方向機艙底層部分通道的有效高度約為2.05 m，平臺甲板通道處的有效高度為2.29 m。

由于該船多貨種艙較多，機艙后端壁以后集中布置為載貨區域，集中布置散料罐艙、燃料油艙、泥漿艙、鹽水艙和基礎油艙等貨艙，突出船小但供應能力強的特點。

受機艙高度的限制，該船的機艙通風管路和排氣管路的布置是一大難題，主機增壓器排氣出口無法豎直向上排氣，同時因采用單煙囪布局，右舷主機的排氣管需橫跨機艙通向位于左前部的機艙棚，而在該路徑上可能會與機艙通道和機艙通風管路產生干涉。為保證機艙通道具備有效的寬度和高度，確保主機排氣管能順利布置，并保證機艙內能實現有效通風，綜合考慮機艙通道、排氣管和通風風管的布置。因此，在優化布置時先劃定通道，在機艙平臺和底層分別確定主要通道的路徑，并確立“通道優先”原則，設備和管路的布置均不能占用通道。

在完成通道和排氣管走向布置之后，充分利用剩余空間進行機艙通風風管布置，在常規設計中，為確保機艙底層的通風效果滿足要求，通常需在平臺甲板以下設置大量水平風管，這導致管路和電纜布置困難，阻礙人員通道。該船為機艙底層設置“點狀送風”方案，充分考慮底層設備運行和散熱的要求，選取若干個最可能產生“熱點”的區域，由上層風管延伸垂直風管至相關區域。通過在可能產生氣流不暢或嚴重發熱問題的位置設置通風開口，形成送風“點”，確保氣流直接到達需換氣和散熱的位置。在機艙底層不設水平風管的情況下實現良好的氣流組織，達到預期的通風效果。

6 結 語

8 000 HP破冰型三用工作船是目前中海油服在遼東灣海域投入的相同噸位的破冰船中破冰能力最強、推進功率最大、外供能力最強、回轉性能最優、適航性最強的破冰型三用工作船。通過對該船進行研發設計，主要得到以下結論：

1）船舶的快速性和破冰能力與船舶線型設計有很大關系。因此，在進行線型設計時，在主機功率一定的情況下，綜合考慮優化艏部和艉部線型，盡最大努力提高船舶的破冰排冰能力。

2）由于破冰船在平臺周圍值守穿梭，對低速回轉性能的要求較高，經常出現艉部倒車靠近平臺的情況，故敞水區域低速回轉性能要靈活，倒車航速不能太低，除了對船舶主尺度進行分析論證以外，船體線型分析研究、舵形式選型和設計研究等也很重要。破冰船應選擇舵效較好的魚尾舵，并增大舵面積，增大最大操舵角，由此提升船舶的低速回轉性能。

3）由于破冰型三用工作船的機艙空間相對小，機械設備較多，對機艙設備、機艙風管和排氣管等的布置要求較高，應精準布局，在機艙單煙囪布局情況下確保管路布置、人員通道和維護空間互不沖突，實現優化布置。