极地冰区船舶的船型及法规要求分析

极地冰区船舶的船型及法规要求分析聂鑫摘要国际上对海洋冰区的研究早已展开，冰区船舶的设计和建造技术也基本成熟而目前我国对于冰区船舶的研宄无论是从理论还是从工程上都尚处于起步阶段。随着北极航线的开辟，极地航行油轮的需求增大，但是极地航行油轮的设计面临着诸多的挑战，极地航行油轮既要满足自身功能的要求同时由于北极特殊的地理环境，极地航行油轮需要满足相关的国际公约，通过开展极地航行环境分析，对极地航行油船的主尺度的确定、总布置设计、结构强度设计、以及推进系统和动力匹配、耐低温系统等设计技术进行了研究和分析。通过对相关极地区域的规范和国际公约进行研究，同时结合极地特殊的环境特点以及海峡的特殊情况，分析了极地航行船舶的主尺度以及船型特点。冰区资源价值及冰区船舶的研究意义极地资源的开发和航道的利用如今己经成为人们对极地冰区研宄的热门话题。由于极地冰雪覆盖，所以无论是资源开发、科学考察还是航道利用，都离不开适于在冰区航行的船舶。不仅是极地冰区，非极地冰区的资源开发及航道利用同样对于中国这样的中高祎度国家有着重要意义。鉴于冰区重要的战略与经济价值，我国虽不属于极地国家，但基于科学考察、油气开采、渔业捕搜、航道利用等需要，对冰载荷以及冰区船舶设计的研宄依然卓有价值。一、船型参数对极地船舶阻力性能影响分析船型主尺度及船型参数对船舶性能影响极大，极地船舶的船宽、首柱倾角，首部外飘角等参数对冰区航行性能影响巨大，对静水阻力性能的影响尚不清楚。本文选取船宽、首柱倾角，首部外飘角三个关键船型参数为研究对象，采用ＣＦＤ方法计算并分析不同船型参数值对静水阻力性能的影响，同时结合极地船舶的冰阻力经验公式和冰区性能要求对船型参数的合理取值给出建议。3．1船宽自破冰型极地船舶船宽直接关系到破冰后的碎冰道宽度，同时会影响到船舶所需要的主机功率。选取本文前面提及的某极地船舶为研究对象，变换其宽度值分别至42ｍ、40ｍ、38ｍ、36ｍ方案，并计算各方案在相同吃水（15ｍ）、相同航速下（Ｆｎ＝0．15）的模型静水阻力，结果见如表3。由表3可以看出，极地船舶船宽越小船舶模型静水阻力值越小。32首柱倾角上面并为极地船舶提供垂直向下的载荷使冰层弯曲破裂达到破冰目的，同时可将碎冰向船舷两侧排开，合适的首柱倾角能够最大化船舶的破冰能力［6］。为了分析首柱倾角对静水阻力的影响，分别设置15。、25。、35。三个首柱倾角，计算它们在相同吃水（15ｍ）、相同航速下（Ｆｎ＝0．15）的模型静水阻力，结果见如表4。由表4可以看出，随着首柱倾角的增大模型静水阻力略微变大，对静水阻力性能的影响较小。3．3首部外飘角自破冰型极地船舶的首部外飘角直接影响极地船舶的破冰效率和排冰能力，设计中需要关注该角度的变化对船舶性能的影响。为了研究外飘角对静水阻力性能的影响，分别设置设计吃水处的外飘角为40°、50°、65°，并计算它们在相同吃水（15ｍ）、相同航速下（Ｆｎ＝0．15）的模型静水阻力，结果见如表5。由表5可以看出，随着首部外飘角的增大模型静水阻力增加。在冰区航行时，船上各系统如动力及推进系统包括主机、减速齿轮装置、起动装置、轴系、螺旋桨及冷却水系统等设备均需满足冰区航行的要求。特别是轮机等设备应能在ＰＣ４、ＰＣ５、ＰＣ６的冰级下安全运行，并应特别考虑低温下液压系统的功能、水管和海底门的防需要通过对极地航行油船船体艉部、推进器、冰三者相互作用分析，确定不同推进类型和推进器的布局方案。基于推进器推进性能，船体水阻力以及冰阻力增值和船桨相互作用进行冰区条件下的船舶快速性能预报。考虑数值和规范结合的方式开展推进器抗冰性能的研宄，提出合理的推进器配置方案，建立动力匹配技术。舵型及螺旋桨型式选取方面，需要针对极地航行油轮的工作环境与工况，建立舵桨水动力数值预报模型，进行多工况高效航、桨的优化设计研宄。并采用数值模拟手段，分析冰桨相互作用对螺旋桨性能、强度、疲劳的影响，建立冰桨相互作用模型，计算极端载荷下螺旋桨应力分布研究防治桨叶强度屈服实效的设计措施。研究冰桨舵作用下的航的强度应力分布，分析降低最大应力的技术措施；同时需要分析冰桨流体相互作用下的动态载荷，提出计算螺旋桨疲劳载荷的等效模型，计算螺旋桨疲劳寿命周期，研究延长疲劳寿命的技术措施，具体螺旋桨型式、桨叶结构极地航行船型设计在考虑冰区航行的破冰能力的同时，要兼顾考虑在敞水区域航行安全性、经济性、适航性以及破冰航行时碎冰沿船体流动所产生的对推进器的干扰和碰撞。极地船舶在无冰水域航行水动力性能、破冰航行水动力性能及排冰性能对首尾部型线不同要求等问题，我们以极地游船的总布置图为例船舶极地航行面临的诸多考验北极海冰具有相当明显的季节变化，又具有相对稳定性海冰面积最大在2月，最小在8月而冬季(12月～4月)海冰面积相对稳定夏季的8月和9月，冰面积月度变化也不大，而在冰融化的春季及初夏(5～7月)和冰凝结的秋季及初冬(10月～1月)，月际差值相应较大随着全球气温的变暖，在夏季，鄂霍次克海戴维斯海峡拉布拉多海白令海以及白令海峡地区己经基本无冰，船舶可以自由通行因此，北冰洋的贸易航线主要活动在6～10月浮冰的消融期北极航道的选择主要受海冰分布影响，没有确定不变的航道.在北极和南极地区航行的船舶面临着许多极地地区特有的风险.北极地区平均风速为4－6米/秒在一年中,大风情况经常伴随着风暴而来，通常没有任何暗示，但即使是大风，风速也很少超过25米/秒北极地区中的北大西洋海域巴芬湾白令海和楚科奇海因为气旋活动常见而风力最强北冰洋航路上的海流，作为浅水大陆架沿岸流，受地形要素的影响，整体上自西向东流岛屿之间的狭窄海峡中潮流显著，水流强劲如扬斯克海峡，当遇到东北气流时，洋流最高时速可以达到6．9节，维利基茨基海峡附近可达5节，新西伯利亚诸岛南部的拉普杰夫海峡在强风时也能达到3至4节这时小船逆流无法进入海峡，等到潮流变化后方可航行极区的海上交通量少水文气象条件复杂多变，极区的海图信息远没达到其他海域的覆盖范围和精度北极地区除了主要港口鲜有灯塔航标外，由于受冰的影响，航道几乎没有灯浮或浮筒无线电定位因极区缺乏无线电台站有很大的困难，船舶配备的劳兰台卡和测向仪等无线电导航设备不能使用，只能依靠GPS卫星定位或者北斗系统定位极区航行或穿越西风带或进入冰区航行，掌握气象海况等非常重要，但是在纬度75°N以北，通讯设备不能接受同步卫星的信号，只能利用依星上其网站下载罗经是保障船舶安全航行的重要助航设备，南北磁极附近磁力线密集，海图上标注的磁差线间数值相差大，在磁差线间进行内差得出的磁差值误差也较大此外，船舶进入冰区可能会遇到许多潜在的困难和风险，如甲板水管系和液压管系受寒冻住或冻裂，船体可能发生意外磨损，主副机由于工作环境恶化导致发生故障，船舶有关工作难以落实，机械设备因天气寒冷容易损坏或失灵，螺旋桨和舵损坏，以及船舶受困等，造成较大的经济损失破冰过程中强行增大主机负荷破冰前进会引起主机超负荷而损坏主机极地船舶总体关键基础技术尚未完全开发的主要区域，其环境极为脆弱。一旦极地环境遭到破坏，不仅地球上最后一片净土不复存在，而且其造成的后果将是不可设想的。目前对北极环境保护的重视度越来越高，船舶严格的排放要求对总体设计的影响不亚于冰层和恶劣天气的影响。因此，在绿色船舶发展大背景下，开展极地船舶绿色设计理论基础研究，发展绿色极地船舶技术将显得更为重要。在考虑ＥＥＤＩ时，破冰船存在着特殊问题，即对于作业于冰区的船舶，ＥＥＤＩ要求在不增加装机功率的情况下提高性能。而破冰船一般都需要较大的动力以支持破冰作业，能满足ＥＥＤＩ要求的比较现实的方法包括使用辅助装置（垂直船首冲刷系统、空泡润滑、方位电力驱动等）和ＬＮＧ燃料。不过ＥＥＤＩ并不适用于所有船型，例如电力推进船舶，而对于一些冰级较高的船型如芬兰－瑞典1ＡＳｕｐｅｒ冰级船舶，要求也有所降低，因为由于这些船的特殊性，基本无法完全符合ＥＥＤＩ标准。到目前为止，依旧没有一个解读1ＡＳｕｐｅｒ冰级以上船舶ＥＥＤＩ的明确指导。绿色船舶将是有效提升我国船舶工业能力的技术突破口，针对极地船舶，结合实际使用需求，应重点关注和发展极地绿色船舶评价技术、极地绿色船型设计技术、极地船舶无压载水技术和极地船舶新能源动力技术。传统的破冰船均具有典型的破冰首和舷侧倾斜特征，破冰船的首部线型有：直艏柱契形首、怀特凹形首、梅尔维尔首、绞刀型勺形首、山脊型半勺形首、平式系列、蒂森瓦斯首等。近年来，又发展了双向破冰船型、斜向破冰船型、三体破冰船型等新船型。开展极地船舶新型破冰船型几何构型理论与方法研究，形成主尺度等参数综合论证优化技术和极地船型几何重构技术，建立船型曲面的参数驱动方法，有助于获得航行性能优良的极地船型。极地船舶的总体设计不仅要考虑敞水区航行性能，而且还要兼顾冰区的破冰性能和操控性能等。这些因素相互影响，在设计中还可能是相互矛盾的。随着北极通航，北极航道的运力将稳步上升，越来越多的船只将往返于极地冰区和敞水区域。如对于跨北极货运型船型，既追求敞水区域的经济性，又必须考虑冰区航行性能。因此，需要开展冰水混合流场中船舶性能均衡设计理论与准则研究。要实现敞水及冰区航行性能的平衡优化设计，建立敞水及冰区航行性能的快速预报模型。其难点在于极地航行船舶船型破冰过程及机理、极地破冰船型优化技术和极地船舶冰区航行性能预报方法的研究和突破。北极航区规则研究为了规范船舶极地航行和作业，保证船舶航行安全和环境保护，目前涉及极地船舶统一的国际规则主要有两方面，一方面是由ＩＭＯ海安会（ＭＳＣ）下的船舶设计与设备分委会推动的强制性极地规则；另船舶的统一要求及历次修改，作为入级符号的附加规定，此要求逐渐被船级社纳入到各自的船级规范中涵盖了极地环保、造船、航行安全等诸方面。通过本研宄熟悉各船级社有关冰区船舶的相关规范和差异，各规范对冰区登记的划分标准，最新的ＩＡＣＳ极地规范和指南，北极沿岸国对冰区航行船的各种法规，国际海事组织对预防海损、保护北极在随着极地航行和商业开发活动的增多，逐步成为当前国际海事组织需要迫切解决的问题。《极地水域船舶航行安全Ｃｏｄｅ）》（《极地规则》）草案ＩＭＯ—直在推进制定，旨在对上述与极地航行安全以及防污染进行整合，形成极地水域操作安全的国际公约。２０１０年召开的ＤＥ５４次会议开始制定《极地规则》，会议就有关的政策性问题取得原则共识，规则结构基本确定，但技术细节仍有分歧。规则架构主要包含认证、设计、设备与系统、操作、环２０１２年召开的ＤＥ５６次会议由相关工作组确立极地规则的基本框架。需要考虑的事项包括：目标和功能要求；风险识别分析和控制。《联合国海洋法公约》是规定各国使用海洋权力和责任的法律框架，１９９４年生效，目前有１６２个签署国。《联合国海洋法公约》中的第２３４条，也称“冰封区域”条款，明确规定：在冰块封冻范围内，沿海国家有权参与制定并认真执行反歧视性的法规，用以减少、防止并控制船舶在特有经济区对海洋的污染，这种污染势必会对生态环境造成严重的破坏，更甚者造成无可挽回的后果，涉及此区域的法规应适当考虑航行条件及严寒气候及一年中大部分时候冰封的情形对航行造成的障碍和危险，并在现有最可行的科学证据基础上，保护国际海事组织（ＩＭＯ）于２００２年１２月颁布了通函《在北极冰覆盖水域内船舶航行指南》，主要针对船体结构、船员生活处所和紧急应对措施、船舶分舱、动力控制系统，轮机方面的主辅机系统、救生安全、操作布置、通导设备、船员防护配备、环境保护和破损控制等提出了要求。目前，《ＳＯＬＡＳ公约》、《ＭＡＲＰＯＬ公约》、《联合国海洋法公约》、（ＵＮＣＬＯＳ）、（（ＳＴＣＷ公约》构成了船舶在极地航行时需要遵守的主要随着北极航线开通率的逐渐提高和极地资源加速开发，极地航行船舶将迎来蓬勃发展机遇，除航运主力船型外，极地多功能船舶、海洋工程船舶等的需求量将持续增加，破冰船也将保持稳步发展，极地船舶及海工市场将在今后保持持续增长的态势。极地资源开发利用和东北航道通航对保障我国经济持续稳步发展、保障能源运输安全有重要的战略意义。我国已成为北极理事会永久观察员，同时我国就极地相关事宜也一直与俄罗斯等北极