閆秋蓮

（上海船舶研究設(shè)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(shè)計院在參考國內(nèi)外破冰三用船型設(shè)計的基礎(chǔ)上，根據(jù)船東提出的“設(shè)計任務(wù)書”的具體要求設(shè)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(chǎn)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(chǎn)生嚴重擠壓及碰撞，極易造成平臺發(fā)生劇烈晃動，甚至引發(fā)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(chǎn)。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(jié)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(yīng)、守護值班、營救（可搭載人員100人）和對外消防等作業(yè)。該船航行于無限航區(qū)，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(yīng)船、拋起錨船和油田守護船的有關(guān)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(zhì)船體，采用橫骨架式結(jié)構(gòu)，具有一層連續(xù)主甲板，主甲板無梁拱，有艉舷弧。主甲板上設(shè)有1層長艏樓和1層短艏樓，第2艏樓甲板上設(shè)有1層甲板室和駕駛室，艏部甲板作業(yè)區(qū)采用封閉式上蓋，主甲板下設(shè)有雙層底和局部平臺甲板，機艙區(qū)域采用雙底雙殼設(shè)計。

該船采用雙機、雙導(dǎo)管可調(diào)槳推進形式，設(shè)有雙高升力魚尾舵，船舶線型為折角破冰線型，船首設(shè)有2臺管狀側(cè)推裝置，船尾設(shè)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(shè)有甲板載貨區(qū)和作業(yè)區(qū)。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(shù)要素及總圖

該船的主要技術(shù)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(shù)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(shè)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(huán)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(shè)有環(huán)型破冰帶，被擠壓到艏部下方的冰被壓碎，環(huán)型破冰帶將碎冰導(dǎo)出兩舷側(cè)，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(yīng)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(shè)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(fù)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(shè)有碎冰導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，將碎冰導(dǎo)出兩舷側(cè)，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(jù)

渤海重冰區(qū)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(jù)近10 a的破冰經(jīng)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(qū)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(xù)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(chǔ)上優(yōu)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(shù)碎冰塊沿著船的兩舷側(cè)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(cè)向后運動，不會進入隧道內(nèi)，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(jù)該船的任務(wù)要求，該船航行于渤海區(qū)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(guī)定（Icebreaking Tug）的要求［5］。目前，CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》（2012年）第八篇第九章“具有破冰能力船舶的補充規(guī)定”適用航行于當年結(jié)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(yīng)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(shù)，計算時取值應(yīng)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(jù)規(guī)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(guī)范的要求。在實際應(yīng)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(xiàn)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(shè)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(diào)研可知，其操縱性能欠佳（包括全速回轉(zhuǎn)和低速回轉(zhuǎn)），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(cè)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(cè)推，推力為90 kN，艉部線型略肥，方形系數(shù)約為0.7。

為提高艉部倒車航速，在對線型進行優(yōu)化設(shè)計時，重點對艏艉線型進行優(yōu)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(yōu)化艉部附體形狀和角度，并采用計算流體力學(xué)（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(shè)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(zhuǎn)性。船首設(shè)計2個艏側(cè)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(yīng)用于船舶工作環(huán)境惡劣（多雜草、漁網(wǎng)等雜物），且對操縱性能要求較高的船舶上（如挖泥船、拖網(wǎng)漁船、破冰船、內(nèi)河或近海運輸船）。高升力魚尾舵的優(yōu)點有：能改善船舶的操縱性能和回轉(zhuǎn)性能，回轉(zhuǎn)直徑下降25%～27%；升力系數(shù)是傳統(tǒng)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(gòu)造無復(fù)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(zhuǎn)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(shè)計船舶過程中對減搖水艙的設(shè)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(shè)計該類型減搖水艙的關(guān)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(jù)被動式減搖水艙的原理，水艙寬度一般等于船寬，根據(jù)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(jù)相關(guān)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(jù)總布置、穩(wěn)性要求和水艙裝水量確定，裝水量與減搖力矩有關(guān)，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(nèi)的減搖效果，通常需在水艙內(nèi)設(shè)置各種格柵，以調(diào)節(jié)水艙阻尼，使各波浪周期范圍內(nèi)的減搖效果達到較好。阻尼格柵的阻尼太小可能導(dǎo)致共振區(qū)外的橫搖增大太多，阻尼太大又不利于共振區(qū)的減搖。目前，雖然阻尼格柵的形式多種多樣，但產(chǎn)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(chǎn)生一定的阻尼，以調(diào)節(jié)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(yīng)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(shè)計和優(yōu)化，選取方案3作為設(shè)計方案，其不規(guī)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(yīng)

圖6 減搖率預(yù)報結(jié)果

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

5 機艙布置和通風優(yōu)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(dǎo)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(zhàn)。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(qū)域，集中布置散料罐艙、燃料油艙、泥漿艙、鹽水艙和基礎(chǔ)油艙等貨艙，突出船小但供應(yīng)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(chǎn)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(nèi)能實現(xiàn)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(yōu)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(yōu)先”原則，設(shè)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(guī)設(shè)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(shè)置大量水平風管，這導(dǎo)致管路和電纜布置困難，阻礙人員通道。該船為機艙底層設(shè)置“點狀送風”方案，充分考慮底層設(shè)備運行和散熱的要求，選取若干個最可能產(chǎn)生“熱點”的區(qū)域，由上層風管延伸垂直風管至相關(guān)區(qū)域。通過在可能產(chǎn)生氣流不暢或嚴重發(fā)熱問題的位置設(shè)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(shè)水平風管的情況下實現(xiàn)良好的氣流組織，達到預(yù)期的通風效果。

6 結(jié) 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(zhuǎn)性能最優(yōu)、適航性最強的破冰型三用工作船。通過對該船進行研發(fā)設(shè)計，主要得到以下結(jié)論：

1）船舶的快速性和破冰能力與船舶線型設(shè)計有很大關(guān)系。因此，在進行線型設(shè)計時，在主機功率一定的情況下，綜合考慮優(yōu)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(zhuǎn)性能的要求較高，經(jīng)常出現(xiàn)艉部倒車靠近平臺的情況，故敞水區(qū)域低速回轉(zhuǎn)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(shè)計研究等也很重要。破冰船應(yīng)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(zhuǎn)性能。

3）由于破冰型三用工作船的機艙空間相對小，機械設(shè)備較多，對機艙設(shè)備、機艙風管和排氣管等的布置要求較高，應(yīng)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(xiàn)優(yōu)化布置。