吳 俊 吳 剛

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

0 引 言

俄羅斯是目前世界上唯一擁有核動力破冰船的國家，自20 世紀50年代以來，至今已交付4 代共11 艘核動力破冰船，包括列寧號、北極級、泰米爾級和新北極級，目前正在建造第5 代領袖級核動力破冰船[1]。在核動力船舶方面，俄羅斯憑借豐富的核動力船舶設計、建造和使用經驗，建立了完善的安全法規(guī)和標準規(guī)范體系。其中，俄羅斯船級社（RMRS）頒布了《核動力船舶及浮式結構分級及建造規(guī)范》[2]以及《核動力船舶及浮式結構建造檢驗指南》，包括分級、殼體、艙室劃分、火災防護、機械裝置、核蒸汽發(fā)生裝置、專用系統、電氣設備、自動化、放射性安全與物理防護等內容。該規(guī)范已指導多型核動力破冰船的設計和交付，基于實船的檢驗和運營經驗，其標準規(guī)范也在更新迭代。

國際海事組織（IMO）也制定了相關標準規(guī)范，其中SOLAS 第VIII 章“核能船舶”對核動力船舶制定了適用范圍、免除、核反應堆裝置認可及適用性、輻射安全、特殊控制等原則性要求，《核能商船安全規(guī)范》A.491（XII）[3]規(guī)定了核動力船舶的設計準則、船舶設計建造和設備、核蒸汽供應系統、機械和電氣裝置、輻射安全、操作和檢驗等相關要求。此外，國際原子能機構（international atomic energy agency, IAEA）也發(fā)布了《關于核商船使用港口的安全建議》以及《核動力船舶運行管理-布魯塞爾公約》等其他要求。

在破冰船規(guī)范方面，國內外已建立較為完善的規(guī)范體系，包括IMO 公約規(guī)則、環(huán)北極國家法規(guī)、船級社規(guī)范以及工業(yè)標準等[5]，其中環(huán)北極國家法規(guī)主要由俄羅斯、美國、加拿大、丹麥、挪威、冰島、瑞典、芬蘭等8 個國家建立。目前，應用最廣泛的有IMO《國際極地水域操作船舶規(guī)則》（簡稱《極地規(guī)則》）[4]、芬蘭《芬蘭瑞典冰級規(guī)范》、加拿大《加拿大水域冰區(qū)航行指南》以及俄羅斯聯邦《北方海航路航行規(guī)則》等。此外，國際船級社協會（IACS）、中國船級社（CCS）、美國船級社（ABS）、法國船級社（BV）、挪威船級社（DNV）、俄羅斯船級社（RMRS）以及英國船級社（LR）等主流船級社均針對極地破冰船制定了相關規(guī)范，基本覆蓋環(huán)境溫度、防寒設計、冰區(qū)加強、推進系統、低溫環(huán)境設備要求以及入級檢驗等要求[6-10]。中國船級社在極地船舶的規(guī)范主要包括《鋼質海船入級規(guī)范》中的冰級規(guī)范和防寒規(guī)范，以及《極地船舶指南》[11]、《極地水域操作手冊編寫指南》和《冰區(qū)操作船體檢測與輔助決策系統指南》等相關規(guī)范指南。

極地環(huán)境的特殊性包括低溫、多冰以及位置偏遠，給破冰船（尤其是核動力破冰船）的設計帶來較多挑戰(zhàn)。由于極地地理位置偏遠，缺少應急救援和保障，一旦發(fā)生事故將無法得到及時救助，故需嚴格考慮破冰船的防火、逃生、穩(wěn)性以及艙室劃分等要求。在多冰環(huán)境，破冰船的推進和操縱系統（包括螺旋槳、軸系以及舵系等）往往首當其沖，其中螺旋槳作為推進系統最關鍵的一環(huán)，在碎冰的頻繁碰撞下，其強度校核和可靠性設計需特殊考慮。此外，由于碎冰塊在螺旋槳的抽吸下會快速擊打舵葉，因此在艉向航行狀態(tài)下還應考慮舵系的防冰保護。對于低溫環(huán)境，目前各規(guī)范對低溫定義不太統一且對露天設備的環(huán)境溫度要求也缺乏統一標準。冰海水門對于長期在極地航行的核動力破冰船來說非常關鍵，若發(fā)生浮冰堵塞會嚴重影響核動力裝置的安全運行，而液艙與脫險通道也需考慮防寒設計。本文將從設計規(guī)范角度解讀核動力破冰船的設計要點，從而降低設計風險，為今后該船型研制提供技術支撐。

1 防寒設計

1.1 低溫環(huán)境定義

IMO《極地規(guī)則》以及主流船級社均采用最低日均低溫（the lowest mean daily low temperature, LMDLT）和極地服務溫度（polar service temperature, PST）的溫度定義體系[12]。其中最低日均低溫是統計值概念，根據預計活動海域，統計至少10年以來歷年相應季節(jié)的每日最低氣溫，將每日最低氣溫取10年平均值，從中選擇最低值即為LMDLT，如下頁圖1 所示。而極地服務溫度是在船舶設計過程中用于衡量材料、設備和系統在低氣溫環(huán)境下服務性能的溫度指標，一般取LMDLT 以下至少10 ℃。

圖1 最低日均低溫（LMDLT）示意圖

中國船級社在《鋼質海船入級規(guī)范》第8 篇-第23 章“低溫環(huán)境下操作船舶的補充規(guī)定”中提出了設計服務溫度（design service temperture, DST）以及預期的最低環(huán)境溫度（minimum ambient temperature, MAT）概念，其中DST 等同于《極地規(guī)則》中的PST?？紤]到我國破冰船的實船應用經驗較少，關鍵系統（包括結構、設備與管路）的加熱布置以及液艙防凍保護和艙室加熱等應滿足更嚴苛的環(huán)境溫度，該溫度即為MAT。一般取LMDLT以下至少20℃，不同系統設備的MAT 指標需根據破冰船的環(huán)境剖面和任務剖面綜合評估。

俄羅斯船級社關于環(huán)境溫度的定義自成體系，主要包括設計大氣溫度（design ambient temperature, DAT）和結構設計溫度TA。其中DAT 由船東根據航行區(qū)域和用途確定，針對入級符號Winterization（DAT），可從-30 ℃、-40 ℃和-50 ℃這3 檔中選擇合適的溫度，但不應高于TA。TA是從擬定航線中選擇最不利的寒冷水域，統計5年內的最低日均溫度，并規(guī)定了其與冰級之間的關系：Icebreaker 7 ～ 9 （Arc 5 ～ 9）不應高于-40 ℃；Icebreaker 6（Arc 4）不應高于-30 ℃；Icebreaker 1 ～ 3 不應高于-20 ℃；考慮河流入海口氣溫更低，應取不高于-50 ℃。根據以上溫度定義要求，露天區(qū)域甲板機械和設備溫度應取DAT，遮蔽區(qū)域以及靠近加熱的區(qū)域應取DAT+20 ℃。

根據以上討論，對不同船級社的環(huán)境低溫定義要求進行對比，如表1 所示。

表1 不同規(guī)范對于溫度定義的說明

1.2 防寒系統設計

對于常年在極地水域工作的破冰船，如設計服務溫度低于-40 ℃，對于功率大于100 kW的柴油機需采用直接進氣的方式。該方式區(qū)別于常規(guī)極地船舶機艙進氣形式，不會導致機艙溫度下降過快，但對柴油機的增壓器和燃燒空氣系統的低溫適應性提出較高要求。燃燒空氣的進風口應設置在船舶兩側，可有效防止發(fā)動機排氣循環(huán)進入燃燒空氣的進氣口，并能防止積冰和積雪阻塞風管。

在極地低溫環(huán)境下航行，需采用一定措施（包括持續(xù)循環(huán)、氣泡擾動或加熱等）防止液艙發(fā)生凍結。最常用的是采用蒸汽加熱盤管，一般安裝在水線以上臨近船殼板的位置，特別適用于設計服務溫度低于-40 ℃的氣候條件。氣泡擾動是一種通過不停擾動促使壓載水局部內循環(huán)以到達防凍的措施，其缺點是艙內氣溫偏低，因此局部區(qū)域仍然會有冰凍現象發(fā)生，不適于極端嚴寒的氣候條件。若接鄰船體外板的液艙全部或部分位于輕載水線以上，裝載時應考慮10%的留空容積。壓載水艙若完全位于輕載水線以下，或淡水艙不與船殼或甲板接鄰且位于加熱區(qū)域內，則可不設防凍措施。

破冰船的脫險通道、集合站及救生艇登乘區(qū)應設有防冰保護措施，保證脫險通道無冰或至少 有700 mm 的無冰寬度。脫險通道的尺寸不應阻礙穿著極地服人員的通行，通道寬度可增大至 SOLAS 第II-2 章所要求寬度的1.25 倍。對于室外脫險通道應考慮防寒措施，包括對脫險路線上的斜梯（踏步和扶手）、艙門（門縫接口位置）、露天逃生小艙蓋（蓋板與艙口圍板接口處）等應設置電伴熱。

2 總布置設計

2.1 防火要求

參考SPS code 的防火要求：破冰船的載運人數若超過240 人，參照SOLAS 第II-2 章關于36 人以上乘客客船的防火要求；載運人數若超過60 人但未超過240 人，參照36 人以下乘客客船的防火要求；少于60 人，則參照貨船的防火要求。

俄羅斯船級社《核動力船舶及浮式結構分級及建造規(guī)范》規(guī)定：核動力船舶必須參照36 人以上客船的防火要求，與載運人數無關；反應堆艙室應通過隔離空艙或“A-60”絕緣艙壁與相鄰空間隔離，以防止外部火災或爆炸。

對于核動力破冰船來說，需按各類規(guī)范的最嚴格要求來設計其防火性能，即：應參照36 人以上客船的防火要求，船體和上層建筑的主豎區(qū)需滿足“A-60”級分割要求，汽輪機艙和輔機艙為12類機器所處，集合站為4 類，部分逃生路線需采用“A-60”防火遮蔽。

2.2 總布置要求

參考《核能商船安全規(guī)范》，核動力船舶應設置4 道防護屏蔽，包括：燃料包殼、一次壓力邊界、安全殼結構以及安全包封?？紤]到底部觸礁或擱淺的情況，安全包封的底部距離船底的高度應滿足B/15 或2 m（取大值）的要求。考慮到舷側碰撞防護，組成安全包封的縱艙壁距離舷側的距離應滿足B/5 或11.5 m（取小值）。考慮到防火防爆要求，堆艙的隔離艙應從雙層底延伸至艙壁甲板；堆艙控制室應位于最不易受損的位置，同時要盡可能接近反應堆；堆艙應急控制室應與主控制室隔開并盡量遠離，并具有駕駛室的功能。

根據《極地船舶指南》，為減小艏部主甲板區(qū)域的上浪和飛濺，船長150 m 以下的船舶需考慮設置艏樓或外飄，艏部區(qū)域也可以通過設置封閉或圍蔽處所以保護錨泊設備和操作人員。圍蔽處所一般位于頂部且3 面遮蔽，開口則朝向船尾。考慮到全船防寒要求，出入口附近需設置更衣室以保證人員防寒，駕駛臺翼橋應采用全封閉結構。浴室和盥洗室應盡可能不鄰近露天外部限界面，以防止結冰，否則應設置絕緣物和加熱裝置，并設置排水槽以收集冷凝水。居住艙室的艙壁和甲板的絕緣外部應設置保護隔汽層，以減少濕氣冰凍對絕緣物的損壞。此外，為保護極地環(huán)境，A 和B 類極地船舶的單個容量大于30 m3的燃油艙、殘油艙和含油艙底水艙不能與外板直接接觸，需滿足760 mm 的間距要求。

3 穩(wěn) 性

對于核動力破冰船的穩(wěn)性計算，需考慮騎冰穩(wěn)性和結冰對完整穩(wěn)性的影響，以及特種用途船規(guī)范、極地規(guī)則和核能商船安全規(guī)范對破損穩(wěn)性的 要求。

3.1 完整穩(wěn)性

根據《極地規(guī)則》，完整穩(wěn)性計算需考慮結冰的影響，其中露天甲板和舷梯按30 kg/m2計算結冰質量；水線面以上船舶兩舷的側投影面積按 7.5 kg/m2計算結冰質量；不連續(xù)表面和其他小物件的側投影面積應通過連續(xù)表面的總投影面積增加5%，以及該面積的靜力矩增加10%進行計算。分別統計不同甲板和側投影的結冰質量，得到總的質量和重心位置，并在完整穩(wěn)性計算中予以考慮。

3.2 騎冰穩(wěn)性

騎冰穩(wěn)性的相關要求曾在A.1024（26）《極地水域船舶導則》中有所提及，主要是防止破冰船在快速沖撞破冰時騎上冰面從而導致擱淺失穩(wěn)。對于核動力破冰船來說，發(fā)生騎冰后還會導致冷卻水系統失水，因此一般通過限制船首的沖撞速度或在艏部設置止冰前趾來防止此類現象發(fā)生。沖撞速度可以采用能量法來計算，假定破冰船以一定速度接近障礙冰，其初始動能和在騎冰過程中螺旋槳推力的額外做功，將會轉化成船體抬升勢能、摩擦能以及冰破碎能量。

3.3 破艙穩(wěn)性

破冰船屬于特種用途船，應參照《特種用途船舶規(guī)則》（SPS code）的相關要求，即指向SOLAS第II-1 章的概率破艙要求。其中，要求的分艙指數R根據不同船員數量進行計算：核準載運240人以上，R值不變；不超過60 人，取0.8R；其他數量則采用線性內插計算相應的R值。達到的分艙指數A要根據滿載、輕載和部分裝載3 種不同吃水分別計算，最后核算A是否小于R且部分分艙指數是否小于0.9R。

此外，《極地規(guī)則》規(guī)定了破冰船需考慮冰塊撞擊引起的破艙（即冰破穩(wěn)性），應參照SOLAS第II-1/7-2 的確定性破艙要求，核算艙組破損后的生存概率Si是否為1。破損范圍如圖2 所示，其中縱向破損范圍分艏部和艉部，艏部較嚴格，要求為冰區(qū)高位水線長度的4.5%，可出現在任何縱向位置。較難滿足的要求是最終平衡狀態(tài)橫傾角不能超過7°，同時中間狀態(tài)橫傾角不能超過15°，可通過設置橫貫進水裝置以滿足該要求。

圖2 冰破穩(wěn)性破損范圍示意圖

為了保證核動力船舶的安全，《核能商船安全規(guī)范》和俄羅斯船級社《核動力船舶及浮式結構分級及建造規(guī)范》均對破艙設定了相應規(guī)定，包括舷側破損和底部破損。其中舷側破損的橫向范圍為B/5 或11.5 m，且從基線向上無限制；底部破損的垂向范圍為B/15 或2 m，要求均比SOLAS 更嚴格。采用確定性方法計算破艙，最終浸水狀態(tài)不對稱橫傾角應不超過15°，若未出現甲板邊緣浸水，則可增加到17°。

4 機械裝置

4.1 冰海水門

對于長期在極地航行的核動力破冰船，海水門若發(fā)生浮冰堵塞，會嚴重影響核動力裝置的安全運行，通常從布置、構造和加熱等方面防止海水門發(fā)生冰塞，可參考IMO MSC Circ.504 和IACS UR I3、加拿大北極水域航行要求以及俄羅斯北極水域航行要求等，如下頁圖3 所示。首先，海水門盡量布置在船的低位且遠離冰帶水線，中高冰級破冰船至少應配備2 個冰水箱；此外，冰水箱的設計應能有效隔離冰塊，可使用擋板、圍堰、濾器和其他措施將水和冰隔離開。海水門和冷卻水吸入口應考慮除冰措施，可以采用蒸汽除冰或熱水除冰。海水門的容積應根據船上需要海水冷卻的動力裝置的總功率來確定，每750 kW 的總安裝功率應至少配1 m3冰水箱容積。對于高冰級破冰船，還應考慮設置應急海水艙或將壓載水艙作為冷卻海水的應急來源，但需避免海水溫度過高導致艙內結構腐蝕。

圖3 俄羅斯北極水域航行要求推薦的冰海水門形式

4.2 舵系設計

破冰船的舵系主要關注舵葉、舵機以及冰刀的設計要求。首先，需要計算舵葉的冰載荷，DNV和RMRS 分別對其有相應的計算方法，其中依據DNV 規(guī)范，舵葉冰載荷分為冰刀以下舵葉、舵葉上半部分以及冰刀部分。通過舵葉力、彎矩以及扭矩這3 種力的相互組合，選擇最危險工況對舵結構進行直接計算。

其次，舵機有效扭矩應按照敞水設計航速（最大 18 kn）乘以一定的冰級放大系數進行計算。此外，轉舵速度也根據不同冰級要求設計舵機泵站功率，相應的系數如表2 所示。舵的設計應考慮到較低的前進速度和預期的操作能力，提高冰區(qū)航行的操縱性。對于高冰級破冰船，可設置更多的舵銷將舵葉上的冰載荷更均勻地傳遞到船體結構上。俄羅斯船級社規(guī)范建議Icebreaker 6 ～ 7 的破冰船采用3 個舵銷，Icebreaker 8 ～ 9 的破冰船則采用4 個舵銷。

表2 不同冰級扭矩放大系數以及轉舵角度的要求值

最后，為防止艉向破冰時冰塊擠入舵頂部和船體結構之間，需在舵后設置冰刀，以偏轉和劈開浮冰塊，從而保護舵和螺旋槳在艉向破冰時受到冰塊的過度撞擊。冰刀的布置要求可參照DNV 規(guī)范，如圖4 所示。在最低冰區(qū)水線以下冰刀的高度應不小于1.5CFD，其中CFD為冰作用區(qū)域大小，與PC等級相關；舵葉最上端至冰刀底部的距離不應大于25%舵高。

圖4 冰刀布置示意圖

4.3 軸槳強度校核

目前冰級螺旋槳的強度校核的規(guī)范來源于IACS URI3，其規(guī)定了敞開式螺旋槳在受到冰塊撞擊時葉片的最大向后力Fb以及最大向前力Ff，并分別計算在5 種不同載荷工況下槳葉的強度。除了RMRS 在冰區(qū)軸槳強度計算方面自成體系外，其他主流船級社（CCS、LR、ABS、DNV）的最新規(guī)范在校核螺旋槳和軸系強度時均參考IACS 規(guī)范。DNV 規(guī)范則在IACS 基礎上針對破冰船額外提出了新的要求：鑒于具有自破冰能力的破冰船受到冰塊沖擊的頻率和強度遠高于其他極地船舶，考慮取1.1倍的系數。

軸系直徑的選取是依據金字塔原則，即螺旋槳比軸系設計弱一些，保證螺旋槳葉片的破壞不會導致其他部件的損壞。最關鍵的參數是螺旋槳葉片失效載荷Fex，該載荷是由于塑性彎曲導致葉片損失引起的葉片極限載荷，造成葉片完全失效，從而在葉根區(qū)產生塑性鉸。Fex可用于確定葉根螺栓、螺距控制機構、槳軸、槳軸軸承和推力軸承的尺寸。

5 結 語

目前國內外核動力水面船舶的規(guī)范較少，而極地破冰船的規(guī)范體系較為健全，包括IMO 公約規(guī)則、環(huán)北極國家法規(guī)以及船級社規(guī)范等。除了俄羅斯船級社之外，其他主流船級社均采用IACS 關于環(huán)境溫度的定義方法。在穩(wěn)性方面，既要考慮常規(guī)破冰船的積冰穩(wěn)性、騎冰穩(wěn)性和冰破穩(wěn)性外，還要校核特種用途船和核動力船舶對于破艙穩(wěn)性的特殊要求。在總布置方面，不僅需關注防護屏蔽的設置以及距離外板的相關要求，還需關注極地船舶的艏樓以及艙室防寒等要求。在防火要求方面，綜合特種用途船和核動力船舶的規(guī)范要求，需采用36 人以上客船的防火要求。對于全船的防寒設計，需特別關注主機進氣、液艙防凍以及脫險通道設計的規(guī)范要求。本文還解讀了冰區(qū)舵葉、舵機以及冰刀的設計要求，并介紹了冰區(qū)螺旋槳和軸系的強度校核方法等。通過對以上各方面規(guī)范的梳理和解讀，有助于把控核動力破冰船的設計方向，為今后該船型研制提供一定的參考價值。