不同冰级破冰船船级社最小功率要求分析

(上海交通大学 a.船舶海洋与建筑工程学院；b.海洋工程国家重点实验室；c.高新船舶与深海开发装备协同创新中心(船海协创中心)，上海 200240)

极区航行的船舶主要分为两类：①冰区航行船舶(ice-going ship)能够独立航行于在浮冰区域及部分薄密集冰区域，或在破冰船的护送下在冰中航行；②破冰船(icebreaker)是专门从事各种破冰作业的船舶，其中包括：冰区护航、翻越冰山、航道破冰、冰区拖拽、破冰和救助作业[1]。极区航行船舶功率作为反映船舶破冰能力的一项关键指标，直接影响极区船舶的安全性和作业区域。对于冰区航行船舶功率要求计算，主要采用芬兰-瑞典规范(FSICR)[2]。对于破冰船功率要求计算，各大船级社的要求差别较大。本文通过综述4家船级社对破冰船冰级和最小功率要求，研究2种破冰船最小功率计算公式，分析影响破冰船最小功率的各类因素。结合不同船型、冰级的破冰船实船数据分析，各类因素的影响程度并对计算方法的有效性和通用性进行讨论。

1 破冰船冰级

对于破冰船而言，要遵循IMO制定的Polar Code，还需要满足所入级的船级社的破冰船规范要求。美国船级社(ABS)和法国船级社(BV)以国际船级社协会极地冰级规范(IACS PC)规范[3]体系为基础，并辅以本船级社的部分要求。俄罗斯船级社(RS)和挪威船级社(DNV)的破冰船规范拥有相对独立的体系[4]。而冰区航行船舶主要是满足FSICR和IACS PC规范相应要求。本文重点选取RS、BV、ABS、DNV[5-8]规范进行计算对比。

RS有1995年和2008年2个版本的规范，其中RS破冰船规范(1995)[9]中对破冰船的分级分为4个等级，LL1、LL2、LL3及LL4。RS破冰船规范(2008)对于破冰船分为4个等级：Icebreaker6、Icebreaker7、Icebreaker8、Icebreaker9。

BV和ABS都是以IACS PC规范体系为基础，将破冰船分为7个等级，分别对应于PC 1到PC 7。BV增加了对PC 1到PC 7冰级比较详细的冰情描述，并以Icebreaker 1到Icebreaker 7划分破冰船； ABS规范要求，需要满足ABS的Polar Class，Enhanced规范才能授予Ice Breaker标识，破冰船冰级为Ice Breaker，PC1到Ice Breaker，PC7。

原DNV对破冰船标志定义为ICE-05 Icebreaker、ICE-10 Icebreaker、ICE-15 Icebreaker、Polar-10 Icebreaker、Polar-20 Icebreaker和Polar-30 Icebreaker。对于冰情介于以上冰级的极区船舶，经特殊考虑，可授予相关冰级符号，如Polar-25。而DNV与GL合并后推出DNV-GL规范，用基于IACS PC规范的新规范代替了原DNV破冰船规范，但原DNV破冰船规范拥有独立的体系和特点，具有很大的研究价值。

2 不同破冰船冰级的最小功率要求

IACS制定的Polar Class规范对于破冰船最小功率并未做出具体要求，因此，各船级社依据自己的工作给出了对应相应冰级的最小功率要求。

2.1 RS破冰船功率要求

RS针对不同的破冰船冰级直接给出相对应的最小输出功率。不同冰级的破冰船轴功率不应低于表1中相应等级要求数值。

表1 RS船级社功率要求

2.2 BV破冰船功率要求

BV规范要求，不同等级破冰船轴功率不应低于表2中相应等级要求数值。对于通过模型试验或实船试验确定推进功率的船舶，可根据具体情况，确定推进装置最小输出功率。

表2 BV船级社功率要求

2.3 ABS破冰船功率要求

ABS规范要求，不同等级破冰船轴功率不应低于表3中相应等级要求数值。

对于PC1到PC4，且标识有Ice breaker的船舶而言,最小输出功率N为

N=kA(B)0.8(L)0.4[1+me-5Δ×10-6]

(1)

式中：k为系数，k=0.735；A、m为系数，见表3。

表3 ABS船级社A、m系数

2.4 DNV破冰船功率要求

DNV对极地船舶最大连续输出功率的规定与船型紧密相关，需根据具体船型具体计算。最大连续输出功率P应不低于下式计算所得数值。

P=1.5cscpINB[1+1.6T+

27(0.1IN/T0.25)0.5

(2)

式中：具有传统破冰船艏的船舶cs=1，cs=0.9+γ/200，最小值为1且不会超过1.2;变桨距螺旋桨cp=1，定桨距螺旋桨cp=1.1；IN为冰级数值；B为水线处型宽；T为垂线间长；γ为冰区高位水线纵剖面角。

3 破冰船最小功率计算

选取3艘不同破冰能力的破冰船，选用RS、DNV、BV、ABS 4家船级社的对应冰级，按照破冰能力相近的原则，计算对破冰船的最小功率，对比见表4、图1。

表4 破冰船主要参数

图1 不同规范最小功率要求对比

3.1 LK-60YA级破冰船

LK-60YA级核动力破冰船为俄罗斯新一代核动力破冰船，工程代号Project 22220，同级别总共建造3艘。该系列为现世界上破冰能力最强的破冰船，入级RS，冰级Icebreaker 9，总长173 m，设计水线长160 m，船宽34 m，水线处型宽33 m，吃水为10.5 m，排水量为33 540 t，船舶轴功率60 000 kW[10]。根据破冰能力相近的原则，选择计算冰级为Icebreaker 1、Ice Breaker，PC1、Polar-30 Icebreaker对该船的最小功率进行计算。

3.2 “Taymyr”号

“Taymyr”号是俄罗斯Taymyr级核动力破冰船，冰级LL2，总长149.7 m，设计水线长136.32 m，船宽29.2 m，水线处型宽28 m，吃水9 m，排水量为21 100 t，船舶轴功率为32 500 kW[11]。根据破冰能力相近的原则，选择计算船级为Icebreaker 2、 Ice Breaker，PC2、Polar-20 Icebreaker、Icebreaker8对该船的最小功率进行计算。

3.3 “雪龙2号”

中国第一艘自主建造的极地科学考察破冰船“雪龙2号”冰级PC 3，总长122.5 m，设计水线长117 m，船宽22.3 m，水线处型宽22 m，吃水7.8 m，排水量14 300 t，船舶轴功率依推进功率估算约17 000 kW左右[12]。根据破冰能力相近的原则，选择计算冰级为 Icebreaker 3、Ice Breaker，PC3、Polar-15 Icebreaker、Icebreaker7对该船的最小功率进行计算。

通过表4、图1可知：①LK-60YA型破冰船能够很好地满足RS和BV规范的最小功率要求，而DNV规范计算出的最小功率要求比实船功率高18 193.3 kW，ABS规范计算出的最小功率要求比实船功率高9 362 kW。②Taymyr同样能满足RS和BV规范要求，DNV规范计算出的最小功率要求比实船功率高4 807.3 kW，ABS规范计算出的最小功率要求比实船功率高6 219.2 kW。③雪龙2号的实船功率估算约为17 000 kW，即可以满足RS、BV规范要求，DNV规范计算结果比实船功率约高2 334.6 kW，ABS规范计算结果比实船功率约高3 364.5 kW。

依据分析结果，对于选取的破冰船，都可以较好满足RS和BV规范要求，而对于破冰能力较强的破冰船，ABS和DNV规范计算出的最小功率要求会比实船功率高，相对比较保守。

本文选取的3艘破冰船冰级都不尽相同。通过对比3艘计算出的最小功率要求，可以看出不同冰级之间最小功率要求差距很大。因此，依据破冰船的航行作业环境选取合适的冰级至关重要。

4 最小功率影响因素分析

通过分析几大船级社对于破冰船最小推进功率的计算公式可知，影响破冰船最小功率的主要因素有冰级、水线处型宽，ABS还将水线长以及排水量作为另外的影响因素，而DNV则考虑以吃水作为另外的影响因素。

4.1 RS和BV规范

RS和BV规范对于破冰船最小功率只有船级一个影响因素。不同的冰级对应不同的冰情与冰厚情况，同时也对应不同的破冰船最小功率。每个冰级的最小功率相差比较大，究其原因，可能是由于考虑了冰情与冰厚跨度比较大，包含了从1年冰到多年冰，致使船体型线因素影响远不如冰情、冰厚的影响。对于冰情比较严重、冰厚较厚的情况，还需要进行更多的研究工作，以提供更详细准确的规范要求。

4.2 DNV规范

DNV规范除了将冰级作为影响破冰船最小功率最重要的因素外，还将船宽和吃水作为影响最小功率的主要因素。通过对现有破冰船进行统计，并为了方便数据对比，选取计算冰级为POLAR-20 Icebreaker。本文依据DNV最小功率计算公式探讨水线处型宽和吃水对最小功率要求的影响，水线处型宽B取值范围为23～30 m，吃水T取值范围为8～11 m，见图2。

图2 依据DNV规范计算的吃水、水线处型宽与最小功率关系 (船级为POLAR-20 Icebreaker)

由图2可见，吃水与最小功率的关系是近似线性增加，在吃水变化范围内(8～11 m)，吃水每增加1 m最小功率增加约为2.7%，并且增加趋势逐渐增大。且可以发现随着吃水的增加，吃水对最小功率的影响更加剧烈。

对DNV最小功率计算公式进行分析，可知最小功率与水线处型宽是成线性增加关系。在水线处型宽变化范围内(23～30 m)，总的最小功率变化为26.1%，水线处型宽每增加1 m最小功率增加1 350.54 kW。且水线处型宽变化范围(23～30 m)也比吃水变化范围(8～11 m)更大，表明水线处型宽对破冰船最小功率影响比吃水更大。

4.3 ABS规范

ABS规范最小功率计算公式涉及到的因素更多，除了将冰级作为影响破冰船最小功率最重要的因素外，还将水线长、水线处型宽和排水量3个船体参数考虑其中，对于船型相似的船舶来说相当于考虑了水线长、水线处型宽和吃水。

破冰船对方形系数Cb有一定要求，破冰船的方形系数Cb一般在0.46～0.49范围内变化。选取方形系数Cb为0.47，将排水量的影响用长、水线处型宽、吃水进行分析。此外，破冰船的长宽比L/B比较小，通过对现有破冰船进行统计，取水线处型宽中值26.5 m，吃水中值为9.5 m，并选取9组长宽比，分别为4.6～5.0(间隔为0.05)，为了方便数据对比，选取冰级为Icebreaker，PC2，利用ABS规范最小功率计算公式探讨水线长、水线处型宽和吃水对最小功率的影响，见图3、4。

图3 依据ABS规范计算水线长、吃水与最小功率关系 (水线处型宽为26.5 m，船级为Ice Breaker，PC2)

图4 依据ABS规范计算不同水线长、 水线处型宽与最小功率关系

由图3可见，ABS规范最小功率计算公式中，随着吃水的增加，最小功率反而降低，与DNV最小功率计算公式的计算结果相反。但在吃水变化范围(8～11 m)内，最小功率只改变了约1.4%。 在吃水相同的情况下，变化破冰船水线长，即改变长宽比，在水线长变化范围内(122～132 m)，水线长每增加1 m最小功率增加约为3.0%。随着水线长不断增加，水线长变化对于最小功率的增加趋势不断降低。

由图4可见，在水线长相同的情况下，通过选取不同的长宽比，获得不同的水线处型宽值。在长宽比变化范围内(4.6～5.0)，长宽比每减小0.1，破冰船的最小功率增加1.5%～1.6%，且增加趋势随长宽比减小而增大。分析斜率变化发现，水线长在135～140 m间的破冰船，水线处型宽变化对于最小功率的影响最大；在此范围外，随着水线长变化，水线处型宽变化对最小功率的影响逐渐减小。

5 结论

1)对比4家船级社破冰船最小功率规范要求，对同一艘船而言，BV对最小功率的要求最低，其次为RS。ABS和DNV比较保守，特别在冰级较高时，与RS、BV规范差距较大。

2)通过对选择的3艘破冰船进行计算，可以发现所选破冰船都能够满足RS和BV的最小功率要求，对于破冰能力较大的船舶难以满足ABS和DNV最小功率要求。

3)破冰船不同冰级对最小功率要求差别较大，是影响破冰船最小功率的最主要因素，在选择破冰船冰级时需要根据具体的航行作业环境，选择合适的冰级。

4)通过分析DNV和ABS最小功率计算公式，研究水线长、水线处型宽以及吃水对于破冰船最小功率要求的影响。水线处型宽影响最大，水线长的影响较小，而吃水对最小功率影响在2种规范正好相反，需要进一步研究。

5)后续研究中应增加实船试验或模型试验，进一步完善本文的结果。还应对其他船体参数对于破冰船最小功率的影响进行分析。