核動(dòng)力破冰船國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)規(guī)范研究

吳 俊 吳 剛

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

0 引 言

俄羅斯是目前世界上唯一擁有核動(dòng)力破冰船的國(guó)家，自20 世紀(jì)50年代以來(lái)，至今已交付4 代共11 艘核動(dòng)力破冰船，包括列寧號(hào)、北極級(jí)、泰米爾級(jí)和新北極級(jí)，目前正在建造第5 代領(lǐng)袖級(jí)核動(dòng)力破冰船[1]。在核動(dòng)力船舶方面，俄羅斯憑借豐富的核動(dòng)力船舶設(shè)計(jì)、建造和使用經(jīng)驗(yàn)，建立了完善的安全法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。其中，俄羅斯船級(jí)社（RMRS）頒布了《核動(dòng)力船舶及浮式結(jié)構(gòu)分級(jí)及建造規(guī)范》[2]以及《核動(dòng)力船舶及浮式結(jié)構(gòu)建造檢驗(yàn)指南》，包括分級(jí)、殼體、艙室劃分、火災(zāi)防護(hù)、機(jī)械裝置、核蒸汽發(fā)生裝置、專(zhuān)用系統(tǒng)、電氣設(shè)備、自動(dòng)化、放射性安全與物理防護(hù)等內(nèi)容。該規(guī)范已指導(dǎo)多型核動(dòng)力破冰船的設(shè)計(jì)和交付，基于實(shí)船的檢驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也在更新迭代。

國(guó)際海事組織（IMO）也制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，其中SOLAS 第VIII 章“核能船舶”對(duì)核動(dòng)力船舶制定了適用范圍、免除、核反應(yīng)堆裝置認(rèn)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(dòng)力船舶的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、船舶設(shè)計(jì)建造和設(shè)備、核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)、機(jī)械和電氣裝置、輻射安全、操作和檢驗(yàn)等相關(guān)要求。此外，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（international atomic energy agency, IAEA）也發(fā)布了《關(guān)于核商船使用港口的安全建議》以及《核動(dòng)力船舶運(yùn)行管理-布魯塞爾公約》等其他要求。

在破冰船規(guī)范方面，國(guó)內(nèi)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(guó)家法規(guī)、船級(jí)社規(guī)范以及工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等[5]，其中環(huán)北極國(guó)家法規(guī)主要由俄羅斯、美國(guó)、加拿大、丹麥、挪威、冰島、瑞典、芬蘭等8 個(gè)國(guó)家建立。目前，應(yīng)用最廣泛的有IMO《國(guó)際極地水域操作船舶規(guī)則》（簡(jiǎn)稱(chēng)《極地規(guī)則》）[4]、芬蘭《芬蘭瑞典冰級(jí)規(guī)范》、加拿大《加拿大水域冰區(qū)航行指南》以及俄羅斯聯(lián)邦《北方海航路航行規(guī)則》等。此外，國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)（IACS）、中國(guó)船級(jí)社（CCS）、美國(guó)船級(jí)社（ABS）、法國(guó)船級(jí)社（BV）、挪威船級(jí)社（DNV）、俄羅斯船級(jí)社（RMRS）以及英國(guó)船級(jí)社（LR）等主流船級(jí)社均針對(duì)極地破冰船制定了相關(guān)規(guī)范，基本覆蓋環(huán)境溫度、防寒設(shè)計(jì)、冰區(qū)加強(qiáng)、推進(jìn)系統(tǒng)、低溫環(huán)境設(shè)備要求以及入級(jí)檢驗(yàn)等要求[6-10]。中國(guó)船級(jí)社在極地船舶的規(guī)范主要包括《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》中的冰級(jí)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(cè)編寫(xiě)指南》和《冰區(qū)操作船體檢測(cè)與輔助決策系統(tǒng)指南》等相關(guān)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(yuǎn)，給破冰船（尤其是核動(dòng)力破冰船）的設(shè)計(jì)帶來(lái)較多挑戰(zhàn)。由于極地地理位置偏遠(yuǎn)，缺少應(yīng)急救援和保障，一旦發(fā)生事故將無(wú)法得到及時(shí)救助，故需嚴(yán)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(jìn)和操縱系統(tǒng)（包括螺旋槳、軸系以及舵系等）往往首當(dāng)其沖，其中螺旋槳作為推進(jìn)系統(tǒng)最關(guān)鍵的一環(huán)，在碎冰的頻繁碰撞下，其強(qiáng)度校核和可靠性設(shè)計(jì)需特殊考慮。此外，由于碎冰塊在螺旋槳的抽吸下會(huì)快速擊打舵葉，因此在艉向航行狀態(tài)下還應(yīng)考慮舵系的防冰保護(hù)。對(duì)于低溫環(huán)境，目前各規(guī)范對(duì)低溫定義不太統(tǒng)一且對(duì)露天設(shè)備的環(huán)境溫度要求也缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。冰海水門(mén)對(duì)于長(zhǎng)期在極地航行的核動(dòng)力破冰船來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵，若發(fā)生浮冰堵塞會(huì)嚴(yán)重影響核動(dòng)力裝置的安全運(yùn)行，而液艙與脫險(xiǎn)通道也需考慮防寒設(shè)計(jì)。本文將從設(shè)計(jì)規(guī)范角度解讀核動(dòng)力破冰船的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，從而降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，為今后該船型研制提供技術(shù)支撐。

1 防寒設(shè)計(jì)

1.1 低溫環(huán)境定義

IMO《極地規(guī)則》以及主流船級(jí)社均采用最低日均低溫（the lowest mean daily low temperature, LMDLT）和極地服務(wù)溫度（polar service temperature, PST）的溫度定義體系[12]。其中最低日均低溫是統(tǒng)計(jì)值概念，根據(jù)預(yù)計(jì)活動(dòng)海域，統(tǒng)計(jì)至少10年以來(lái)歷年相應(yīng)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L(zhǎng)MDLT，如下頁(yè)圖1 所示。而極地服務(wù)溫度是在船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中用于衡量材料、設(shè)備和系統(tǒng)在低氣溫環(huán)境下服務(wù)性能的溫度指標(biāo)，一般取LMDLT 以下至少10 ℃。

圖1 最低日均低溫（LMDLT）示意圖

中國(guó)船級(jí)社在《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》第8 篇-第23 章“低溫環(huán)境下操作船舶的補(bǔ)充規(guī)定”中提出了設(shè)計(jì)服務(wù)溫度（design service temperture, DST）以及預(yù)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(guó)破冰船的實(shí)船應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)較少，關(guān)鍵系統(tǒng)（包括結(jié)構(gòu)、設(shè)備與管路）的加熱布置以及液艙防凍保護(hù)和艙室加熱等應(yīng)滿(mǎn)足更嚴(yán)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(tǒng)設(shè)備的MAT 指標(biāo)需根據(jù)破冰船的環(huán)境剖面和任務(wù)剖面綜合評(píng)估。

俄羅斯船級(jí)社關(guān)于環(huán)境溫度的定義自成體系，主要包括設(shè)計(jì)大氣溫度（design ambient temperature, DAT）和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)溫度TA。其中DAT 由船東根據(jù)航行區(qū)域和用途確定，針對(duì)入級(jí)符號(hào)Winterization（DAT），可從-30 ℃、-40 ℃和-50 ℃這3 檔中選擇合適的溫度，但不應(yīng)高于TA。TA是從擬定航線中選擇最不利的寒冷水域，統(tǒng)計(jì)5年內(nèi)的最低日均溫度，并規(guī)定了其與冰級(jí)之間的關(guān)系：Icebreaker 7 ～ 9 （Arc 5 ～ 9）不應(yīng)高于-40 ℃；Icebreaker 6（Arc 4）不應(yīng)高于-30 ℃；Icebreaker 1 ～ 3 不應(yīng)高于-20 ℃；考慮河流入?？跉鉁馗停瑧?yīng)取不高于-50 ℃。根據(jù)以上溫度定義要求，露天區(qū)域甲板機(jī)械和設(shè)備溫度應(yīng)取DAT，遮蔽區(qū)域以及靠近加熱的區(qū)域應(yīng)取DAT+20 ℃。

根據(jù)以上討論，對(duì)不同船級(jí)社的環(huán)境低溫定義要求進(jìn)行對(duì)比，如表1 所示。

表1 不同規(guī)范對(duì)于溫度定義的說(shuō)明

1.2 防寒系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于常年在極地水域工作的破冰船，如設(shè)計(jì)服務(wù)溫度低于-40 ℃，對(duì)于功率大于100 kW的柴油機(jī)需采用直接進(jìn)氣的方式。該方式區(qū)別于常規(guī)極地船舶機(jī)艙進(jìn)氣形式，不會(huì)導(dǎo)致機(jī)艙溫度下降過(guò)快，但對(duì)柴油機(jī)的增壓器和燃燒空氣系統(tǒng)的低溫適應(yīng)性提出較高要求。燃燒空氣的進(jìn)風(fēng)口應(yīng)設(shè)置在船舶兩側(cè)，可有效防止發(fā)動(dòng)機(jī)排氣循環(huán)進(jìn)入燃燒空氣的進(jìn)氣口，并能防止積冰和積雪阻塞風(fēng)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(dòng)或加熱等）防止液艙發(fā)生凍結(jié)。最常用的是采用蒸汽加熱盤(pán)管，一般安裝在水線以上臨近船殼板的位置，特別適用于設(shè)計(jì)服務(wù)溫度低于-40 ℃的氣候條件。氣泡擾動(dòng)是一種通過(guò)不停擾動(dòng)促使壓載水局部?jī)?nèi)循環(huán)以到達(dá)防凍的措施，其缺點(diǎn)是艙內(nèi)氣溫偏低，因此局部區(qū)域仍然會(huì)有冰凍現(xiàn)象發(fā)生，不適于極端嚴(yán)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(shí)應(yīng)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(nèi)，則可不設(shè)防凍措施。

破冰船的脫險(xiǎn)通道、集合站及救生艇登乘區(qū)應(yīng)設(shè)有防冰保護(hù)措施，保證脫險(xiǎn)通道無(wú)冰或至少 有700 mm 的無(wú)冰寬度。脫險(xiǎn)通道的尺寸不應(yīng)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(duì)于室外脫險(xiǎn)通道應(yīng)考慮防寒措施，包括對(duì)脫險(xiǎn)路線上的斜梯（踏步和扶手）、艙門(mén)（門(mén)縫接口位置）、露天逃生小艙蓋（蓋板與艙口圍板接口處）等應(yīng)設(shè)置電伴熱。

2 總布置設(shè)計(jì)

2.1 防火要求

參考SPS code 的防火要求：破冰船的載運(yùn)人數(shù)若超過(guò)240 人，參照SOLAS 第II-2 章關(guān)于36 人以上乘客客船的防火要求；載運(yùn)人數(shù)若超過(guò)60 人但未超過(guò)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(jí)社《核動(dòng)力船舶及浮式結(jié)構(gòu)分級(jí)及建造規(guī)范》規(guī)定：核動(dòng)力船舶必須參照36 人以上客船的防火要求，與載運(yùn)人數(shù)無(wú)關(guān)；反應(yīng)堆艙室應(yīng)通過(guò)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(zāi)或爆炸。

對(duì)于核動(dòng)力破冰船來(lái)說(shuō)，需按各類(lèi)規(guī)范的最嚴(yán)格要求來(lái)設(shè)計(jì)其防火性能，即：應(yīng)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(mǎn)足“A-60”級(jí)分割要求，汽輪機(jī)艙和輔機(jī)艙為12類(lèi)機(jī)器所處，集合站為4 類(lèi)，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(dòng)力船舶應(yīng)設(shè)置4 道防護(hù)屏蔽，包括：燃料包殼、一次壓力邊界、安全殼結(jié)構(gòu)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(yīng)滿(mǎn)足B/15 或2 m（取大值）的要求?？紤]到舷側(cè)碰撞防護(hù)，組成安全包封的縱艙壁距離舷側(cè)的距離應(yīng)滿(mǎn)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(yīng)從雙層底延伸至艙壁甲板；堆艙控制室應(yīng)位于最不易受損的位置，同時(shí)要盡可能接近反應(yīng)堆；堆艙應(yīng)急控制室應(yīng)與主控制室隔開(kāi)并盡量遠(yuǎn)離，并具有駕駛室的功能。

根據(jù)《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(zhǎng)150 m 以下的船舶需考慮設(shè)置艏樓或外飄，艏部區(qū)域也可以通過(guò)設(shè)置封閉或圍蔽處所以保護(hù)錨泊設(shè)備和操作人員。圍蔽處所一般位于頂部且3 面遮蔽，開(kāi)口則朝向船尾。考慮到全船防寒要求，出入口附近需設(shè)置更衣室以保證人員防寒，駕駛臺(tái)翼橋應(yīng)采用全封閉結(jié)構(gòu)。浴室和盥洗室應(yīng)盡可能不鄰近露天外部限界面，以防止結(jié)冰，否則應(yīng)設(shè)置絕緣物和加熱裝置，并設(shè)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(yīng)設(shè)置保護(hù)隔汽層，以減少濕氣冰凍對(duì)絕緣物的損壞。此外，為保護(hù)極地環(huán)境，A 和B 類(lèi)極地船舶的單個(gè)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(mǎn)足760 mm 的間距要求。

3 穩(wěn) 性

對(duì)于核動(dòng)力破冰船的穩(wěn)性計(jì)算，需考慮騎冰穩(wěn)性和結(jié)冰對(duì)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(duì)破損穩(wěn)性的 要求。

3.1 完整穩(wěn)性

根據(jù)《極地規(guī)則》，完整穩(wěn)性計(jì)算需考慮結(jié)冰的影響，其中露天甲板和舷梯按30 kg/m2計(jì)算結(jié)冰質(zhì)量；水線面以上船舶兩舷的側(cè)投影面積按 7.5 kg/m2計(jì)算結(jié)冰質(zhì)量；不連續(xù)表面和其他小物件的側(cè)投影面積應(yīng)通過(guò)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(jìn)行計(jì)算。分別統(tǒng)計(jì)不同甲板和側(cè)投影的結(jié)冰質(zhì)量，得到總的質(zhì)量和重心位置，并在完整穩(wěn)性計(jì)算中予以考慮。

3.2 騎冰穩(wěn)性

騎冰穩(wěn)性的相關(guān)要求曾在A.1024（26）《極地水域船舶導(dǎo)則》中有所提及，主要是防止破冰船在快速?zèng)_撞破冰時(shí)騎上冰面從而導(dǎo)致擱淺失穩(wěn)。對(duì)于核動(dòng)力破冰船來(lái)說(shuō)，發(fā)生騎冰后還會(huì)導(dǎo)致冷卻水系統(tǒng)失水，因此一般通過(guò)限制船首的沖撞速度或在艏部設(shè)置止冰前趾來(lái)防止此類(lèi)現(xiàn)象發(fā)生。沖撞速度可以采用能量法來(lái)計(jì)算，假定破冰船以一定速度接近障礙冰，其初始動(dòng)能和在騎冰過(guò)程中螺旋槳推力的額外做功，將會(huì)轉(zhuǎn)化成船體抬升勢(shì)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(yīng)參照《特種用途船舶規(guī)則》（SPS code）的相關(guān)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(shù)R根據(jù)不同船員數(shù)量進(jìn)行計(jì)算：核準(zhǔn)載運(yùn)240人以上，R值不變；不超過(guò)60 人，取0.8R；其他數(shù)量則采用線性?xún)?nèi)插計(jì)算相應(yīng)的R值。達(dá)到的分艙指數(shù)A要根據(jù)滿(mǎn)載、輕載和部分裝載3 種不同吃水分別計(jì)算，最后核算A是否小于R且部分分艙指數(shù)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(yīng)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(yán)格，要求為冰區(qū)高位水線長(zhǎng)度的4.5%，可出現(xiàn)在任何縱向位置。較難滿(mǎn)足的要求是最終平衡狀態(tài)橫傾角不能超過(guò)7°，同時(shí)中間狀態(tài)橫傾角不能超過(guò)15°，可通過(guò)設(shè)置橫貫進(jìn)水裝置以滿(mǎn)足該要求。

圖2 冰破穩(wěn)性破損范圍示意圖

為了保證核動(dòng)力船舶的安全，《核能商船安全規(guī)范》和俄羅斯船級(jí)社《核動(dòng)力船舶及浮式結(jié)構(gòu)分級(jí)及建造規(guī)范》均對(duì)破艙設(shè)定了相應(yīng)規(guī)定，包括舷側(cè)破損和底部破損。其中舷側(cè)破損的橫向范圍為B/5 或11.5 m，且從基線向上無(wú)限制；底部破損的垂向范圍為B/15 或2 m，要求均比SOLAS 更嚴(yán)格。采用確定性方法計(jì)算破艙，最終浸水狀態(tài)不對(duì)稱(chēng)橫傾角應(yīng)不超過(guò)15°，若未出現(xiàn)甲板邊緣浸水，則可增加到17°。

4 機(jī)械裝置

4.1 冰海水門(mén)

對(duì)于長(zhǎng)期在極地航行的核動(dòng)力破冰船，海水門(mén)若發(fā)生浮冰堵塞，會(huì)嚴(yán)重影響核動(dòng)力裝置的安全運(yùn)行，通常從布置、構(gòu)造和加熱等方面防止海水門(mén)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(yè)圖3 所示。首先，海水門(mén)盡量布置在船的低位且遠(yuǎn)離冰帶水線，中高冰級(jí)破冰船至少應(yīng)配備2 個(gè)冰水箱；此外，冰水箱的設(shè)計(jì)應(yīng)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(kāi)。海水門(mén)和冷卻水吸入口應(yīng)考慮除冰措施，可以采用蒸汽除冰或熱水除冰。海水門(mén)的容積應(yīng)根據(jù)船上需要海水冷卻的動(dòng)力裝置的總功率來(lái)確定，每750 kW 的總安裝功率應(yīng)至少配1 m3冰水箱容積。對(duì)于高冰級(jí)破冰船，還應(yīng)考慮設(shè)置應(yīng)急海水艙或?qū)狠d水艙作為冷卻海水的應(yīng)急來(lái)源，但需避免海水溫度過(guò)高導(dǎo)致艙內(nèi)結(jié)構(gòu)腐蝕。

圖3 俄羅斯北極水域航行要求推薦的冰海水門(mén)形式

4.2 舵系設(shè)計(jì)

破冰船的舵系主要關(guān)注舵葉、舵機(jī)以及冰刀的設(shè)計(jì)要求。首先，需要計(jì)算舵葉的冰載荷，DNV和RMRS 分別對(duì)其有相應(yīng)的計(jì)算方法，其中依據(jù)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(guò)舵葉力、彎矩以及扭矩這3 種力的相互組合，選擇最危險(xiǎn)工況對(duì)舵結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接計(jì)算。

其次，舵機(jī)有效扭矩應(yīng)按照敞水設(shè)計(jì)航速（最大 18 kn）乘以一定的冰級(jí)放大系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。此外，轉(zhuǎn)舵速度也根據(jù)不同冰級(jí)要求設(shè)計(jì)舵機(jī)泵站功率，相應(yīng)的系數(shù)如表2 所示。舵的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到較低的前進(jìn)速度和預(yù)期的操作能力，提高冰區(qū)航行的操縱性。對(duì)于高冰級(jí)破冰船，可設(shè)置更多的舵銷(xiāo)將舵葉上的冰載荷更均勻地傳遞到船體結(jié)構(gòu)上。俄羅斯船級(jí)社規(guī)范建議Icebreaker 6 ～ 7 的破冰船采用3 個(gè)舵銷(xiāo)，Icebreaker 8 ～ 9 的破冰船則采用4 個(gè)舵銷(xiāo)。

表2 不同冰級(jí)扭矩放大系數(shù)以及轉(zhuǎn)舵角度的要求值

最后，為防止艉向破冰時(shí)冰塊擠入舵頂部和船體結(jié)構(gòu)之間，需在舵后設(shè)置冰刀，以偏轉(zhuǎn)和劈開(kāi)浮冰塊，從而保護(hù)舵和螺旋槳在艉向破冰時(shí)受到冰塊的過(guò)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(yīng)不小于1.5CFD，其中CFD為冰作用區(qū)域大小，與PC等級(jí)相關(guān)；舵葉最上端至冰刀底部的距離不應(yīng)大于25%舵高。

圖4 冰刀布置示意圖

4.3 軸槳強(qiáng)度校核

目前冰級(jí)螺旋槳的強(qiáng)度校核的規(guī)范來(lái)源于IACS URI3，其規(guī)定了敞開(kāi)式螺旋槳在受到冰塊撞擊時(shí)葉片的最大向后力Fb以及最大向前力Ff，并分別計(jì)算在5 種不同載荷工況下槳葉的強(qiáng)度。除了RMRS 在冰區(qū)軸槳強(qiáng)度計(jì)算方面自成體系外，其他主流船級(jí)社（CCS、LR、ABS、DNV）的最新規(guī)范在校核螺旋槳和軸系強(qiáng)度時(shí)均參考IACS 規(guī)范。DNV 規(guī)范則在IACS 基礎(chǔ)上針對(duì)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(qiáng)度遠(yuǎn)高于其他極地船舶，考慮取1.1倍的系數(shù)。

軸系直徑的選取是依據(jù)金字塔原則，即螺旋槳比軸系設(shè)計(jì)弱一些，保證螺旋槳葉片的破壞不會(huì)導(dǎo)致其他部件的損壞。最關(guān)鍵的參數(shù)是螺旋槳葉片失效載荷Fex，該載荷是由于塑性彎曲導(dǎo)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(chǎn)生塑性鉸。Fex可用于確定葉根螺栓、螺距控制機(jī)構(gòu)、槳軸、槳軸軸承和推力軸承的尺寸。

5 結(jié) 語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)外核動(dòng)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(guó)家法規(guī)以及船級(jí)社規(guī)范等。除了俄羅斯船級(jí)社之外，其他主流船級(jí)社均采用IACS 關(guān)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(dòng)力船舶對(duì)于破艙穩(wěn)性的特殊要求。在總布置方面，不僅需關(guān)注防護(hù)屏蔽的設(shè)置以及距離外板的相關(guān)要求，還需關(guān)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(dòng)力船舶的規(guī)范要求，需采用36 人以上客船的防火要求。對(duì)于全船的防寒設(shè)計(jì)，需特別關(guān)注主機(jī)進(jìn)氣、液艙防凍以及脫險(xiǎn)通道設(shè)計(jì)的規(guī)范要求。本文還解讀了冰區(qū)舵葉、舵機(jī)以及冰刀的設(shè)計(jì)要求，并介紹了冰區(qū)螺旋槳和軸系的強(qiáng)度校核方法等。通過(guò)對(duì)以上各方面規(guī)范的梳理和解讀，有助于把控核動(dòng)力破冰船的設(shè)計(jì)方向，為今后該船型研制提供一定的參考價(jià)值。