CN109110065A - 基于撬冰作业的极地多用途工作船 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于撬冰作业的极地多用途工作船，包括可使船舶运行在海面上的船身主体，所述船身主体的船艏部位艏柱向船身后侧倾斜，船艏位于设计水线以下部分与X型艏相同，船艏位于设计水线以上部分艏柱中纵剖线与水线面所夹锐角取30°，且船艏位于设计水线以上部分采用内凹的艏柱纵剖线形状，船体尾部为方形尾，方形尾后侧设有溢油回收门，回收门内设有溢油回收装置，船舶船艉底部设置有推进器。本发明船舶拥有前进破冰，后退回收溢油的高效作业模式，并且在无冰区域航行时具备良好的敞水阻力性能与较低的燃油消耗率，能够更加经济地为冰区的海洋平台运送其必需物资并具备较强海上溢油回收处理能力。

Description

基于撬冰作业的极地多用途工作船

技术领域

本发明属于海洋工程船领域，具体涉及一种基于撬冰作业的极地多用途工作船。

背景技术

进入21世纪以来，全球经济迅速发展，人类对能源需求量越来越大，海洋油气资源的勘探开发步伐逐渐加快。同时，随着全球气候变暖，北极冰层逐年融化，冰情减弱，大规模开发北极资源成为现实可能，各国对北极地区油气和矿产资源的关注不断升温。

极地地区有着丰富的油气资源，据估计，北极地区潜在的可开采石油储量为1,000-2,000亿桶，天然气为50-80万亿立方米，西伯利亚北部的可开采天然气资源至少有13万亿立方米，很可能超过17万亿立方米。但北极地区生态环境脆弱，一旦发生油气泄露事故将会给极地地区的生物多样性带来重大损失，如何应对原油泄漏，成为全世界共同面对的生态问题。

为了合理开发极地资源，中国外交部于2018年1月26日发布《中国的北极政策》)(以下简称为《政策》)。《政策》指出，中国是世界贸易大国和能源消费大国，北极的航道和资源开发利用可能对中国的能源战略和经济发展产生巨大影响，中国鼓励发展注重生态环境保护的极地技术装备，积极参与北极开发的基础设施建设，促进在北极海域石油与天然气钻采、可再生能源开发、冰区航行和监测以及新型冰级船舶建造等方面的技术创新。

在极地通航条件的改善和各国加强极地开发的背景下，能够为极地石油工业提供服务的自破破冰型多用途工作船成为世界各国研发的重点船型，但其目前仍存在较多弊端，拥有较大的发展空间。

考虑到极地石油平台本身易发生溢油泄露特点以及极地地区脆弱的生态环境，破冰型工作船必须具备较强溢油应急回收处理能力。为了方便船舶前进时回收溢油，传统的溢油回收门大部分布置在船艏，但充分前倾的船艏型线致使主甲板在溢油回收门打开后形成悬臂梁结构，船艏的强度问题便凸显出来。此外，破冰型工作船进行冰区加强后，船艏更难以设置溢油回收门，只能通过辅助机械进行溢油回收，船舶的溢油回收能力难以达到要求。

破冰型多用途工作船需要为极地石油钻井平台提供补给，所以其经常航行于无冰海域。但其为了提高破冰能力，通常采用传统的充分前倾的重力式破冰艏，艏部不再设置球鼻艏，这使得破冰型船舶航行于无冰海域时阻力性能差，燃油消耗高，经济性难以达到要求。与此同时，多用途海洋工程船为了提高运输能力，其本身方形系数与傅汝德数较大，选用充分前倾的破冰艏后，阻力性能会进一步恶化。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种阻力特性优良的的新式破冰型多用途工作船，该船是一艘充分适应行业背景与国家政策的高性能、高效率破冰型工作船。其拥有前进破冰，后退回收溢油的高效作业模式，并且在无冰区域航行时具备良好的敞水阻力性能与较低的燃油消耗率，能够更加经济地为冰区的海洋平台运送其必需物资并具备较强海上溢油回收处理能力。

本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：

一种基于撬冰作业的极地多用途工作船，包括可使船舶运行在海面上的船身主体，其特征在于：所述船身主体的船艏部位以X型艏与撬冰艏为母型，艏柱向船身后侧倾斜，船艏位于设计水线以下部分与X型艏相同，以获得良好的敞水阻力性能与耐波性，船艏位于设计水线以上部分艏柱中纵剖线与水线面所夹锐角取30°，该角度能够兼顾船艏的敞水阻力特性、破冰性能以及经济性，船艏位于设计水线以上部分采用内凹的艏柱纵剖线形状以增加船艏深入冰排以下的能力，提升破冰性能，船体尾部为方形尾，方形尾后侧设有溢油回收门，回收门内设有溢油回收装置，船舶船艉底部设置有用于推进船体和调节船体航行角度的推进器。

所述溢油回收装置包括壳体，壳体朝向溢油回收门的一侧中部设置有油水混合液进口，壳体背离溢油回收门的一侧底部设置有出水口；壳体的底板上设置有可上下调节高度的曲面引流装置，曲面引流装置的上方倾斜设置有与其间隔配合的传送带装置，曲面引流装置与传送带装置之间形成用于引导油水混合液倾斜向下流动的通道，通道的进液口与油水混合液进口正对布置，通道的出液口处设置有集油器。

所述曲面引流装置包括横截面呈三角形的承载本体，承载本体与传送带装置相对布置的斜面上设置有曲面层，承载本体的底部设置有可上下调节高度的液压伸缩杆。

所述集油器的进口与通道的出液口相连通，集油器的顶部开设有出油口，出油口底部设有用于吸取悬浮油液的油泵，集油器的上方设置有储油舱，集油器顶部出油口与储油舱的进油口连接，集油器的底部出口侧设置有用于向外排水的水泵，水泵的出口与壳体的出水口相连通，壳体的出水口与船体排水口连通，将溢油回收装置收集的水排出船外。

所述船体推进器选用全回转吊舱式电力推进器，对称布置在船艉的左右两舷。

所述船舶平行中体设置为20％船长，以增加船舶载重量，整船采用B1级冰区加强，板厚4.5m，船艏的内部设有与之焊接相连的中间肋骨与抗冰结构。

所述船舶上设置有用于起重打捞的起重机。

本发明具有如下优点：

其一，本发明船舶后倾的船艏型线入水缓和，能够有效减少波浪抨击、甲板上浪、失速现象以及高速航行时的兴波阻力，其特殊的型线能够使来流与船艏相遇后，沿着船艏表面流动，减少船艏所受到的波浪抨击。船艏壳体一直向上延伸至驾驶甲板，将艏楼甲板至驾驶甲板之间的空间非水密围闭起来，即使船舶在产生埋艏现象后，也极少出现甲板上浪现象，船艏型线的设计使得该船具有良好的阻力性能与耐波性；

其二，本发明船舶船艏型线的设计在提高提高船舶的阻力性能与耐波性的同时，还能够提高破冰性能，实现该船破冰性能与阻力性能的兼顾。向后斜的艏柱纵剖线在水线以上部分呈内凹形状，在进行破冰作业时，船艏能够深入冰排以下，利用艏部的浮力和船舶推进力进行破冰作业，该种方式无需克服水对冰的浮力，且海冰破碎后对船舶航行的阻力较小，在破碎较薄冰层时拥有比传统破冰船更高的效率，达到了兼顾破冰性能与敞水阻力特性的目的；

其三，本发明船舶将溢油回收门设置在船尾，保证溢油回收效率的同时增加了结构强度。为了便于传统船舶进行溢油回收作业，溢油回收门大都安装在船艏。当溢油回收门打开后，主甲板下方没有任何支撑构件，会出现类似于“悬臂梁”式结构，对结构强度产生不利影响。本发明将溢油回收装置安装在船艉处处，船舶通过吊舱推进器倒退回收溢油，保证溢油回收效率同时能够避免出现出现传统溢油回收门处出现的悬臂梁式结构，缓解结构强度问题；

其四，本发明船舶对船尾门内部的溢油回收装置进行改进，在动态斜面溢油回收装置的基础上增加高度可调引流曲面，该曲面的线型经过优化过流能力大大得到增强。整个曲面工作时没入水中，其剖面曲线经过设计后与水流的下缘重合，使曲面顶部附近的动水压强接近于零以提高过流的稳定性；

其五，本发明船舶前进破冰、后退溢油回收的全新作业模式以及与其相对应的结构形式，同时保证其在高速航行时具有优良的阻力性能，高效实现了船舶低能耗，高性能，多功能。在极地航行条件改善和各国加强极地探索、开发的背景下，该船具有广阔的发展前景。

附图说明

图1为基于优良阻力特性的破冰型多功能船舶的立体结构示意图；

图2为基于优良阻力特性的破冰型多功能船舶的船艉结构示意图；

图3为基于优良阻力特性的破冰型多功能船舶的船艏横剖面图；

图4为为溢油回收装置的剖视结构示意图；

其中：1-船艏、1.1-船艏设计水线以上部分、1.2-船艏设计水线以下部分、2-设计水线、3-吊舱推进器、4-方形尾、5-起重器、6-溢油回收门、7-溢油回收装置、7.1-壳体、7.2-油水混合液进口、7.3-出水口、7.4-曲面引流装置、7.41-承载本体、7.42-曲面层、7.43-液压伸缩杆、7.5-传送带装置、7.6-通道、7.7-集油器、7.8-油泵、7.9-水泵、7.10-储油舱。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，如图1所示的一种基于撬冰作业的极地多用途工作船，船艏1型线设计借鉴新型破冰船舶撬冰式破冰船艏与阻力性能优良、耐波性良好的X船艏，其中船艏设计水线以下部分1.2最大可能保持与X船艏一致，以获得其良好的阻力性能与耐波性；船艏设计水线以上部分1.1采用内凹的艏柱纵剖线，以增加其深入冰排水下的能力，船艏1横剖面图如图3所示。船舶设计水线2为船舶正常航行时的水位高度。船舶船艉的底部设置有用于推进船体和调节船体航行角度的吊舱推进器3。船舶尾部采用方形尾4，如图2所示，方形尾后侧设置有溢油回收门6与溢油回收装置7，溢油回收门与方尾的结合，能够避免出现传统艏门的“悬臂梁”式结构，在保证快速性的前提下，提升结构的强度；前进破冰、后退溢油回收的全新作业模式以及与其相对应的结构形式，保证其在高速航行时具有优良的阻力性能。船舶上还设置有用于起重打捞的起重机5。

如图4所示，溢油回收装置7包括壳体7.1，壳体7.1朝向溢油回收门6的一侧中部设置有油水混合液进口7.2，壳体7.1背离溢油回收门6的一侧底部设置有出水口7.3；壳体7.1的底板上设置有可上下调节高度的曲面引流装置7.4，曲面引流装置7.4的上方倾斜设置有与其夹持配合的传送带装置7.5，曲面引流装置7.4与传送带装置7.5之间形成用于引导油水混合液倾斜向下流动的通道7.6，通道7.6的进液口与油水混合液进口7.2正对布置。

曲面引流装置7.4包括横截面呈三角形的承载本体7.41，承载本体7.41与传送带装置7.5相对布置的斜面上设置有曲面层7.42，承载本体7.41的底部设置有可上下调节高度的液压伸缩杆7.43。

通道7.6的出液口处设置有集油器7.7，集油器7.7的进口与通道7.6的出液口相连通，集油器7.7的顶部开设有出油口，出油口底部设有有用于吸取悬浮油液的油泵7.8；集油器7.7的底部出口侧设置有用于向外排水的水泵7.9，水泵7.9的出口与壳体7.1的出水口7.3相连通。集油器7.7的上方还设置有储油舱7.10，集油器7.7的顶部出油口与储油舱7.10的进油口连接。

本发明船舶的工作过程：当船舶需要穿越冰区为极地海洋平台提供补给或者处理海上突发事故时，船舶需进行破冰作业。此时，船艏深入冰层以下进行撬冰式破冰。

当该船遇到薄冰时，采用连续式破冰方法。其主要过程为微调船体压载水舱并将船艏伸入冰层以下，之后再次微调压载水舱，使船舶重心后移，船舶前行，依靠船舶前进的推力和特殊的船艏结构向上产生的浮力实现翘冰式破冰。推力由船艉的吊舱推进器提供，此时的船体呈小角度艏倾。

当遇到较厚的冰层时，连续式破冰方法无法将冰层破碎，此时应当采用反复破冰模式。其主要过程为当船艏伸入冰层以下后，通过调整船上的压载水舱，在船舶安全能够得到保障的范围内尽可能得船舶重心后移，产生使船舶上翘的力矩，水下锥形结构对冰层造成竖直方向上的冲击，同时配合船舶冲撞所产生的动力，利用双重作用力反复破坏冰层以达到上翘破冰的目的。

船舶溢油回收作业时，艉部溢油回收门6打开，通过调整船艉的吊舱推进器3的推进方向使船舶倒退航行，进入溢油回收作业状态。

溢油回收门6打开后，来流通过溢油回收门6进入内部的溢油回收装置7，该装置入口为引流曲面和动态斜面形成的向下的通道7.6。曲面引流装置7.4可以通过其底部的液压伸缩杆7.43，根据油膜厚度与船舶吃水调节高度，调整其曲面层7.42与水层、油层交界面重合，使尽可能少的水进入溢油回收装置7。动态斜面为倾斜向下运动的传送带装置7.5，其与引流的曲面层7.42形成的通道7.6与后面的集油器7.7相连接，集油器7.7设计成箱体，其上部是油泵吸口，后方下部是水泵吸口。

在进行溢油回收时，集油器7.7内充满水，当启动水泵7.9时，集油器7.7内的水通过水泵7.9吸收后通过船体上的排水口排出船外，集油箱7.7内产生负压。在集油箱7.7内外压差作用下，水面漂浮油层和海水就会越过曲面层7.42而进入溢油回收装置的通道7.6内；为将进入通道7.6的油层快速导流到集油器7.7内实现回收，启动流道上方的传送带装置7.5，则进入通道7.6的溢油油层在流道底层水流和顶层运动的动态斜面的双重拖带作用下，稳定迅速地流入集油器，并在集油器7.7内发生油水分离，油层上浮聚集在集油器顶部，在积累到一定厚度后应用油泵7.8将其输送到指定的储油舱7.10，实现了海上溢油的快速高效回收。

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (7)

1.一种基于撬冰作业的极地多用途工作船，包括可使船舶运行在海面上的船身主体，其特征在于：所述船身主体的船艏部位艏柱向船身后侧倾斜，船艏位于设计水线以下部分与X型艏相同，船艏位于设计水线以上部分艏柱中纵剖线与水线面所夹锐角取30°，且船艏位于设计水线以上部分采用内凹的艏柱纵剖线形状，船体尾部为方形尾，方形尾后侧设有溢油回收门，回收门内设有溢油回收装置，船舶船艉底部设置有用于推进船体和调节船体航行角度的推进器。

2.如权利要求1所述的一种基于撬冰作业的极地多用途工作船，其特征在于：所述溢油回收装置包括壳体，壳体朝向溢油回收门的一侧中部设置有油水混合液进口，壳体背离溢油回收门的一侧底部设置有出水口；壳体的底板上设置有可上下调节高度的曲面引流装置，曲面引流装置的上方倾斜设置有与其间隔配合的传送带装置，曲面引流装置与传送带装置之间形成用于引导油水混合液倾斜向下流动的通道，通道的进液口与油水混合液进口正对布置，通道的出液口处设置有集油器。

3.如权利要求2所述的一种基于撬冰作业的极地多用途工作船，其特征在于：所述曲面引流装置包括横截面呈三角形的承载本体，承载本体与传送带装置相对布置的斜面上设置有曲面层，承载本体的底部设置有可上下调节高度的液压伸缩杆。

4.如权利要求2所述的一种基于撬冰作业的极地多用途工作船，其特征在于：所述集油器的进口与通道的出液口相连通，集油器的顶部开设有出油口，出油口底部设有用于吸取悬浮油液的油泵，集油器的上方设置有储油舱，集油器顶部出油口与储油舱的进油口连接，集油器的底部出口侧设置有用于向外排水的水泵，水泵的出口与壳体的出水口相连通，壳体的出水口与船体排水口连通，将溢油回收装置收集的水排出船外。

5.如权利要求1所述的一种基于撬冰作业的极地多用途工作船，其特征在于：所述船体推进器选用全回转吊舱式电力推进器，对称布置在船艉的左右两舷。

6.如权利要求1所述的一种基于撬冰作业的极地多用途工作船，其特征在于：所述船舶平行中体长度设置为20％船长，以增加船舶载重量，整船采用B1级冰区加强，板厚4.5m。

7.如权利要求1所述的一种基于撬冰作业的极地多用途工作船，其特征在于：所述船舶上设置有用于起重打捞的起重机。