DESIGN C R I T E R I A FOR V E S S E L S OPERATING I N THE ARCTIC
BY
W,Ho J O L L E S
MARCH 16, 1989
GUEST LECTURE PRESENTED AT THE TECHNICAL UNIVERSITY OF DELFT
1 ABSTRACT The o p e r a t i n g e x p e r i e n c e g a t h e r e d i n 13 y e a r s o f d r i l l i n g w i t h f o u r d r i l l s h i p s a n d a b o t t o m f o u n d e d d r i l l i n g u n i t i n t h e B e a u f o r t Sea i s d e s c r i b e d . The d e s i g n c r i t e r i a f o r v e s s e l s o p e r a t i n g i n t h e a r c t i c a r e d i s c u s s e d f o r t h e i c e b r e a k e r s a n d s u p p o r t v e s s e l s as w e l l a s f o r b o t t o i n f o u n d e d d r i l l i n g r i g s . The m o s t i m p o r t a n t a s p e c t i n t h e d e s i g n o f a r c t i c v e s s e l s i s t h e m i s s i o n p r o f i l e . I m p o r t a n t p a r a m e t e r s i n t h e d e s i g n a r e t h e i c e l o a d s a n d t h e l o a d - p r e s s u r e r e l a t i o n s h i p s . The p e r f o r m a n c e o f t h e v e s s e l s , e i t h e r f o r b r e a k i n g t h e i c e o r i n r e s i s t i n g t h e i c e l o a d s i s e q u a l l y i m p o r t a n t . S e v e r a l e x a m p l e s a r e g i v e n o f t y p i c a l i c e l o a d s a n d f o r c e s a s w e l l a s r e q u i r e m e n t s f o r t h e l a y o u t o f t h e v e s s e l s a n d t h e i r e q u i p m e n t . 2 INTRODUCTION The_ o p e r a t i o n o f v e s s e l s i n t h e a r c t i c r e q u i r e s s p e c i a l i z e d e q u i p m e n t , i n o r d e r t o m a x i m i z e t h e a v a i l a b l e d a y s t h a t t h e v e s s e l s c a n o p e r a t e . A l s o s p e c i a l p r o v i s i o n s n e e d t o be made on t h e v e s s e l s , s u c h t h a t t h e i n f l u e n c e o f t h e e n v i r o n m e n t on t h e o p e r a t i n g e f f i c i e n c y i s m i n i m i z e d . F i n a l l y , s u p p o r t n e e d s t o be p r o v i d e d i n o r d e r t h a t t h e v e s s e l s c a n r e m a i n o p e r a b l e f o r t h e l o n g e s t p o s s i b l e p e r i o d . T h i s s u p p o r t c a n t a k e t h e f o r m o f s u p p o r t v e s s e l s d e f e n d i n g t h e d r i l l i n g u n i t s a g a i n s t i c e , i c e r e c o n n a i s s a n c e , d r y d o c k f a c i l i t i e s a n d many o t h e r s . T h i s p a p e r w i l l d i s c u s s some o f t h e o p e r a t i n g e x p e r i e n c e o f t h e f l e e t o f v e s s e l s o p e r a t e d b y C a n a d i a n M a r i n e D r i l l i n g L t d .
(Canmar) i n t h e B e a u f o r t Sea. Some o f t h e m o s t i m p o r t a n t d e s i g n r e q u i r e m e n t s a n d c r i t e r i a f o r s u c c e s s f u l o p e r a t i o n s i n t h e A r c t i c w i l l b e p r e s e n t e d . A t f i r s t a n o v e r v i e w w i l l b e g i v e n o f t h e d i f f e r e n t t y p e s o f v e s s e l s t h a t h a v e o p e r a t e d i n t h e B e a u f o r t Sea a n d e x a m p l e s w i l l be g i v e n o f t h e t y p i c a l e q u i p m e n t . A l s o some k e y r e s u l t s a n d f i n d i n g s w i l l b e p r e s e n t e d . The m a i n p a r t o f t h e p a p e r w i l l c o n c e n t r a t e o n t h e a c t u a l d e s i g n r e q u i r e m e n t s a n d o p e r a t i n g c r i t e r i a t h a t a r e i m p o s e d o n t h e v e s s e l s o p e r a t i n g i n a r c t i c c o n d i t i o n s . The d i s c u s s i o n o f t h e s e c r i t e r i a i s d i v i d e d i n t o t w o p a r t s , p a r t one a d d r e s s e s t h e f l o a t i n g v e s s e l s , s u c h a s t h e d r i l l s h i p s , i c e b r e a k e r s a n d s u p p l i e r s . The s e c o n d p a r t w i l l a d d r e s s a b o t t o m f o u n d e d d r i l l i n g u n i t . The k e y p a r a m e t e r s i n a r c t i c v e s s e l d e s i g n a r e : - I c e l o a d s a n d H u l l s t r e n g t h - H u l l f o r m - S t a b i l i t y a n d s u b d i v i s i o n - P r o p u l s i o n a n d m a n e u v e r i n g - M a t e r i a l s
- A c c o m m o d a t i o n
- I c e management s y s t e m s - C o r r o s i o n p r o t e c t i o n
The p a p e r w i l l c o n c l u d e b y l i s t i n g a number o f e n g i n e e r i n g i t e m s w h i c h a r e recommended f o r f u r t h e r a n a l y s i s . T h e s e i t e m s may hav4 a p o s i t i v e i n f l u e n c e o n t h e s u c c e s s f u l o p e r a t i o n o f a r c t i c v e s s e l s a n d may r e d u c e t h e c o s t a s s o c i a t e d w i t h t h e s e o p e r a t i o n s . I t I S t h e t a s k o f t h e r e s e a r c h i n s t i t u t e s a n d i n d u s t r y t o r e s o l v e t h e s e I t e m s a n d t o p a v e t h e r o a d f o r a s u c c e s s f u l a n d c o s t e f f e c t i v e e x p l o r a t i o n a n d p r o d u c t i o n o f o i l a n d g a s r e s e r v e s i n a r c t i c a r e a s . ^ ' The v i e w s p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r a r e s o l e l y t h e v i e w s o f t h e a u t h o r a n d d o n o t n e c e s s a r i l y c o n s t i t u t e t h e v i e w s o f t h e Canmar. 3 HISTORICAL OVERVIEW More t h a n 15 y e a r s a g o t h e f i r s t e x p l o r a t o r y d r i l l i n g r i g s w e r p m o b i l i z e d t o t h e A r c t i c . The d r i l l i n g was f i r s t c o n d u c t e d f r o m
Tt^.^^'i
^ ^ ^ ^ ^ 1 i s l a n d s , w h i c h w e r e l o c a t e d i n t h e s h a l l o w a r e a s o f t h e McKenzy D e l t a , t y p i c a l l y i n 3 m w a t e r d e p t h . T h e s e i s l a n d s w e r e b a s i c a l l y c o n s t r u c t e d b y d u m p i n g t h e m a t e r i a l t h r o u g h t h e i c e i n t h e w i n t e r u n t i l s u f f i c i e n t h e i g h t a b o v e t h e i c e was r e a c h e d . C o n s t r u c t i o n g r a d u a l l y moved i n t o d e e p e r w a t e r a n d f l o a t i n g e q u i p m e n t was r e q u i r e d t o c o n s t r u c t t h e s e g r a v e l i s l a n d s . A l a n d r i g was m o b i l i z e d o n t o p o f t h e i s l a n d . V e r y g r a d u a l s i d e s l o p e s w e r e a c h i e v e d , w h i c h r e s t r i c t e d t h e w a t e r d e p t h , d u e t o t h e l a r g e s a n d v o l u m e s t h a t w o u l d b e r e q u i r e d A t p r e s e n t t h e s e i s l a n d s h a v e b e e n b u i l t i n 20 m w a t e r d e p t h . The n e x t s t e p i n t h e e v o l u t i o n was t o b u i l d a s u b s e a b e r m o n t o p S n H s l ^""^ \ v e r t i c a l w a l l e d w a t e r i i n e p e n e t r a t i o n s y s t e m was m o b i l i z e d . An e x a m p l e o f s u c h a s y s t e m i s t h e T a r s i u t c a i s s o n r e t a i n e d i s l a n d , w h i c h c o n s i s t s o f 4 c o n c r e t e c a i s s o n s f i l l e d w i t h s a n d . The c o r e o f t h e s e c a i s s o n s was a l s o f i l l e d w i t h s a n d . A l a n d t y p e d r i l l i n g r i g was t h e n m o b i l i z e d o n t o p o f t h e s a n dcoir© •
As t h e p u s h t o d e e p e r w a t e r c o n t i n u e d , f l o a t i n g d r i l l i n g u n i t s w e r e s e l e c t e d . Canmar was t h e f i r s t t o m o b i l i z e a f l e e t o f f o u r v e s s e l s , w h i c h w e r e a l l m o d i f i e d b e f o r e t h e y w e r e b r o u g h t t o t h e t ^ S ^ i S : 7 °^ ^^^^^ d r i l l s h i p s was h o w e v e r l i m i t e d t o a b o u t 100 d a y s . The r e q u i r e m e n t t o d r i l l f o r e x t e n d e d p e r i o d s was f u l f i l l e d w i t h t h e c o n s t r u c t i o n o f a b o t t o m f o u n d e d d r i l l i n g u n i t , t h e SSDC, i n 1982. T h i s u n i t was b u i l t a s a s e l f c o n t a i n e d m o b i l e d r i l l i n g u n i t , w h i c h c o u l d b e m o b i l i z e d t o a n y s u b s e a b e r m w i t h a b o u t 9 m s u b m e r g e n c e . The SSDC s y s t e m w o u l d ^ I ' ^ y . J ^ ^ ^ ^ ^ ^ t h e b a l l a s t i n g w i t h s e a w a t e r o f i t s i n t e r n a l t a n k s and t h e d r i l l i n g u n i t c o u l d b e m o b i l i z e d b y s i m p l y e m p t y i n g t h e t a n k s . A y e a r r o u n d d r i l l s y s t e m was c r e a t e d .o t h e r e x a m p l e s o f f l o a t i n g a n d b o t t o m f o u n d e d d r i l l i n g u n i t s a r e B e a u D r i l ' s r o u n d KULLUK a n d t h e i r b o t t o m f o u n d e d MOLIKPAQ. The l a t t e r c o n s i s t s o f a h o l l o w s t e e l a n n u l u s t h a t w i l l be f i l l e d w i t h w a t e r a n d t h e c o r e f i l l e d w i t h s a n d , i n o r d e r t o be a b l e t o r e s i s t t h e h o r i z o n t a l i c e l o a d s . F i n a l l y t h e d r i l l i n g s y s t e m s e v o l v e d t o a b o t t o m f o u n d e d d r i l l i n g u n i t t h a t w o u l d n o t r e q u i r e a s u b s e a b e r m o r a n y s i t e p r e p a r a t i o n . The r e s u l t was f o u n d i n t h e c o n s t r u c t i o n o f a s t e e l MAT i n 1 9 8 6 , w h i c h was m a t e d w i t h t h e SSDC t o f o r m o n e i n t e g r a l u n i t . T h i s u n i t now became a m o b i l e d r i l l i n g u n i t , w h i c h c o u l d o p e r a t e v i r t u a l l y a n y w h e r e i n t h e B e a u f o r t Sea w i t h o u t t h e n e e d o f b o t t o m p r e p a r a t i o n . The u n i t w o u l d b e c a p a b l e t o r e s i s t a l l i c e c o n d i t i o n s i n a l m o s t a l l s o i l c o n d i t i o n s . W i t h t h e a b o v e d e s c r i b e d d r i l l i n g u n i t s Canmar h a s a c c u m u l a t e d a t o t a l o f 43 o p e r a t i n g s e a s o n s i n t h e C a n a d i a n a n d U.S. B e a u f o r t Sea. 4 ENVIRONMENTAL CONDITIONS The c h a l l e n g e f a c i n g a n o p e r a t o r i n t h e B e a u f o r t Sea i s t h a t o f t h e s e v e r e e n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n s , c a u s e d b y an e x t e n s i v e i c e c o v e r m w i n t e r . I n summer a n o p e n w a t e r s e a s o n e x i s t s , i n t h e C a n a d i a n B e a u f o r t Sea g e n e r a l l y i n e x c e s s o f 100 d a y s w i t h o c c a s i o n a l m u l t i - y e a r i c e i n c u r s i o n s . D u r i n g t h e s p r i n g b r e a k - u p m o s t f i r s t - y e a r i c e m e l t s , a l t h o u g h some i c e s u r v i v e s u n t i l t h e f a l l , t o become m u l t i - y e a r i c e . A t f r e e z e - u p new i c e f o r m s , u n t i l t h e a r e a i s a l m o s t e n t i r e l y c o v e r e d b y i c e . The l e n g t h o f t h e o p e n w a t e r (summer) s e a s o n i s v a r i a b l e f r o m y e a r t o y e a r a n d d i f f e r s f o r d i f f e r e n t g e o g r a p h i c a l l o c a t i o n s . The i c e c o n d i t i o n s i n t h e B e a u f o r t Sea c a n be b r o k e n down i n t h r e e m a i n a r e a s 1 . The l a n d f a s t i c e z o n e . T h i s z o n e e x t e n d s f r o m t h e s h o r e l i n e t o a b o u t 2 0 m w a t e r d e p t h . The a r e a i s d e f i n e d b y t h e d e e p e s t p o s s i b l e i c e r i d g e s w h i c h c o u l d g r o u n d a n d p r e v e n t t h e movement o f t h e i c e . The a r e a c o n s i s t s o f l e v e l i c e , r i d g e s a n d some g r o u n d e d i c e . 2. The p o l a r p a c k i c e . T h i s a r e a i s w h e r e t h e i c e c o n t i n u a l l y moves w i t h t h e c u r r e n t a n d w i n d . The i c e c o n s i s t o f t h i c k m u l t i - y e a r i c e w h i c h I S i m b e d d e d i n f i r s t y e a r i c e a n d s e c o n d y e a r i c e . 3. The t r a n s i t i o n z o n e . The t r a n s i t i o n z o n e i s t h e i n t e r f a c e z o n e b e t w e e n t h e l a n d f a s t a n d t h e p o l a r p a c k i c e . A c o n t i n u o u s b r e a k i n g o f i c e a s s o c i a t e d w i t h t h e b u i l d i n g o f r i d g e s t a k e s p l a c e i n
t h i s a r e a . S o m e t i m e s when t h e p o l a r p a c k i c e r e t r e a t s due t o s t r o n g o f f s h o r e w i n d s , w i d e o p e n w a t e r l e a d s w i l l be f o r m e d The a r e a i s c h a r a c t e r i z e d b y a h i g h f r e q u e n c y o f r i d g e s A l l o p e r a t i o n s m t h e A r c t i c d e p e n d on t h e t y p e o f i c e c o n d i t i o n s p r e v a l e n t . An e x a m p l e o f t h e d i f f e r e n t t y p e s o f i c e a r e g i v e n i n F i g u r ^ _ 1 . N o t o n l y a r e t h e t y p e s o f i c e i m p o r t a n t f o r t h e o p e r a t i o n s b u t a l s o t h e e x t e n t o f t h e c o v e r a g e . E x a m p l e s a r e g i v e n i n F i g u r e 2 . B o t h t h e s e d a t a a r e c o n t i n u a l l y g a t h e r e d as p a r t o f t h e o p e r a t i o n s and a r e n o r m a l l y d i s p l a y e d i n a s i m p l e c h a r t s e n t o u t t o a l l t h e s h i p s . An e x a m p l e o f an i c e c h a r t w h i c h I d e n t i f i e s t h e t y p e s o f i c e i s g i v e n i n F i g u r e 3. The o p e n w a t e r p e r i o d i s t y p i c a l l y d e f i n e d f r o m t h e o c c u r r e n c e o f t w o t e n t h s o f i c e c o v e r and l e s s a t b r e a k , up t o t h e f o r m a t i o n o f g r e y - w h i t e i c e ( a p p r o x i m a t e l y 15 cm t h i c k ) i c e a t f r e e z e up c o n d i t i o n s . The c o n d i t i o n s d e p e n d v e r y much on t h e g e o g r a p h i c l o c a t i o n and a l s o on t h e y e a r . Some y e a r s o n l y 30 o p e n w a t e r d a y s w e r e e x p e r i e n c e d , w h e r e a s o t h e r y e a r s more t h a t 120 d a y s o f o p e n w a t e r w e r e f o u n d . ^ ^ A n o t h e r p a r a m e t e r t h a t has a s t r o n g i n f l u e n c e on t h e o p e r a t i o n s i n t h e a r c t i c i s t h e i c e d r i f t . T h i s i c e d r i f t c a n be w i n d and o r c u r r e n t d r i v e n , w i t h s p e e d s s p o r a d i c a l l y e x c e e d i n g 1.6 k n o t s . O t h e r e n v i r o n m e n t a l p a r a m e t e r s a r e t h e t e m p e r a t u r e , w i n d s p e e d wave h e i g h t , v i s i b i l i t y and snow f a l l . Summer t e m p e r a t u r e s can c i i m b as h i g h as 15 d e g r e e s C , w h e r e w i n t e r t e m p e r a t u r e s c a n be as l o w as m i n u s 3 0 d e g r e e s C and e x t r e m e m i n i m a o f a b o u t -4 0 d e a r C. Due t o t h e e x t r e m e c o l d , v i s i b i l i t y and s n o w f a l l a r e n e v e r l i m i t i n g p a r a m e t e r s i n t h e B e a u f o r t Sea. H o w e v e r i n t h e w i n t e r p e r i o d t o t a l d a r k n e s s r e q u i r e s s p e c i a l p r o v i s i o n s f o r l i c f h t s on t h e v e s s e l s .
The w i n d and wave c o n d i t i o n s c a n be d e s c r i b e d as m o d e r a t e i n c o m p a r i s o n t o t h e C a n a d i a n E a s t C o a s t o r t h e N o r t h Sea. w i n d s p e e d s o f 60 k n o t s t y p i c a l l y h a v e a r e t u r n p e r i o d o f some t w o y e a r s . The same r e t u r n p e r i o d s i g n i f i c a n t wave h e i g h t i s o n l y 3 5
I n o r d e r t o m a x i m i z e t h e o p e r a t i o n s i n t h i s e n v i r o n m e n t , t h e o p e r a t i n g c a p a b i l i t i e s n e e d t o be w e l l d e f i n e d . A l s o t h e o p e r a t i o n s n e e d t o be c o n d u c t e d i n s u c h a m a n n e r t h a t t h e e n v i r o n m e n t a l l o a d s do n o t e x c e e d t h e o p e r a t i n g c a p a b i l i t y I c e f o r e c a s t i n g and i c e a l e r t p r o c e d u r e s a r e t h e r e f o r e i n c o r p o r a t e d _ i n t o t h e d a y - t o - d a y o p e r a t i o n a l p l a n n i n g , t o e n s u r e a maximum d r i l l i n g e f f i c i e n c y .
5 D R I L L S H I P OPERATIONS Canmar's f o u r d r i l l s h i p s , EXPLORER 1 t o 4, a r e c o n v e n t i o n a l u n i t s w h i c h w e r e c o n v e r t e d a n d i c e s t r e n g t h e n e d f o r s e r v i c e m t h e A r c t i c . T h e i r a b i l i t y t o c o n t i n u e o p e r a t i o n s m a i n l y d e p e n d s o n t h e i c e c o n d i t i o n s a n d t h e l e v e l o f s u p p o r t a v a i l a b l e . The d r i l l s h i p s c a n g e n e r a l l y o p e r a t e i n w a t e r d e p t h s f r o m 15 m t o 180 m. The s t o r a g e c a p a c i t i e s ( v a r i a b l e l o a d ) v a r y b e t w e e n 5300 a n d 7400 t o n n e s . The d r i l l i n g e q u i p m e n t i s c o n t i n u a l l y u p d a t e d t o i n c o r p o r a t e new t e c h n o l o g y , s u c h a s a Top D r i v e s y s t e m , t o e n s u r e t h a t t h e m o s t e f f i c i e n t d r i l l i n g o p e r a t i o n s c a n b e c a r r i e d o u t . M o d i f i c a t i o n s f o r a r c t i c s e r v i c e s F e a t u r e s o f t h e d r i l l s h i p s t h a t w e r e a d d e d o r m o d i f i e d t o p e r m i t o p e r a t i o n s m s e v e r e w e a t h e r a n d i c e c o n d i t i o n s i n c l u d e : - I c e r e i n f o r c e d s p o n s o n s , g i v i n g t h e f o u r s h i p s a c l a s s n o t a t i o n f o r n a v i g a t i o n i n i c e , e q u i v a l e n t t o a n A.B.S. I c e C l a s s l A A , w h i c h i s e q u i v a l e n t t o a C.A.S.P.P.R.-Type A ( C a n a d i a n A r c t i c S h i p p i n g P o l l u t i o n P r e v e n t i o n R e g u l a t i o n s ) . An 8 - p o i n t m o o r i n g s y s t e m w h i c h i n c o r p o r a t e s a c o u s t i c a l l y c o n t r o l l e d r e m o t e a n c h o r r e l e a s e s y s t e m s a n d c o l l a p s i b l e p a w l s o n t h e w i n c h e s . I n a d d i t i o n t h e E x p l o r e r 4 i s e q u i p p e d w i t h u n d e r w a t e r f a i r l e a d s . A l l s h i p s u t i l i z e 70 mm w i r e s a n d 6500 k g BRUCE a n c h o r s . - T u n n e l t h r u s t e r s t o a s s i s t i c e movement p a s t t h e h u l l a n d r e d u c e h u l l f r i c t i o n . The E x p l o r e r s 1 a n d 2 f o r i n s t a n c e h a v e f o u r 600 h p u n i t s . - D e r r i c k t o p r a d a r f o r i c e management. - B u b b l e r i n s t a l l a t i o n ( E x p l o r e r 4) t o p e r m i t o p e r a t i o n i n n e w l y f o r m e d i c e . M e c h a n i c a l m o d i f i c a t i o n s r e q u i r e d f o r t h e p r o p e r f u n c t i o n i n g o f v a r i o u s s y s t e m s , s u c h a s s e a w a t e r , h y d r a u l i c and a i r s y s t e m s , h e a t t r a c i n g o f l i n e s , i n s u l a t i o n a n d h o t o i l h e a t i n g s y s t e m s i n a l l w o r k i n g a r e a s a n d e n c l o s u r e s a r o u n d t h e w i n c h e s . - C a p a b i l i t y t o o p e r a t e a g l o r y h o l e b i t , r e q u i r e d t o e x c a v a t e a s u b - c u t f o r l o w e r i n g t h e B . C . P . - s t a c k , t h e r e b y p r e v e n t i n g i n t e r f e r e n c e w i t h d e e p i c e k e e l s . O p e r a t i o n a l e x p e r i e n c e
The o p e r a t i o n a l e x p e r i e n c e w i t h t h e d r i l l s h i p s i s b e s t d e s c r i b e d b y J o l l e s e t a l ( 1 9 8 9 ) , a l s o d e s c r i b i n g t h e i c e a l e r t a n d i c e management p r o c e d u r e s . A l s o some k e y p e r f o r m a n c e d a t a a r e g i v e n m t h i s r e f e r e n c e . D r i l l s h i p o p e r a t i o n s c o n d u c t e d i n t h e summer s e a s o n c a n n o r m a l l y commence when i c e c o n c e n t r a t i o n s a t b r e a k u p d e -c r e a s e t o l e s s t h a n 4/10 i -c e -c o v e r . Work -c a n -c o n t i n u e u n t i l a p p r o x i m a t e l y 15 cm o f new i c e g r o w t h o c c u r s a t f r e e z e - u p p r o v i d i n g t h e o c c u r r e n c e o f o l d i c e i s m i n i m a l . T h i s s e a s o n n o r m a l l y b e g i n s a r o u n d t h e m i d d l e o f J u l y a n d r u n s t o t h e e n d o f O c t o b e r . The A r c t i c C l a s s A v e s s e l s a r e a l l o w e d t o o p e r a t e i n t h e C a n a d i a n B e a u f o r t Sea ( U n d e r C.A.S.P.P.R. R e g u l a t i o n s ) f r o m J u n e 15 t o November 1 0 . W i t h t h e s u p p o r t o f a t l e a s t t w o c l a s s 2 s u p p o r t v e s s e l s t h i s s e a s o n c a n b e e x t e n d e d f r o m J u n e 15 t o December 5. The n e t r e s u l t s o f d e d i c a t e d i c e s u p p o r t t o t h e d r i l l s h i p s i s t h a t an a v e r a g e d r i l l i n g s e a s o n o f a p p r o x i m a t e l y 115 t o 120 d a y s I S now e x p e c t e d . Up t o 145 d a y s w i l l b e a v a i l a b l e i n y e a r s w i t h b e t t e r t h a n a v e r a g e i c e c o n d i t i o n s . The a v e r a g e t i m e t h a t t h e d r i l l s h i p w e r e o n l o c a t i o n i s 8 6 % w i t h a t o t a l o f 14 % l o s t due t o w e a t h e r a n d i c e ( 2 % a n d 1 2 % r e s p e c t i v e l y ) . One o f t h e f a c t o r s t h a t i n f l u e n c e s t h e e f f e c t i v e d r i l l i n g t i m e , i n w o r s e t h a n a v e r a g e i c e y e a r s , i s t h e t i m e r e q u i r e d f o r a n c h o r i n g . The r e d u c t i o n o f a n c h o r i n g t i m e was t h e r e f o r e r e g a r d e d i m p o r t a n t a n d J o l l e s e t a l ( 1 9 8 9 ) shows some o f t h e i m p r o v e m e n t s a c h i e v e d o v e r t h e y e a r s : t h e a v e r a g e r u n n i n g a n d r e t r i e v i n g t i m e s i n t h e e a r l y y e a r s o f o p e r a t i o n w e r e 12 a n d 18 h o u r s , w i t h c u r r e n t t i m e s o f o n l y 6 a n d 3.5 h o u r s r e s p e c t i v e l y . 6 SUPPORT V E S S E L OPERATIONS The f l e e t o f Canmar s u p p o r t v e s s e l s m a i n l y c o n s i s t s o f a s e t o f C l a s s 2 S u p p l y v e s s e l s , t w o i c e b r e a k e r s , t h e Canmar KIGORIAK a n d t h e ROBERT LEMEUR, a s w e l l a s s e v e r a l o t h e r s u p p l i e r v e s s e l s s u r v e y b o a t s , a d r y d o c k a n d a c o n s t r u c t i o n b a r g e . O n l y t h e C l a s 4 2 S u p p l i e r s a n d t h e t w o i c e b r e a k e r s w i l l b e d e a l t w i t h i n t h i s p a p e r . The r o l e o f t h e s u p p o r t v e s s e l s d e p e n d s o n t h e i r m i s s i o n p r o f i l e w h i c h c a n i n c l u d e t h e f o l l o w i n g t a s k s : - E s c o r t o p e r a t i o n s f o r t h e d r i l l s h i p s - I c e d e f e n c e d u t i e s a r o u n d t h e d r i l l s h i p s - S u p p l y r u n s f o r c o n s u m a b l e s (summer a n d o r w i n t e r ) - B r e a k i n g t h e e n t r a n c e c h a n n e l a t s e a s o n b r e a k o u t - T o w i n g - A n c h o r h a n d l i n g - R e s e a r c h f u n c t i o n s
The G e n e r a l A r r a n g e m e n t s o f t h e t w o i c e b r e a k e r s a r e g i v e n i n F i g u r e s 4,5 . The KIGORIAK i s a C l a s s 4 a n d t h e ROBERT LEMEUR i s a c l a s s 3 v e s s e l . T h e o p e r a t i n g w i n d o w s f o r t h e s e c l a s s e s a r e f r o m J u n e 10 t o December 3 1 f o r a C l a s s 3 v e s s e l a n d f r o m J u n e i t o J a n u a r y 3 1 f o r a C l a s s 4 v e s s e l . I t s h o u l d b e m e n t i o n e d t h a t t h e KIGORIAK h a s a c c u m u l a t e d a s u b s t a n t i a l a m o u n t o f o p e r a t i n g t i m e i n t h e r e m a i n d e r o f t h e w i n t e r . She h a s t h e r e f o r e p r o v e n a y e a r r o u n d c a p a b i l i t y w i t h a C l a s s 4 h u l l . The i c e d e f e n c e d u t i e s a r o u n d t h e d r i l l s h i p s a r e a l s o d i s c u s s e d b y J o l l e s ( 1 9 8 9 ) . The v e s s e l s r e q u i r e e x c e l l e n t m a n e u v e r a b i l i t y t o p e r f o r m t h e s e t a s k s a n d a l s o t o come a l o n g s i d e t h e d r i l l s h i p s f o r c o n s u m a b l e d i s c h a r g e s . The d i f f i c u l t y f o r t h e s e l a t t e r m a n e u v e r s a r e c a u s e d b y t h e i c e b e t w e e n t h e t w o s h i p s a n d a l s o b y t h e p r e s e n c e o f t h e m o o r i n g l i n e s .
Due_ t o t h e l i m i t e d f e t c h i n t h e B e a u f o r t Sea wave h e i g h t i s l i m i t e d . I c i n g o n d e c k a n d o n a l l t h e e q u i p m e n t i s t h e r e f o r e l i m i t e d a n d h a s n e v e r c a u s e d a n y s t a b i l i t y c o n c e r n s . A t t h e p r e s e n t t i m e s p e c i f i c i c i n g r e g u l a t i o n s a r e r e v i e w e d a n d may become s i t e s p e c i f i c .
A l l v e s s e l s h a v e s u s t a i n e d some k i n d o f h u l l damage. The C l a s s 2 S u p p l i e r s h a v e h a d p a r t o f t h e i r b o t t o m s r e p l a c e d . The m a i n r e a s o n f o r t h i s damage i s f r o m o p e r a t i o n i n s h a l l o w w a t e r . The ROBERT LEMEUR h a s a l s o s u s t a i n e d f a i r l y s u b s t a n t i a l h u l l p l a t e ( s e t a n d _ d e n t e d ) a n d m a i n l o n g i t u d i n a l damage ( b u c k l e d a n d t r i p p e d ) i m m e d i a t e l y b e h i n d t h e bow. She h a s o p e r a t e d i n h e a v y s e c o n d y e a r a n d m u l t i y e a r i c e u p t o 5 m t h i c k n e s s . The KIGORIAK h a s e x p e r i e n c e d some d e n t e d p l a t e s i n t h e bow. A l l v e s s e l s a r e b e l i e v e d t o h a v e o p e r a t e d f a r b e y o n d t h e i r o p e r a t i n g c a p a b i l i t i e s . I n t h e i c e d e f e n c e r o l e t h e v e s s e l s w i l l d r i v e s o m e t i m e s a t maximum s p e e d a t t h e i c e f l o e t h a t n e e d s t o be b r o k e n i n t o s m a l l e r f r a g m e n t s . I n t h a t c o n d i t i o n t h e k e e l s o f t h e s e r i d g e s o r f l o e s may f a r e x c e e d t h e d r a f t o f t h e v e s s e l . As s u c h t h e v e s s e l w i l l s e e s u b s t a n t i a l l o a d s i n t h e bow, b o t t o m a n d s i d e s h e l l a r e a s . T h i s s u b j e c t o f l o a d s a n d p r e s s u r e s i s one o f c o n s i d e r a b l e i n t e r e s t a n d many t e s t s h a v e b e e n c o n d u c t e d t o v e r i f y t h e maximum p o s s i b l e v a l u e s . T h i s a s p e c t w i l l be f u r t h e r a d d r e s s e d u n d e r i c e l o a d s . None o f t h e s u p p o r t v e s s e l s , i c e b r e a k e r s n o r C l a s s 2 S u p p l i e r s h a s s u s t a i n e d a n y h u l l damage i n t h e s t e r n a r e a . B o t h t h e i c e b r e a k e r s h a v e b e e n u t i l i z e d e x t e n s i v e l y i n r a m m i n g p r o c e d u r e s , m o r d e r t o p r o v i d e some e n g i n e e r i n g d a t a o n i c e l o a d s a n d p r e s s u r e s . S e v e r a l h u n d r e d s o f rams h a v e b e e n c o n d u c t e d w i t h c l o s e t o f u l l s p e e d i n h e a v y m u l t i y e a r i c e c o n d i t i o n s . Some o f t h e s e r e s u l t s a r e h i g h l i g h t e d u n d e r t h e d e s i g n c r i t e r i a
The p r o p u l s i o n s y s t e m s h a v e p e r f o r m e d v e r y w e l l , d e s p i t e t h e h e a v y r a m m i n g a n d o p e r a t i o n s i n s h a l l o w a r e a ' s . Some b l a d e s h a v e b e e n damaged o n t h e KIGORIAK d u e t o t h e s u c t i o n o f a s t e e l beam t h r o u g h t h e n o z z l e w h i l e o p e r a t i n g i n s h a l l o w w a t e r a s w e l l as t h e s u c t i o n o f a n a n c h o r b u o y t h r o u g h t h e n o z z l e . The p r o p u l s i o n o f t h e S u p p l i e r s p r e s e n t e d no s e r i o u s p r o b l e m s . One o f t h e m a i n s t r u c t u r a l m o d i f i c a t i o n s o n t h e C l a s s 2 s u p p l i e r s h a s b e e n t h e f i t t i n g o f a p r o p e r i c e k n i f e . T h i s i c e k n i f e a s s i s t s m t h e c l e a r i n g o f t h e i c e t o t h e s i d e o f t h e v e s s e l w h i c h w i l l r e d u c e t h e i c e g o i n g i n t o t h e p r o p e l l e r s . A l s o t h e i c e k n i f e p r e v e n t s t h e v e s s e l o f r i d i n g t o o f a r u p o n t h e i c e . T h i s i n I t s t u r n w i l l r e d u c e t h e i c e l o a d s o n t o t h e b o t t o m s h e l l .
7 OPERATIONS WITH THE BOTTOM FOUNDED SSDC/MAT
The b o t t o m f o u n d e d d r i l l i n g u n i t SSDC/MAT c o n s i s t s o f a c o n v e r t e d s u p e r t a n k e r , t h e SSDC a n d a p u r p o s e b u i l t s u b m e r s i b l e b a r g e , t h e MAT. The G e n e r a l A r r a n g e m e n t i s shown i n F i g u r e 6. The m a i n p a r t i c u l a r s o f t h e u n i t a r e a l e n g t h o n t h e w a t e r i i n e o f 162 m a n d a beam o f 53 m. The MAT e x t e n d s t h e beam t o a maximum o f 110 m. The u n i t h a s a v a r i a b l e l o a d o f 21000 t o n n e s .
The SSDC/MAT was p u t i n t o s e r v i c e i n o r d e r t o b e a b l e t o d r i l l y e a r - r o u n d , t o a v o i d t h e c o n s t r u c t i o n o f s u b - s e a b e r m s a n d a l s o t o a c c e s s w a t e r d e p t h s l e s s t h a n 15 m, w h i c h i s o u t s i d e t h e d r i l l s h i p c a p a b i l i t y . The SSDC/MAT c a n d r i l l i n w a t e r d e p t h s o f 7.6-24.4 m, w i t h o u t a s u b - s e a b e r m a n d w i t h o u t s i t e p r e p a r a t i o n . The c o m b i n e d u n i t c a n be r e l o c a t e d i n p e r i o d s o f r e l a t i v e o p e n w a t e r a n d l a r g e h o r s e p o w e r t u g s c o u l d e x t e n d t h i s p e r i o d .
The MAT s u p p o r t s t h e SSDC a n d i s e q u i p p e d w i t h a pumproom a c c e s s i b l e t h r o u g h a t o w e r f o r a c c e s s a t t h e f o r w a r d e n d . A l l b a l l a s t i n g o p e r a t i o n s f o r l i f t o f f a n d s e t down a r e c o n d u c t e d f r o m t h e MAT pumproom. The o v e r a l l command c e n t e r f o r r e l o c a t i o n s I S l o c a t e d o n t o p o f t h e a c c o m m o d a t i o n o f t h e SSDC.
D r i l l i n g e x p e r i e n c e
The SSDC/MAT h a s d r i l l e d t w o w i n t e r s e a s o n s i n t h e U.S. B e a u f o r t Sea i n 18 a n d 2 1 m w a t e r d e p t h r e s p e c t i v e l y . ( T h e SSDC h a d a c c u m u l a t e d t w o y e a r s o f d r i l l i n g i n t h e C a n a d i a n B e a u f o r t Sea on s u b s e a b e r m s m a b o u t 30 m w a t e r d e p t h ) . The f i r s t d r i l l i n g l o c a t i o n o f t h e SSDC/MAT , " P h o e n i x " i n 18 m w a t e r d e p t h , i s c h a r a c t e r i z e d b y weak s i l t y c l a y s . The s e c o n d l o c a t i o n " A u r o r a " i n 2 1 m w a t e r d e p t h , i s c h a r a c t e r i z e d b y s t r o n g s o i l w i t h l a r g e b o t t o m u n d u l a t i o n s ( u p t o 3 m) . The r e s u l t o f t h e s e t w o d i f f e r i n g s i t e c o n d i t i o n s was t h a t a f u l l p e n e t r a t i o n (2 m) was a c h i e v e d i n t h e s o f t s o i l a n d o n l y a p a r t i a l p e n e t r a t i o n ( 0 . 9 m) i n t h e s t r o n g e r s o i l . No s i t e p r e p a r a t i o n s h a d b e e n made.
A t t h e s e t w o l o c a t i o n s no t i m e was l o s t d u e t o i c e a n d w e a t h e r The maximum h o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n t s v a r i e d b e t w e e n 5 a n d l o mm w h i c h c o r r e s p o n d s t o l e s s t h a n 10 % o f t h e d i s p l a c e m e n t s u n d e r t h e d e s i g n i c e l o a d s . A t b o t h s i t e s no t i m e was l o s t d u e t o i c e c o n d i t i o n s o r w e a t h e r . D u r i n g t h e t w o y e a r s o f d r i l l i n g e x t e n s i v e r e s e a r c h h a s b e e n c a r r i e d o u t . On b o t h l o c a t i o n s a n a r r a y o f i c e l o a d c e l l s w e r e i n s t a l l e d i n t h e i c e a r o u n d t h e u n i t . The o b j e c t i v e s w e r e t o d e t e r m i n e t h e i c e l o a d s o n t h e u n i t . W i t h t h e s e d a t a r e f i n e m e n t s c a n b e made i n t h e d e s i g n i c e l o a d s a n d p r e s s u r e a r e a r e l a t i o n s h i p s . R e l o c a t i o n e x p e r i e n c e s
The SSDC/MAT was r e l o c a t e d t h r e e t i m e s , f i r s t f r o m t h e m a t i n g s i t e t o " P h o e n i x " 1986 ( W i c h e r t a n d H e l m e r , 1 9 8 6 ) , s e c o n d l y t o " A u r o r a " i n 1987 ( J o l l e s , 1988) a n d t h i r d l y t o a w i n t e r l a y - u p s i t e , c l o s e t o H e r s c h e l I s l a n d i n 1 9 8 8 . The t h i r d l o c a t i o n i s m C a n a d i a n w a t e r s w i t h 10.3 m w a t e r d e p t h . The r e s u l t s o f t h e s e r e l o c a t i o n s a r e f u l l y d e s c r i b e d b y J o l l e s e t a l ( 1 9 8 9 ) . The r e s u l t s a r e t h a t t h e u n i t p r e s e n t e d no p r o b l e m d u r i n g t h e l i f t o f f . The s e t down o n A u r o r a was s e v e r e l y i n f l u e n c e d b y t h e h i g h b o t t o m u n d u l a t i o n s a n d s t r o n g w i n d s (Up t o 40 k n o t s , w h i c h was t w i c e t h e l i m i t w i n d s p e e d ) . D e s p i t e t h e s e c o n d i t i o n s a s u c c e s s f u l s e t d o w n was a c h i e v e d w i t h i n 18 h o u r s a n d 5 m o f f t h e t a r g e t . A l l t h r e e s e t downs w e r e c o n d u c t e d w i t h t h e a i d o f 5 f r e e f l o a t i n g ( n o n - a n c h o r e d ) v e s s e l s . T o w i n g o f t h e u n i t p r e s e n t e d no p r o b l e m s . A t o w i n g s p e e d s o f 2.3 k n o t s was a c h i e v e d i n g e n e r a l l y f a v o u r a b l e w e a t h e r w i t h a b o l l a r d p u l l o f a r o u n d 160 t o n n e s . 8 DREDGER OPERATIONS A f e w w o r d s s h o u l d b e s p e n t o n t h e d r e d g e r s t h a t h a v e b e e n e m p l o y e d i n t h e B e a u f o r t Sea. The m a i n p u r p o s e o f t h e d r e d g e r s was t o c o n s t r u c t t h e a r t i f i c i a l i s l a n d s a n d s u b s e a b e r m s . T h i s was a c h i e v e d b y e i t h e r e m p l o y i n g s t a t i o n a r y d r e d g e s o r b y h o p p e r d r e d g e r s . The f o r m e r f i l l e d b a r g e s t h a t dumped t h e m a t e r i a l on t h e l o c a t i o n , o r t r a n s p o r t e d t h e s a n d m i x t u r e f r o m b o r r o w p i t s t h r o u g h f l o a t i n g p i p e l i n e s t o a d u m p b a r g e . The h o p p e r d r e d g e r s s a i l e d b e t w e e n a b o r r o w p i t a n d t h e d r i l l i n g l o c a t i o n , w h e r e t h e y dumped t h e i r c a r g o t h r o u g h t h e b o t t o m d o o r s , o r d i s c h a r g e d t h e c a r g o t h r o u g h t h e i r s u c t i o n a r m s , f o r d i r e c t p l a c i n g . The f i n a l a p p l i c a t i o n o f t h e h o p p e r d r e d g e r s i s t o f i l l t h e b o t t o m f o u n d e d d r i l l i n g u n i t s w i t h s a n d i n o r d e r t o a c h i e v e t h e n e c e s s a r y d o w n w a r d w e i g h t o n t o t h e b o t t o m o r b e r m . T h i s was a c h i e v e d t h r o u g h t h e u s e o f a f l o a t i n g p i p e l i n e .
The m a i n p r o b l e m s f o r t h e o p e r a t i o n o f t h e d r e d g e r s was t h e i n f l u e n c e o f t h e i c e o n t h e f l o a t i n g p i p e l i n e a n d o n t h e d r a g a r m w i r e s . D o w n t i m e o r r e d u c e d s p e e d was t h e r e s u l t , w i t h t h e c o n s e q u e n c e o f r e d u c e d p e r f o r m a n c e s c o m p a r e d t o o p e n w a t e r o p e r a t i o n s .
9 DESIGN REQUIREMENTS FOR ARCTIC V E S S E L S M i s s i o n P r o f i l e The d e s i g n o f a n a r c t i c c l a s s v e s s e l n e e d s t o s t a r t w i t h t h e d e f i n i t i o n o f t h e m i s s i o n p r o f i l e . W i t h o u t t h i s d e f i n i t i o n no d e c i s i o n s c a n b e made a s t o t h e d e s i g n c r i t e r i a f o r t h e v e s s e l and h e r e q u i p m e n t . A f t e r d e f i n i n g t h e m i s s i o n p r o f i l e , t h e o p e r a t i n g s e a s o n n e e d s t o b e s p e c i f i e d i n t e r m s o f a r e a o f o p e r a t i o n a n d number o f m o n t h s o f o p e r a t i o n . Based o n t h e s e c r i t e r i a p r i n c i p a l s e l e c t i o n s c a n b e made o f t h e a p p l i c a b l e l o a d s , p r e s s u r e s a n d o t h e r p e r f o r m a n c e c r i t e r i a . Many a r t i c l e s h a v e b e e n w r i t t e n o n t h e v a r i o u s d e s i g n a s p e c t s o f a r c t i c v e s s e l s . A number o f a u t h o r s p r o v i d e u s e f u l l i n f o r m a t i o n on t h e s e a s p e c t s . The a u t h o r s i n c l u d e : SNAME 1 9 8 6 , Webb 1 9 8 7 , Penney 1 9 8 7 , S t u b b s e t a l 1 9 8 3 . I c e l o a d s P e s s u r e - a r e a r e l a t i o n s h i p . The i c e l o a d s a n d p r e s s u r e s d e p e n d p r i m a r i l y o n t h e : a r e a o f o p e r a t i o n , t h e t i m e o f o p e r a t i o n i n t h e y e a r , t h e l o c a t i o n o n t h e s h i p a n d t h e h u l l s h a p e . O t h e r f a c t o r s t h a t w i l l d e t e r m i n e t h e i c e l o a d s a r e t h e t y p e o f i c e , i t s m o r p h o l o g y , c o n c e n t r a t i o n , a n d s t r e n g t h . The p r e s e n t r e g u l a t i o n s a p p l i c a b l e t o v e s s e l s o p e r a t i n g i n t h e C a n a d i a n A r c t i c (CASPPR) d e f i n e t h e i c e p r e s s u r e s a n d e x a m p l e s a r e i s g i v e n i n T a b l e l . The i c e p r e s s u r e s f o r t w o d i f f e r e n t h u l l a r e a s a n d f o r d i f f e r e n t i c e c l a s s e s a r e l i s t e d .
TABLE 1 CASPPR DESIGN I C E PRESSURES (MPa)
ICE CLASS BOW AREA MIDBODY AREA
1 l A 2 1.7 2.8 4.1 6.9 0.7 1.8 2.8 4.6 4 10 10.3 6.6
The CASPPR R u l e s a r e p r e s e n t l y u n d e r g o i n g e x t e n s i v e m o d i f i c a t i o n s and w i l l u s e r e s u l t s o f f u l l s c a l e d a t a t o d e t e r m i n e a new s e t o f c r i t e r i a . A t t h e p r e s e n t t i m e i t c a n b e s a i d t h a t t h e v e s s e l s d e s i g n e d w i t h t h e B a l t i c i c e r u l e s h a v e b e e n f o u n d t o b e a d e q u a t e f o r t h e i n t e n d e d s e r v i c e ( S t u b b s , 1 9 8 7 ) S i m i l a r t y p e s o f c r i t e r i a c a n b e f o u n d i n t h e C l a s s i f i c a t i o n S o c i e t y R e g u l a t i o n s , w h i c h a r e b a s e d o n a n a n a l y t i c a l a p p r o a c h u s i n g e m p i r i c a l f o r m u l a s . ^ The r e l a t i o n s h i p b e t w e e n i c e l o a d a n d h u l l a r e a i s g i v e n b y t w o t y p i c a l c u r v e s o f p r e s s u r e a n d f o r c e v e r s u s a r e a a s g i v e n i n F i g u r e 7. K i v i s i l d ( 1 9 8 7 ) p r o v i d e s some a c t u a l m e a s u r e d p r e s s u r e a s g i v e n i n F i g u r e 8. The o v e r a l l r e s u l t s o f t h e p r e s s u r e a r e a i n v e s t i g a t i o n s a n d m e a s u r e m e n t s i s t h a t v e r y l a r g e p r e s s u r e s c a n o c c u r o n s m a l l a r e a s . T y p i c a l l y p r e s s u r e s o f 2 0 MPa w e r e m e a s u r e d ^ r e s u l t some e x t r a s t i f f e n e r s w e r e a d d e d m t h e KIGORIAK i n o r d e r t o r e d u c e t h e a r e a a n d t h e r e f o r e t h e p r e s s u r e s . A s i m p l e r e l a t i o n b e t w e e n p r e s s u r e a n d a r e a ( f o r s m a l l a r e a s ) o b t a i n e d f r o m C h u r c h e r e t a l ( 1 9 8 4 ) i s -P r e s s u r e C o n s t a n t P C E x a m p l e s C(KIGORIAK) C(R. LEMEUR) C / ( A ) * * 0 . 5 f ( S p e e d , D i s p l a c e m e n t , A r e a o f o p e r a t i o n , T y p e o f o p e r a t i o n , H u l l a r e a ) 3 2.6 An e x a m p l e o f r e c e n t _ w o r k b y G l e n e t a l ( 1 9 8 5 ) o n p r e s s u r e a r e a r e l a t i o n s i s shown i n F i g u r e 9. I n h i s p a p e r h e p r o p o s e s t h e f o l l o w i n g f o r m u l a f o r i c e p r e s s u r e , w h i c h i s d e p e n d e n t o n t h e a r e a a n d t h e t o t a l l o a d :
P(A) = Fmax / A * { 1 - 1 / ( 1.24 ( 52 * A / Fmax ) * * 0 . 8 5 ) }
A t y p i c a l e x a m p l e f r o m t h e same r e f e r e n c e f o r t h e d e s i g n p r e s s u r e a r e a c u r v e _ f o r t h e C a n a d i a n C o a s t G u a r d P o l a r 8 I c e b r e a k e r i s shown m F i g u r e 1 0 . U n d e r t h e s u b s e c t i o n o f s u b d i v i s i o n , some p r e s s u r e r e d u c i n g means a r e d i s c u s s e d i n t h e m i d b o d y a r e a s a s a r e s u l t o f t h e f i t t i n g o f a d o u b l e h u l l . ?i°?^iu^°^P^°t f o r c e . The m i s s i o n p r o f i l e o f t h e v e s s e l s r e q u i r e s t h a t t h e v e s s e l s w i l l b e r a m m i n g h e a v y i c e f e a t u r e s . T h i s c a n be e i t h e r f o r _ i c e d e f e n c e o r r a m m i n g may b e p e r f o r m e d o n t h e t r a n s i t v o y a g e s g o i n g t h r o u g h r i d g e s a n d b r e a k i n g t h r o u g h s e c o n d y e a r a n d m u l t i - y e a r i c e . The g l o b a l r a m m i n g f o r c e d e p e n d s o n t h e f o l l o w i n q p a r a m e t e r s : V e s s e l s i z e . Speed, Power, h u l l g e o m e t r y .
An e x a m p l e o f a n a c t u a l r a m o f t h e KIGORIAK i s g i v e n i n F i g u r e 1 1 , w h i c h i s o b t a i n e d f r o m Ghoneim e t a l ( 1 9 8 4 ) . The F i g u r e shows t h e t h r e e m a i n p h a s e s o f r a m m i n g . The f i r s t p h a s e i s t h e o b l i q u e i m p a c t l a s t i n g 0.2 s e c o n d s , f o l l o w e d b y a f r e e v i b r a t i o n l a s t i n g 0.6 s e c o n d s a n d f i n a l l y a b e a c h i n g p h a s e . I n t h i s l a t t e r p h a s e t h e v e s s e l s l i d e s u p o n t h e i c e a n d r e a c h e s a f i n a l s t a t i c c o n d i t i o n . The n e x t F i g u r e 12 , a l s o f r o m t h a t r e f e r e n c e , g i v e s t h e a c t u a l g l o b a l bow f o r c e s . The maximum bow f o r c e was a b o u t 22 MN o r a r o u n d 2200 T o n n e s . O t h e r o b s e r v a t i o n s f r o m t h i s F i g u r e a r e t h a t t h e maximum g l o b a l f o r c e i s a b o u t 2.5 t o 3 t i m e s t h e f i n a l b e a c h i n g f o r c e . The r e s u l t i n g d e c k s t r e s s e s f r o m t h e a b o v e rams a m o u n t e d t o 4 0-50 % o f t h e y i e l d s t r e s s e s . The KIGORIAK h a s b e e n d e s i g n e d f o r a maximum g l o b a l f o r c e o f 45 MN. I t was f o u n d t h a t a l l t h e r a m m i n g t e s t s w i t h t h e KIGORIAK p e r f o r m e d b e t w e e n 10 a n d 15 k n o t s r e s u l t e d i n f o r c e s c o r r e s p o n d i n g 3 0 t o 4 0 % o f t h e d i s p l a c e m e n t o f t h e v e s s e l . The b e a c h i n g f o r c e r e s u l t s i n d e c k s t r e s s e s t h a t a r e o f t h e same o r d e r o f m a g n i t u d e a s t h e d e c k s t r e s s e s c a u s e d b y t h e w a v e s . A number o f d i f f e r e n t a p p r o a c h e s h a v e b e e n t a k e n b y d i f f e r e n t a u t h o r s t o d e f i n e t h e g l o b a l i m p a c t f o r c e . F i g u r e 1 3 , o b t a i n e d f r o m Ghoneim e t a l ( 1 9 8 4 ) , p r e s e n t s t h e r e s u l t s o f t h r e e d i f f e r e n t bow f o r c e f o r m u l a s . The u n i t s i n t h e f o r m u l a s a r e , f o r J o h a n s s o n : V i s t h e i m p a c t v e l o c i t y i n m/s, D i s t h e d i s p l a c e m e n t o f t h e v e s s e l i n m i l l i o n s o f k g a n d F i s t h e t o t a l bow f o r c e i n MN. The a d d i t i o n o f t h e c o s i n u s o f t h e bow a n g l e i n t h e F i g u r e i s i n t r o d u c e d t o d e r i v e t h e maximum v e r t i c a l c o m p o n e n t .
Bow a n g l e s . The i n f l u e n c e o f t h e bow a n g l e i s s u c h t h a t t h e l o w e r t h e a n g l e , t h e l o w e r t h e i m p a c t f o r c e . T h e r e f o r e a l o w bow a n g l e seems t o i m p e d e t h e i c e b r e a k i n g p e r f o r m a n c e i n t h e r a m m i n g mode o f o p e r a t i o n . The LEMEUR h a s a n 18 d e g r e e s a n d t h e KIGORIAK a 24 d e g r e e s bow a n g l e . H u l l g i r d e r s t i f f n e s s s . The r e p e a t e d r a m m i n g t e s t s a l s o p r o v i d e d i n f o r m a t i o n o f t h e r e l a t i o n b e t w e e n t h e bow f o r c e a n d t h e h u l l g i r d e r s t i f f n e s s a n d d e c k s t r e s s e s . No s t r a i g h t r e l a t i o n c o u l d be f o u n d , h o w e v e r i s was c o n c l u d e d t h a t b o t h i c e b r e a k e r s a r e n o t l i m i t e d i n o p e r a t i o n b y i n s u f f i c i e n t d e p t h . L o n g e r v e s s e l s h a v e t o b e r e v i e w e d i n d e t a i l i n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e m i n i m u m a l l o w a b l e s e c t i o n m o d u l u s a n d t h u s d e p t h . By m a t t e r o f c o m p a r i s o n t h e d e p t h o f t h e LEMEUR i s 25 % s m a l l e r t h a n t h e d e p t h o f t h e KIGORIAK. ^ I t h a s a l s o b e e n f o u n d t h a t t h e f o r e c a s t l e d e c k , d e s p i t e t h e f a c t t h a t i t e x t e n d s o v e r a r e l a t i v e l y s h o r t l e n g t h , i s a n e f f e c t i v e s t r e n g t h d e c k . I n t h e d e s i g n o f v e s s e l s a d e q u a t e s t i f f e n i n g o f t h i s d e c k s h o u l d b e g u a r a n t e e d .
A c c e l e r a t i o n s . The f i n a l p a r a m e t e r f r o m w h i c h l o a d s a n d f o r c e s a r e d e t e r m i n e d a r e t h e v e s s e l a c c e l e r a t i o n s d u r i n g r a m m i n a p r o c e d u r e s . T h e r e s u l t s o f a KIGORIAK r a m m i n g t e s t i s g i v e n ?n F i g u r e 14 w h i c h shows a bow h e a v e a c c e l e r a t i o n o f a b o u t I g a n d a sway a c c e l e r a t i o n o f a b o u t 0.5g. uuo ±g a n a a H u l l s t r e n g t h e a r l i e r some o f t h e v e s s e l s e x p e r i e n c e d h u l l damage. The damages o n t h e ROBERT LEMEUR h a v e r a i s e d some c o n c e r n a s t i t h e l o a d s a n d p r e s s u r e s t h a t may h a v e c a u s e d t h e s e d e n t s . One f i n d i n g f r o m a f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s o f t h e c o m p l e t e s i d e s t r u c t u r e was t h a t t h e s t r e s s f l o w f r o m p l a t e a n d s t i f f e n e r i n t o t h e web a n d i n s i d e b u l k h e a d i s o n e t o b e c l o s e l y g u a r d e d . ïhe f a i l u r e o f t h e s y s t e m d e p e n d s o n t h e w e a k e s t l i n k . Based o n t h e d e s i g n i c e p r e s s u r e s l i s t e d i n T a b l e 1 t h e f o l l o w i n g s i m p l e p l a t e t h i c k n e s s d e s i g n f o r m u l a i s
giv'^:
r o i i o w i n g P l a t e t h i c k n e s s f o r m u l a s : t = 2 / 3 * S p a c i n g * ( P / p y ) * * 0 . 5 (CASPPR) o r t = 0.6 * S p a c i n g * ( p / p y ) ( A B S ) f n L . ^ SJ^'^^'^l^
a d d i t i o n o f a c e r t a i n c o r r o s i o n ? i r s r f o r ; u ? . ' ' ' ? n ^ ^ " ""^^^ a p p l i c a t i o n o f t h e tMrïnf<=c= -F K""i^^^
4 S h i p w o u l d r e s u l t i n a bow p l a t e t h i c k n e s s o f 45 mm b a s e d o n a f r a m e s p a c i n g o f 500 mm.IrlerfrZfi^S^^t^^^'"^
P ^ ^ ^ ^ ^ l ^ l V u n d e r g o i n g r e v i s i o n s i n s m a l ? a j ; l ""^^^^^ °^ d e t a i l e d p r e s s u r e m e a s u r e m e n t s o n s m a l l _ a r e a s . The r e s u l t s showed t h a t t h e p l a t e d o e s n o t e x p e r i e n c e t h e m a i n p a r t o f t h e l o a d b u t t h a t i t i s t h e s t i f f e n e r t a k e n ^rf/o^^.on°^H -^^^ p a r a m e t e r s t h a t s h o u l d SeIhl^i
? c o n s i d e r a t i o n a r e t h e p l a s t i c b e h a v i o u r a n d u l t i m a t e l y t h e p l a t e w i l l s t a r t t o a c t a s a membrane. A l l o w a b l e s t r e s s e s f o ? t h e s e t w o c o n d i t i o n s f a r e x c e e d t h e a l l o w a b l e s t r e s s e s a s i f t h e p l a t e was s u b j e c t t o p u r e e l a s t i c d e f o r m a t i o n . The f i n a l c r i t e r i a f o r c o n s t r u c t i o n o f t h e s h e l l s t r u c t u r e i s t h e f r a m e s p a c i n g a n d t h e a c c e s s i b i l i t y . The ROBERT LEMEUR f o r =hf^w"''S I ^ ' ' f " ' ^ ^P^""^ ^" °f 250 mm. I m p r o v e d s h i p y a r d c o n s t r u c t i o n t e c h n i q u e s t o d a t e a l l o w f o r s u c h c l o s e t h e s ^ " b ' q u a l i t y c o n t r o l s h o u l d be v e r y s t r i n g e n t i nThe o v e r a l l i c e b r e a k i n g p e r f o r m a n c e i s m a i n l y a c h i e v e d by t h e d e s i g n o f t h e bow s h a p e . H o w e v e r t h e m i d b o d y s h a p e a n d t h e s t e r n w i l l a l s o c o n t r i b u t e t o t h e o v e r a l l p e r f o r m a n c e . The p r e s e n t bow s h a p e s c a n be b r o k e n down i n t h r e e b a s i c f o r m s , t h e c o n v e n t i o n a l s h a p e , t h e s p o o n bow a n d t h e WAAS bow. F i g u r e 15 i l l u s t r a t e s t h e d i f f e r e n c e i n t h e w a t e r i i n e p l a n s o f t h e s e h u l l s . E x a m p l e s o f a c o n v e n t i o n a l h u l l f o r m w i t h c o n c a v e f r a m e s i s t h e LOUIS ST. LAURENT. The c o n v e n t i o n a l bow l i n e s w i t h c o n v e x f r a m e s c a n be s e e n on t h e POLAR SEA and t h e PIERRE RADISON. B o t h t h e KIGORIAK and t h e ROBERT LEMEUR a r e g o o d e x a m p l e s o f t h e s p o o n s h a p e , w h i c h p r e v e n t s t h e c r u s h i n g o f t h e i c e . The WAAS bow h a s a s t r a i g h t and f l a t b o t t o m a n d c a n be c h a r a c t e r i z e d b y a l a n d i n g c r a f t h u l l w i t h an i n f i n i t e r a d i u s o f c u r v a t u r e . T h i s s h a p e c a n be f o u n d on t h e MAX WALDECK a n d t h e MUDYUG.
The p a r a m e t e r s t h a t d e f i n e t h e bow a n d t h u s t h e i c e b r e a k i n g p e r f o r m a n c e c o n s i s t m a i n l y o f e n t r a n c e , f r a m e a n d s t e m a n g l e s , as i s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 16. O t h e r p a r a m e t e r s t h a t d e f i n e t h e f o r m o f t h e bow a r e t h e bow r e a m e r s , F i g u r e 17, an i c e k n i f e and t h e bow wedge, see F i g u r e 18. A l l t h r e e s e r v e s i m i l a r p u r p o s e s , w h i c h i s o f c l e a r i n g t h e i c e f r o m u n d e r n e a t h t h e v e s s e l t o thé s i d e . The r e a m e r h a s t h e a d d e d a d v a n t a g e t h a t a w i d e r c h a n n e l i s b r o k e n . T h i s w i l l r e d u c e t h e m i d s h i p i c e f r i c t i o n , p r e v e n t t h e v e s s e l o f b e c o m i n g b e s e t a n d a i d i n t h e m a n e u v e r i n g o f t h e v e s s e l . The i c e k n i f e ' s m a i n f u n c t i o n i s t o p r e v e n t t h e v e s s e l o f r i d i n g t o o h i g h up on t h e i c e a n d a l s o t o p r o v i d e a s p l i t t i n g f o r c e b e f o r e t h e v e s s e l comes t o a f i n a l h a l t a f t e r r a m m i n g i n t o an i c e f e a t u r e . S i m i l a r t o t h e bow, t h e s t e r n n e e d s t o be l o o k e d a t i n d e t a i l . D e p e n d i n g on t h e m i s s i o n p r o f i l e , b a c k i n g may be an i m p o r t a n t f e a t u r e and t h e r e f o r e t h e w a t e r i i n e s h a p e i s i m p o r t a n t . A l s o f o r t h e b e s t p r o p u l s i v e p e r f o r m a n c e as w e l l a s t h e m a n e u v e r i n g c a p a b i l i t y , p r o p e l l e r h u l l c l e a r a n c e i s i m p o r t a n t . The p r o p e l l e r s may s u c k - i n b r o k e n p i e c e s o f i c e and j a m m i n g s h o u l d be p r e v e n t e d . When i c e p i e c e s g e t l o d g e d b e t w e e n t h e h u l l a n d t h e p r o p e l l e r n o z z l e s e x t e n s i v e m i l l i n g w i l l o c c u r w i t h g r e a t t h r u s t l o s s e s . R e v e r s a l may be t h e o n l y r e m e d y . The h u l l s h a p e c a n be o p t i m i z e d f o r a number o f m i s s i o n p r o f i l e c r i t e r i a . Some o f t h e m o s t i m p o r t a n t p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s a r e ( a p a r t f r o m t h e i c e m o r p h o l o g y p a r a m e t e r s ) : P e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s - P e r f o r m a n c e i n o p e n w a t e r ( s p e e d a n d v e s s e l m o t i o n s ) - P e r f o r m a n c e i n l e v e l i c e - P e r f o r m a n c e i n r i d g e s (Ramming c y c l e = f u l l a h e a d s p e e d , d e c e l e r a t i o n , f u l l a s t e r n s p e e d , s t o p , f u l l a h e a d s p e e d , ram)
- C h a n n e l r e s i s t a n c e
- P e r f o r m a n c e t h r o u g h s e c o n d a n d m u l t i y e a r i c e - M a n e u v e r a b i l i t y i n i c e
w S h
w i i n h^^^l
^^^^^^?
*^^^^1°Pmathematical a l g o r i t h m s
w i t h which t h e r e s i s t a n c e i n i c e c a n be c a l c u l a t e d . The r e s u l t s
can be obtained through a n a l y t i c a l approaches, through tte
r e s u l t s o f model
t e s t s o rfrom p r o t o t y p e
m e a s u r e m e n t s . AnExample
tinier lit^^^^l^i''applying t o a 3 0 0 , 0 0 0 t o n D e a d w e i g h t
tanker are presented m
F i g u r e 19. An e x a m p l eo f
t h er e s i s t a n c e s
^^'i^ ^^^P^^ F i g u r e 20 ( E n k v ? s t e t a lIl.tl
;^,^°"^i^des
t h a t t h ec y l i n d r i c a l
o rspoon
bow c a n be u s e ds u c c e s s f u l l y d u e t o t h e combination o f lowest r e s i s t a n c e i n i c e
and
acceptable open water r e s i s t a n c e .
T h i sbow form
i s a l ^ oSt
concerned! °' ^^^^^ ^^^^^ r e s i s t a n c e i n ridges°
l l
livln in'^Fl^TVi
""^M w^^^P'^°'
^"^^ performance
i nr i d g e s
i sgiven m
F i g u r e 2 1 , ( M a k i n e n , Roos, 1 9 7 7 ) ,which shows
t h a t i-hPI f a 1 5 ^ o " f ? h n % ' ^ ï ° " ^ ^ -"il^ "^^^^ ^ ^ h - r a m ? " T h e v e s s e l P r o p u l s i o n ^ ^ ^^^"^ ° ' ^^'^ ^"^d 15, 600 BHP R e s i s t a n c e p a r a m e t e r s . The
r e s i s t a n c e
c a n bebroken i n t o the
r i ^ ' ^ . P ^ ' ' ^ . ^ - ' ^ ^ ^ ^ k i ^ g '
submergence, a c c e l e r a t i o n , f r i c t i o n
vf^^^n^'.^^'t^' ^:^^^°^t 5 ° ^ ^ ^ i^t° t o o
much d e t a i l
a numbero?
fuJcJin^o'i'l-H''^- r e s i s t a n c e p a r t s a r e a
f u n c t i o n o f t h e i c e t h i c k n e s s a n d t h e beam o f t h e vessel One of
t h e dominant p a r t s i s t h e breaking r e s i s t a n c e , which i s a l ^ o f
J e a S z T t h f t ' ^ ? s t r e n g t h Of t h e ice^. i t i s t h e r ^ f ^ r e L p o r t a n t t°
of ttfice i s 3-1-1 TH^^"^^^;^^"^ ^ ° ^^"^^"^ ^ h e a ? s t r e n g t h
nlr. r^l^ ^ }•
^.^^ f r i c t i o n a l s o h a s a g r e a t i n f l u e n c e a n d
c a n
d e t e r i o r a t e w i t h time.
F r i c t i o n i sreduced
b ya p p l y i n g P^ooSr
ÏSbriSaL'?het.i^^%'PP''?>5'°" °' rnechanical sjst^m^s^^wh^ch S i n
i f m i S
s m a l l e r Vh-.^
' ^ ' r . ' ^ ^ ^c o e f f i c i e n t o f f r i c t i o n o f
w e tsnow
i h P ^ r
^ J
J ^ ^ to f
d r ysnow, f r i c t i o n r e d u c t i o n
i s a m u s t ï S n hïÏÏ-''°"^^^^ °^^^"^ bubblers,
h u l ll u b r i c a t i n g
s y s t e m s a n d S o i n n Hsystems.
W i t h aproper i n s t a l l a t i o n
h u l lf r i c t i o n
could
bereduced from
0.15-0.2down
t o 0.05-0.10 ( S t u b b s 1 9 8 7 ?cSnt\"Su'tfna° o a ^ t r ^ ' ^ ^ ^ ^ ' ^ ' ^ ^ ^ ^ ^ s h o t s ' ^ t h e ' m l n
c o n r r i b u t i n g p a r t s ,
i sdiscussed
b y N o b l e e t a l ( l 9 7 8 ) .P r o p u l s i v e p e r f o r m a n c e . The
p r o p u l s i v e performance can
bPmaximized b y i n c r e a s i n g t h e h u l l , r e l a t i v e ro'^zative a n d p r o p e l l e
tti tiï?S^ H- e f f i c i e n c y c a n be increased b y "^ïeduclng
t h e
t h r u s t deduction
a n di n c r e a s i n g
t h ewake f r a c t i o n :
T h i s^ïn
ÏL^^p^nefier^^'i^"'"^ an "easy" f l o w o f water i n t o t h e s t e ? n ?
The p r o p e l l e r performance i s dependent o n t h e clearance of i c e
HowPVP.
7 " ^ ^ " t i o n a l type s t e r n
mayp r o v i d e b e t t e r clearance?
s ? e ? n s
br'alTowin''''°^^"^^"^%^^".^"
"^^^^ ^o t h ef l a t bottomed
^ a l l o w i n g more water i n t o
t h e p r o p e l l e r s . T h u s t h ep e n a l t i e s o f narrow s t e r n decks,
t h a t a r ei n h e r e n t
t o t h eD r a f t r e s t r i c t i o n s . Some o f t h e d e s i g n f e a t u r e s may n o t be v a r i a b l e d u e t o d r a f t r e s t r i c t i o n s . The r e s u l t i s t h a t some o f t h e h u l l f o r m p a r a m e t e r s may n o t b e f u l l y o p t i m i z e d f o r t h e m i s s i o n p r o f i l e . T h r e e b a s i c c h o i c e s e x i s t when d r a f t i s r e s t r i c t e d : 1 . I n c r e a s e b l o c k c o e f f i c i e n t . The LEMEUR h a s a Cb o f 0.75, w h e r e t h e mean f o r a l l t h e s h i p s v a r i e s f r o m 0.5-0.6. 2. I n c r e a s e l e n g t h . S e v e r a l a s p e c t s w i l l b e i n f l u e n c e d , f o r i n s t a n c e t h e m a n e u v e r a b i l i t y , g l o b a l s t r e n g t h . T h e f r i c t i o n -a l c o m p o n e n t o f t h e r e s i s t -a n c e w i l l i n c r e -a s e . 3. I n c r e a s e beam. The s t a b i l i t y w i l l b e i m p r o v e d b u t h e e l i n g w i l l b e more d i f f i c u l t . As m e n t i o n e d a b o v e t h e m o s t i m p o r t a n t p a r a m e t e r i n i c e r e s i s t a n c e i s beam w i d t h . The a d d i t i o n o f t h e r e a m e r s i s h o w e v e r c o n s i d e r e d a s a r e l a t i v e l y s m a l l i n c r e a s e . ROBERT LEMEUR's r e a m e r s f o r i n s t a n c e a r e 50 cm w i d e w h i c h i n c r e a s e t h e beam b y 5.5 %. O v e r a l l p e r f o r m a n c e . Once a l l t h e h u l l f o r m p a r a m e t e r s h a v e b e e n s e l e c t e d , v e s s e l t r a n s i t s i m u l a t i o n s s h o u l d b e made. W i t h a t r a n s i t s i m u l a t i o n m o d e l d i f f e r e n t h u l l f o r m p a r a m e t e r s c a n be o p t i m i z e d . The v o y a g e h a s t o b e c h a r a c t e r i z e d b y i c e a n d open w a t e r c o n d i t i o n s d u r i n g t h e y e a r a n d t h e i c e r e g i m e s h a v e t o be b r o k e n down^ i n t o t h e r e g i m e s d i s c u s s e d i n S e c t i o n 4. The r e s u l t o f a s p e c i f i c t a n k e r t r a n s p o r t a t i o n s t u d y a r e shown i n F i g u r e s 2 2 and 23. The f i r s t F i g u r e shows t h e p e r f o r m a n c e i n i c e o f a 8 0,000 t o n DWT t a n k e r w i t h a b o u t 67,000 BHP. The r e s u l t o f a p a r t i c u l a r v o y a g e s i m u l a t i o n a r e shown i n t h e n e x t F i g u r e , w h i c h shows t h e t i m e s p e n t i n e a c h i c e r e g i m e o r i n o p e n w a t e r f o r t h e 19 p a r t s o f t h e t o t a l v o y a g e . S t a b i l i t v - S u b d i v i s i o n S t a b i l i t y . The s t a b i l i t y r e q u i r e m e n t s f o r t h e s u p p o r t v e s s e l s a r e b r o k e n down i n t o i n t a c t a n d damage. The i n t a c t c r i t e r i a a r e t h e same a s t h e o n e s a p p l y i n g t o c a r g o v e s s e l s . The damage c r i t e r i a d i f f e r b e t w e e n t h e p u r e s u p p l y v e s s e l s a n d t h e i c e b r e a k e r s . The i c e b r e a k e r s n e e d t o c o m p l y w i t h a o n e - c o m p a r t m e n t w h e r e t h e s u p p l i e r s h a v e t o c o m p l y w i t h a t w o - c o m p a r t m e n t s t a b i l i t y . However t h e m a r g i n l i n e c a n b e s u b m e r g e d , p r o v i d e d t h a t t h e GM i s p o s i t i v e a n d t h e r e i s no c o n s e q u e n t i a l d o w n f l o o d i n g . The i n t a c t s t a b i l i t y i s i n m o s t c a s e s a d e q u a t e w i t h GM v a l u e s 2 t o 3 m a b o v e " n o r m a l " . T h e r e f o r e t h e damage s t a b i l i t y i s n o r m a l l y t h e g o v e r n i n g c r i t e r i o n .
t h i r d p a r t o f t h e s t a b i l i t y v e r i f i c a t i o n i s t h e b e a c h e d s t a b i l i t y . I n t h e p a s t a v e r y c o n s e r v a t i v e c r i t e r i o n was a p p l i e d w h e r e t h e v e s s e l was o n l y s u p p o r t e d b y a p o i n t l o a d . I t was p r o v e n h o w e v e r t h a t t h e more r e a l i s t i c c a s e i s w h e r e t h e v e s s e l h a s a l a r g e r i m p r i n t o n t h e i c e , w h i c h s t a b i l i z e s t h e v e s s e l . I t was m e n t i o n e d i n S e c t i o n 6 t h a t t h e v e s s e l s e x p e r i e n c e v e r y l i t t l e i c m g . H o w e v e r a l l s t a b i l i t y c o n d i t i o n s s h o u l d b e a n a l y z e d a s s u m i n g a f u l l i c i n g l o a d . A f i n a l p a r a m e t e r t h a t n e e d s t o b e l o o k e d a t i n t h e d e s i g n i s t h e h e e l i n g o f t h e v e s s e l . The o b j e c t i v e s o f h e e l i n g a r e t o r o l l t h e v e s s e l when s h e h a s become b e s e t i n t h e i c e a n d t o a i d i n t h e m a n e u v e r i n g a n d t u r n i n g o f t h e v e s s e l . S u b d i v i s i o n . The CASPPR R e g u l a t i o n s s t i p u l a t e t h a t t h e a p p l i c a b l e d e s i g n i c e p r e s s u r e s f o r a v e s s e l f i t t e d w i t h s i d e t a n k s , c a n be r e d u c e d . The d e s i g n i c e p r e s s u r e f o r a m i d b o d y p a n e l o f a C l a s s 4 s h i p f o r i n s t a n c e w i l l b e t h e d e s i g n p r e s s u r e f o r a C l a s s 3 s h i p o r 3.65 i n s t e a d o f 4.55 MPa. T h e p r o v i s i o n i s t h a t t h e s e s i d 4 t a n k s may c o n t a i n n o w a s t e a n d h a v e minimum d i m e n s i o n s . F o r t h e C l a s s 2,3 a n d 4 v e s s e l s t h e s e s i d e t a n k w i d t h s a r e 0 . 9 1 , 1.07 a n d 1.22 m r e s p e c t i v e l y . T h e maximum w i d t h i s 1.83 m f o r a C l a s s 10 s h i p . Based o n t h e e x p e r i e n c e w i t h t h e i c e b r e a k e r s a s m e n t i o n e d i n t h e p r e v i o u s S e c t i o n s , i t i s h o w e v e r n o t recommended t o r e d u c e t h e m i d b o d y p r e s s u r e , when a d o u b l e h u l l i s f i t t e d . The p r e s e n t r e g u l a t i o n s d o n o t c o v e r t h e i c e p r e s s u r e s e f f e c t i v e l y a n d e x c e p t I f d e n t i n g o f t h e o u t s i d e p l a t e i s a c c e p t a b l e l o w e r d e s i q n p r e s s u r e s s h o u l d n o t b e assumed. ut^^xyn The s i d e t a n k s t h u s f u l f i l l t w o p u r p o s e s . F i r s t t h e y w i l l c o n t r i b u t e i n t h e s t r e n g t h o f t h e v e s s e l a n d s e c o n d t h e y w i l l p r o v i d e p r o t e c t i o n f o r t h e e n v i r o n m e n t . I n F i g u r e 5 , a n d i n m y r | 24 t h e s e s i d e t a n k s e x t e n d i n g o v e r t h e f u l l l e n g t h o f t h e m i d b o d y c a n c l e a r l y b e s e e n . P r o p u l s i o n The p r o p u l s i o n a r r a n g e m e n t o f a n a r c t i c v e s s e l r e q u i r e s s p e c i a l a t t e n t i o n w h e r e i c e may damage p a r t s o f t h e p r o p u l s i o n t r a i n . E s p e c i a l l y f o r h i g h c l a s s v e s s e l o p e r a t i n g i n r e m o t e a r e a s , s y s t e m r e l i a b i l i t y i s c r u c i a l . L o n g d i s c u s s i o n s h a v e b e e n h e l d S ° 1 ^ ^*P^°.'f ^"^"^ °^ t h e v a r i o u s s y s t e m s . Some o f t h e f ! ! ' ' i ^ f , °f f u l l s c a l e t e s t i n g a s w e l l a s o p e r a t i n g e x p e r i e n c e s a r e g i v e n h e r e u n d e r . ? n ^ ^ r ^ i ^ m i s s i o n p r o f i l e a l s o n e e d s t o b e t a k e n i n t o a c c o u n t i n t h e d e s i g n o f t h e c o m p l e t e s y s t e m . The d e s i g n c r i t e r i a f o r t h e s y s t e m w i l l h a v e t o i n c l u d e r e q u i r e m e n t s f o r b o l l a r d p u l l , f r e e r u n n i n g s p e e d , maximum i c e t h i c k n e s s , u s e o f c o n t i n u o u s p o w e r
m a n e u v e r i n g , e t c . The c o m p l e t e p r o p u l s i o n t r a i n h a s many weak l i n k s , b u t t h e p r o p e l l e r i s n o r m a l l y r e g a r d e d a s t h e w e a k e s t The d i f f e r e n t p r o p e l l e r c h o i c e s a r e t y p i c a l l y o p e n o r n o z z l e d p r o p e l l e r s , w h i c h c a n b e f i x e d o r c o n t r o l l a b l e p i t c h . T h e f i x e d p i t c h p r o p e l l e r ( f p p ) i s more e f f i c i e n t t h a t t h e c o n t r o l l a b l e p i t c h p r o p e l l e r ( c p p ) . However t h e m a c h i n e r y m u s t a b s o r b t h e i c e t o r q u e s . T h e c p p h a s t o h a v e a p i t c h s h e d d i n g m e c h a n i s m i n o r d e r t o a l l o w f o r t h e i c e t o r q u e s . The c p p h a s a s u p e r i o r a s t e r n p e r f o r m a n c e b u t may l o o s e some o f i t s a d v a n t a g e i n n o z z l e . The l a r g e r a t i o o f h u b d i a m e t e r t o p r o p e l l e r d i a m e t e r ( 0 . 4 ) i s t h e r e a s o n i n g . O t h e r means t o r e d u c e t h e p r o p e l l e r l o a d s a r e t h e i n t r o d u c t i o n o f skewed b l a d e s , a n i m p r o v e d w a t e r f l o w i n t o t h e p r o p e l l e r a n d t h e i n t r o d u c t i o n o f s h a r p b l a d e e d g e s . I c e l o a d s : w h a t i s t h e p o s s i b l e m a g n i t u d e o f t h e s e i c e l o a d s and w h a t c a n be done a b o u t them? e x t e n s i v e p r o p e l l e r b l a d e t e s t i n g p r o g r a m o n b o a r d t h e ROBERT LEMEUR i t was f o u n d t h a t h i g h e r f o r c e s w o u l d o c c u r f r o m s i n g l e s h o r t d u r a t i o n i m p a c t s ( L a s k o w e t a l , 1 9 8 5 ) . I c e b l o c k a g e o f t h e n o z z l e r e s u l t e d i n f o r c e s o f s i m i l a r m a g n i t u d e . An e x a m p l e o f a s i n g l e l a r g e i m p a c t i s shown i n F i g u r e 2 5 . I c e l o a d s o n t h e b l a d e s c a n r e a c h u p t o 6 t i m e s t h e o p e n w a t e r h y d r o d y n a m i c l o a d . The f o r c e s a c t i n g o n t h e b l a d e s o c c u r r e d c l o s e r t o t h e r o o t t h a n t o t h e t i p . A l s o s i g n i f i c a n t s h a f t d i s p l a c e m e n t s w e r e f o u n d r e s u l t i n g i n t h e t e m p o r a r y l o s s o f t h e l u b r i c a t i o n f i l m i n t h e b e a r i n g s . P r o p e r s i z i n g o f t h e b e a r i n g s i s t h u s c r u c i a l . I t was a l s o d e m o n s t r a t e d t h a t t h e i c e t o r q u e i n t h e s h a f t l i n e i n c r e a s e d t o a b o u t 200 % o f t h e o p e n w a t e r t o r q u e f o r a n o z z l e p r o p e l l e r . However t h i s t o r q u e i n c r e a s e d t o 500-600 % f o r a n o p e n Pf°P®?;^f^:^°"^ °f t h e r e a s o n s b e i n g t h e s m a l l e r i c e p i e c e s t h a t w i l l h i t t h e n o z z l e d p r o p e l l e r . O v e r a l l t h e b l a d e s o f t h e ROBERT LEMEUR h a v e p e r f o r m e d v e r y w e l l The KIGORIAK h a s h a d some t i p p r o b l e m s a n d t h e r e a s o n s w e r e g i v e n
i n S e c t i o n 6. ^ Gearbox. The g e a r b o x o f t h e KIGORIAK h a s b e e n o p e n e d s e v e r a l
t i m e s a n d no damages h a v e b e e n f o u n d . T h i s d e s p i t e t h e s h a f ^ b e i n g s t o p p e d w i t h i n 1 r e v . The ROBERT LEMEUR i s f i t t e d w i t h a f l y w h e e l i n o r d e r t o r e d u c e t h e l o a d o n t h e s y s t e m . The o n l y m o d i f i c a t i o n made o n t h e KIGORIAK h a s b e e n a m a c h i n i n g o f t h e p i t c h y o k e m e c h a n i s m . A h a r d p o i n t h a d c r e a t e d some s m a l l c r a c k s .
