極地船舶技術(shù)最新動向

中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 吳 剛 張東江

隨著全球氣候變暖、海冰加速融化，極地蘊(yùn)藏的豐富資源和極具價值的北極航道已將極地潛在價值推到現(xiàn)實的高度。然而，要想實施極地戰(zhàn)略，必先發(fā)展適應(yīng)本國的極地船舶裝備。

極地船型的發(fā)展需求

以南北兩極的極地船舶為例，總體上可分為三類：第一類是以北極為目的地的開發(fā)和運輸；第二類是跨北極的過境航行；第三類是在南北兩極開展的科考調(diào)查和研究。這三類代表了不同國家、不同階段對于極地船舶的主要需求。

首先，資源開發(fā)與運輸成為近年來極地船舶發(fā)展的主要動力。據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）2008 年評估，北極油氣儲量巨大，目前全球未開發(fā)油氣儲量的1/4均分布在北極地區(qū)，初步預(yù)計有石油900億桶、天然氣約47.27萬億立方米（1669萬億立方英尺）、天然氣凝析液440億桶，油當(dāng)量總計為565億噸。北極還有豐富的煤炭資源，估計占世界煤炭資源總量的9%。此外還有大量金、銀、金剛石、鈾、銅、鈷、鎳、鉛、鋅、石棉和稀有元素等礦產(chǎn)資源。除了這些不可再生資源外，北極地區(qū)還有豐富的漁業(yè)、水力、電力、森林等可再生的自然資源。

油船方面，受極地資源開發(fā)及運輸帶動，冰區(qū)油船的破冰等級和載重量有增大趨勢。目前，船只數(shù)和總噸位最大的還當(dāng)屬1A冰級（PC7）的阿芙拉型油船，未來波羅的海油船載重噸位將可能從10萬噸提升到27萬噸，同時伯朝拉海還需要7萬載重噸的極地穿梭油船。值得注意的是，芬蘭阿克北極設(shè)計公司（AARC）結(jié)合吊艙推出采用雙動技術(shù)（雙動技術(shù)是采用全回轉(zhuǎn)電力推進(jìn)確保船舶前向和后向均能航行的動力系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)）的新船型，該船型已成功應(yīng)用于1AS冰級（PC5 ～PC6）的7萬噸穿梭油船和11萬噸阿芙拉型原油船（見圖1），該船型球鼻艏能在敞水或波羅的海薄冰環(huán)境下操作，破冰型船尾能在波羅的海嚴(yán)重冰情下獨立操作。此外，瑞典Stena Bulk公司積極開發(fā)各種冰區(qū)油船，其開發(fā)的26.65萬噸具有1A冰級的B-Max型原油船（見圖2）總長325.5米、型寬66米、設(shè)計吃水僅為15米，貨艙容量為31.1萬立方米。該船型采用雙機(jī)雙槳雙舵并有雙船體外殼和堅固的冰帶，主機(jī)功率在惡劣環(huán)境中可提供富余功率，大大提高了冰區(qū)淺水通過性、冰區(qū)航行安全性和操縱性。

圖1 1AS冰級/11萬噸原油船

圖2 1A冰級/26萬噸B-Max型原油船

LNG運輸相對于油料運輸?shù)某杀敬蟠笤黾?，但北極油氣資源相當(dāng)大的部分為天然氣和天然氣液體，因此冰區(qū)LNG運輸船將會是造船界的新寵，雖然其設(shè)計和建造風(fēng)險極高。2012年12月6日，由俄羅斯天然氣工業(yè)股份有限公司全資子公司租賃、希臘Dynagas公司運營的LNG船“鄂畢河”號抵達(dá)日本氣田，成功完成世界首次東北航道LNG運輸。最近，俄羅斯亞馬爾（Yamal）項目將建造一批破冰LNG運輸船（見圖3），這些船具有ARC7（PC3）的破冰能力，能在約1.5米厚的冰中以3 ～5節(jié)的速度持續(xù)航行，每艘LNG運輸船負(fù)責(zé)將17萬立方米的液化天然氣從西伯利亞運往歐洲和亞洲，預(yù)計未來還會將那些需要運作于巴倫支海-亞馬爾半島的LNG船的載貨能力由15.5萬立方米逐步提升到20萬立方米。

圖3 PC3冰級/17萬立方米天然氣運輸船

此外，針對加拿大海上補(bǔ)給和礦石運輸?shù)男枨?，為礦區(qū)運輸貴重礦石和補(bǔ)給的靈便型散貨船，以及可用于鐵礦石出口的好望角型散貨船也在未來需求之列，除此之外，具備高等級冰區(qū)加強(qiáng)的多用途船（見圖4）、集裝箱船和模塊運輸船的研究和設(shè)計也在加緊進(jìn)行。

其次，航程大大縮短且避免海盜的北極航線催生冰區(qū)加強(qiáng)型船舶。北極航線包括“東北航線”、“西北航線”和“中央航道”，中央航道冰情惡劣，目前還未有商船通過的記錄。如圖5所示，東北航線（又稱北海航線 Northern Sea Route，簡稱NSR），它由巴倫支海的摩爾曼斯克沿著西伯利亞海岸，到達(dá)白令海峽和遠(yuǎn)東的北極水域，是連接大西洋和太平洋間的海上捷徑，也是聯(lián)系歐、亞兩地海上的最短航線，該航線目前商業(yè)運作較成熟；西北航線（Northwest Passage）則以白令海峽為起點，向東沿美國阿拉斯加北部離岸海域，穿過加拿大北極群島，直到戴維斯海峽，該航線目前已嘗試商業(yè)運輸。

圖4 PC6冰級/15000載重噸集裝箱多用途船

圖5 東北航線和西北航線西北航線東北航線

東北和西北兩條航線更接近地球表面上兩點的最短連線，是連接太平洋北部與大西洋北部最短的航線。與繞道蘇伊士運河相比，從東北亞地區(qū)駛往歐洲的貨船取道東北航線，大約可節(jié)省20%的燃料費用，同時可避免海盜風(fēng)險，也無需繳納運河通行費，縮短近10天的運輸時間。以從我國上海到荷蘭鹿特丹港的集裝箱運輸為例，若經(jīng)馬六甲海峽、蘇伊士運河，航程約12500海里，需22天；若改走東北航線，航程僅約7500海里，15天即可到達(dá)?？梢灶A(yù)計，北極航線一旦全面貫通，全球海上運輸格局將面臨重大變革，從而導(dǎo)致國際分工和產(chǎn)業(yè)布局發(fā)生連鎖反應(yīng)。

北極航行的商業(yè)運作取決于利潤和風(fēng)險的評估。破冰船引航費用，破冰功率增加導(dǎo)致油耗的增加，動力裝置加強(qiáng)導(dǎo)致的初投資增加，破冰結(jié)構(gòu)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加、載重量減少，防凍設(shè)計導(dǎo)致建造成本增加以及極地運輸貨物保險增加等等，將是制約船東目前決策的主要因素。從1979年以來，北極航道總體上呈現(xiàn)出海冰不斷減少的趨勢，目前東北航道比西北航道更具通航條件，東北航道在冰蓋率低于50%的情況下，通航時間是20 ～30天。據(jù)測算，到2080年通航時間是90 ～100天，如果帶有自破冰能力的船舶可通行在冰蓋率75%的航道中，這一時間在2080年將達(dá)到150天，屆時北極航行的經(jīng)濟(jì)性將更加凸顯。對我國而言，目前來自俄羅斯的石油、天然氣能源輸入較多采用管線運輸，北極航線船舶運輸?shù)呢浧分饕€是礦石、零散的大件貨和包裝貨。

其次，極區(qū)環(huán)境和資源調(diào)查的迫切需求加快各國更新極地科考破冰船。除俄羅斯、芬蘭、加拿大、美國等環(huán)極地國家需要專門用于救助、港口管理的專業(yè)破冰船外，其他大多數(shù)國家的港口冬季不結(jié)冰或冰情不嚴(yán)重，不需要大量的專業(yè)破冰船，因此非極地國家首先要造的破冰船應(yīng)該是極地科考破冰船。上世紀(jì)80年代末至90年代中期，國際南極考察活動進(jìn)入新的時代，北極考察活動全面解凍，一批極地科考破冰船誕生，其中，德國、俄羅斯、澳大利亞、美國、瑞典、日本等國的第一代極地科考破冰船陸續(xù)下水投入使用。由于船舶生命周期、新規(guī)則規(guī)范出臺與涉及極地海洋經(jīng)濟(jì)政治的戰(zhàn)略需求，近年來，各國開始建造或計劃建造第二代極地科考破冰船，這些國家包括俄羅斯、德國、挪威、澳大利亞、美國、韓國和南非等?？傮w上說，新一代極地科考破冰船的特征是破冰能力更強(qiáng)大且船體規(guī)模大型化。以歐盟最新投資的“北極光”號科考船為例（見圖6），該船投資巨大，建成后的破冰能力將達(dá)到2.5米。

圖6 歐盟新一代“北極光”號科考破冰船

“雪龍”號作為我國第一代極地科考破冰船，自1993年從烏克蘭進(jìn)口，已歷經(jīng)幾次大的改造，為我國極地事業(yè)屢建功勛。為滿足極地科學(xué)考察的需要，緩解長期以來制約我國極地科考事業(yè)發(fā)展的裝備瓶頸問題，國家海洋局和中國極地研究中心正在積極籌建我國新一代極地科學(xué)考察破冰船（見圖7）。經(jīng)論證，該船將設(shè)計成一艘具備PC3冰級采用全回轉(zhuǎn)電力推進(jìn)系統(tǒng)的極地綜合科考船，具備雙向破冰功能，艏向和艉向航行均能破水平冰厚度不低于1.5米加0.2米雪，連續(xù)破冰速度2 ～3節(jié)。該船艏向航行時具有沖撞破冰的能力，艉向航行時能確保在當(dāng)年20米冰脊（含4米堆積層）加0.2米雪層中不被卡住，能獨立運行。

極地船舶技術(shù)發(fā)展特點

圖7 中國新一代極地科考破冰船

極地船舶從功能上大致可分為極地運輸船、極地科考船、極地海洋工程船和專業(yè)破冰船等。極地船舶與常規(guī)船舶的不同之處在于：高要求的船體強(qiáng)度，船舶要能承受冰壓力和沖擊載荷；強(qiáng)勁的動力設(shè)備包括推進(jìn)機(jī)械，確保船舶在冰中不失去動力；可靠的設(shè)備系統(tǒng)在低溫環(huán)境中能正常運行，確保航行安全。

2006年，國際船級社協(xié)會（IACS）頒布了《極地級船舶要求》，將極地船破冰等級分為PC1至PC7級，PC1級破冰能力最強(qiáng)，PC7級最弱。

IACS《極地級船舶要求》適用于航行于極地并獲取PC 船級符號的船舶，其中最低的兩個等級PC6 和PC7 分別近似對應(yīng)于芬蘭-瑞典冰級規(guī)則中最高的兩個等級IA Super 和IA。IACS 建立統(tǒng)一的極地級船舶要求后，直接導(dǎo)致有關(guān)船級社冰級規(guī)范的更新和改版，特別是以前自身船級規(guī)范中已具有超出FSICR 系統(tǒng)的更強(qiáng)冰級要求的船級社，這些船級社需要逐步將超出FSICR 系統(tǒng)對應(yīng)的冰級符號，統(tǒng)一到IACS 建立的PC 級要求中。目前有部分船級社已完成了新規(guī)范的改版和升級，但是，船級社要想通過完全的映射，從而將過去自身的冰級規(guī)范與當(dāng)前統(tǒng)一的極地船級一一對應(yīng)，卻并不容易，特別是DNV船級規(guī)定。例如冰級劃分的等級數(shù)目不同，船體有關(guān)冰帶、首尾加強(qiáng)區(qū)域的定義不同，所要求的腐蝕與磨損裕量不同，扶強(qiáng)材模數(shù)、剪切面積及質(zhì)量要求不同，采用彈性或塑性理論計算方法引起的不同等，都會導(dǎo)致無法建立簡單的冰級等效關(guān)系，尤其是IACS PC 級船舶要求中還缺少最小主機(jī)功率的要求，這些都將成為極地船舶規(guī)范后續(xù)所要面臨的發(fā)展。

此外，國際海事組織（IMO）自1993成立外部工作組（Outside Working Group，簡稱OWG），由加拿大牽頭負(fù)責(zé)制定船舶在極地水域作業(yè)的建議性要求到當(dāng)前即將強(qiáng)制實施的統(tǒng)一的《極地規(guī)則》，經(jīng)歷了從冰區(qū)到極地，從北極到南極，從導(dǎo)則到規(guī)則的歷程。目前的強(qiáng)制性極地規(guī)則將極地航行船按航行水域劃分為A、B、C三類，A類船是指被設(shè)計能在一年及一年以上中冰（可包括混雜老冰）的極地水域中航行的船舶，通常指PC1 ～PC5冰級的船舶。B類船系指除A類船以外的，被設(shè)計成能在一年及以上薄冰（可包括混雜老冰）的極地水域中航行的船舶，通常指PC6 ～PC7冰級的船舶。C類船系指被設(shè)計能在開闊水域或冰況低于A級和B級船舶適用的水域中航行的船舶。

目前，極地船舶技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)出三大特點：

一是在具備護(hù)航的前提下，冰區(qū)加強(qiáng)的船舶可季節(jié)性地在極區(qū)通航，因此在新船設(shè)計中，B類極地船（PC6、PC7）的冰區(qū)加強(qiáng)船型將成為重點優(yōu)化方向。

近幾年，北極航線成功商業(yè)運 行 均 是 由PC6 或PC7 冰 級 的運輸船扮演著主要角色。2009 年8 月，德國布魯格航運（Beluga Shipping）使用重吊多用途船（GL E3=PC7）運送44 件重大件從韓國蔚山經(jīng)俄羅斯諾維港到達(dá)荷蘭鹿特丹；2010 年9 月，挪威楚迪船運（Tschudi Group）的抗冰散貨船運載41000 噸鐵礦石從挪威希爾科內(nèi)斯港到達(dá)中國 連 云 港；2010 年9 月， 俄 羅斯MMC NorikskNickle 公 司以15000 載重噸集裝箱多用途船（RMRSLU6=PC6）從俄羅斯杜金卡港運送集裝箱到達(dá)中國上海；2013 年9 月，中國“永盛”號貨船（1AIceClass=PC7）也順利完成東北航線的首航。

二是運輸船設(shè)計強(qiáng)調(diào)無冰（或薄冰）航行與破冰航行的經(jīng)濟(jì)平衡。自上世紀(jì)90年代以來，由于全回轉(zhuǎn)推進(jìn)技術(shù)的日益成熟和廣泛應(yīng)用，阿克北極設(shè)計公司投入力量研發(fā)基于吊艙應(yīng)用而衍生出的雙動技術(shù)。雙動技術(shù)從船舶的機(jī)動性上看，傳統(tǒng)軸系推進(jìn)對于船舶航行方向的制約作用已幾乎不復(fù)存在，這些制約作用主要來自軸系槳正倒車效率和碰冰損壞等問題；從動力形式來看，由于雙動技術(shù)采用了電力推進(jìn)，在遭遇嚴(yán)重冰情而導(dǎo)致螺旋槳轉(zhuǎn)速下降時，扭矩特性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)柴油機(jī)推進(jìn)?；诖思夹g(shù)成功開發(fā)的雙動船型已在多型運輸船（尤其是冰區(qū)油船）上得以應(yīng)用（見圖8）。應(yīng)該認(rèn)識到，雙動技術(shù)較好地融合了電力推進(jìn)、全回轉(zhuǎn)推進(jìn)以及雙向航行的設(shè)計技術(shù)，研發(fā)的初衷主要是為了協(xié)調(diào)破冰航行和敞水航行的線型差異所帶來的經(jīng)濟(jì)性問題。需要指出的是，由于電力推進(jìn)的二次能量損失和冰區(qū)吊艙設(shè)備的采購成本影響，雙動技術(shù)在需要有破冰船引航、破冰等級較低的船型上較少采用，因此，未來低等級冰區(qū)加強(qiáng)型船型的軸槳推進(jìn)技術(shù)仍將是研究重點。

圖8 世界首艘雙動破冰穿梭油船“Vasily Dinkov”號

三是新型不對稱專業(yè)破冰船型出現(xiàn)。由于專業(yè)破冰船的特殊功能和功率需求，破冰船不可能做得太大，特別是船寬對最大破冰功率的影響極大（傳統(tǒng)船寬一般在20米左右），但是，隨著船舶運輸需求和航道港口的發(fā)展，需要破冰領(lǐng)航的船舶寬度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于20米，這時需要兩艘船同時進(jìn)行破冰，大大提高了破冰成本。針對這種情況，新型不對稱船體的專業(yè)破冰船得以應(yīng)用。通過該船破冰時的斜向航行，破冰寬度大大提高，這種船型的出現(xiàn)是全回轉(zhuǎn)推進(jìn)技術(shù)和破冰船型技術(shù)融合的創(chuàng)新（見圖9）。

四是合理確定極區(qū)航行季節(jié)和時間，采取適當(dāng)?shù)姆蓝O(shè)計。在極區(qū)通行時，通常的船用設(shè)備系統(tǒng)都將經(jīng)受嚴(yán)酷的環(huán)境考驗，貨物系統(tǒng)、甲板機(jī)械、系泊設(shè)備、救生設(shè)備及室外電器設(shè)備等均有不同的要求。防冬化設(shè)計與船舶的建造成本有非常密切的關(guān)系，特別是當(dāng)航行時間越接近全年，成本增加的速度就越快，因此，對于全年航行在極區(qū)的船舶建造必須謹(jǐn)慎對待。

圖9 新型不對稱船體專業(yè)破冰船

我國發(fā)展極地船舶的若干建議

一是積極參與極地規(guī)則制訂，加快推進(jìn)我國極地船規(guī)范建設(shè)與研究；

二是加快推進(jìn)當(dāng)前我國新一代破冰科考船項目，提供設(shè)計/ 建造/ 驗船等方面的實際經(jīng)驗，時機(jī)成熟可建自有冰池；

三是建立健全極地航運市場的設(shè)備配套及相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；

四是大力培育富有經(jīng)驗的極地船舶操縱和管理人員，努力形成適用于我國成熟的極地航行操作指導(dǎo)書；

五是重視非冰級船舶升級到冰級船舶的改裝技術(shù)，同時關(guān)注核動力破冰船的發(fā)展；

六是不斷完善我國北極航線的氣象與保險服務(wù)，同時加快北方港口設(shè)施和物流建設(shè)。

地球兩極雖存在氣溫極低、冰塊雜多、天空昏暗、距離遙遠(yuǎn)、操作不便、難以救援、環(huán)境脆弱、政治敏感等風(fēng)險，但由于諸多因素，現(xiàn)已成為“必爭之地”。為此，我國有關(guān)部門需盡早認(rèn)知、熟悉并善加利用，有效地降低潛在風(fēng)險，因為只有消除潛在風(fēng)險，未來的極地才能成為我們真正的“聚寶地”和“黃金航線”。