國產冰級LNG船離我們還有多遠？

鐘航

近日，韓國大宇造船海洋建造的全球首艘自破冰17.2萬立方米液化天然氣（LNG）船“SCF Yamal”號在其巨濟船廠下水。該船是大宇造船海洋接獲的系列冰級LNG船中的首制船，預計將于2016年年底交付，屆時將服務于俄羅斯亞馬爾天然氣（Yamal LNG）項目。作為全球首批滿足俄羅斯船級社（RS）冰區航行最高入級符號“Arc7”要求的大型LNG船，該型船一直是業內關注的焦點。由于國際油價低迷，天然氣田開發速度放緩，LNG船市場也面臨壓力。得益于大型冰級LNG船建造能力，大宇造船海洋于2014年“鯨吞”了亞馬爾項目全部15艘冰級LNG船。該型船造價高達3.16億美元，大宇造船海洋因此不僅成為“第一個吃螃蟹的人”，而且在獲利不菲的同時成功削弱了船市下行的影響。

近年來，隨著國際社會越來越重視極地開發，冰區加強船舶成為新寵。在中國船舶工業轉型升級加速推進的當下，掌握冰級LNG船的設計與建造本領無疑具有雙重意義。對此，滬東中華造船（集團）有限公司開發研究所LNG船主任設計師宋煒表示，與常規LNG船相比，具有自破冰能力的冰級LNG船除需要“身強體壯”、動力強勁外，還需具備全面防凍防冰能力，在船體結構、動力系統、甲板設備與管系、液貨艙圍護系統及其他配套設備方面有很多特殊要求，國內相關技術儲備較為薄弱。如想進入該領域，船企需先行對設計方案、試驗手段、焊接工藝等進行攻關，或者先從無自破冰能力的冰級LNG船入手。

防凍防冰細致入微

極地極端惡劣的自然氣候條件決定了不論LNG船是否具備自破冰能力，都必須在每一個細節上考慮防凍問題。破冰型LNG船的船體需采用特殊的低溫耐撞鋼板，這種鋼板需要采用特殊的焊接工藝裝焊；船體冰帶區域需涂裝特殊的耐磨耐低溫油漆；采用的破冰艏往往有特殊的入水角度要求，以利于船舶推開浮冰。

一般而言，冰級LNG船在水下與水面上的防凍需求略有不同。在水下，海水吸入與排出裝置需進行特殊處理。冰級LNG船除常規布置的海底門外還需在船體底部增設防冰海底門，以確保海水取水口的暢通，海底門箱體要設置迷宮式的冰水分離結構，利用水密度大于冰的物理性質，形成冰水的分層，吸入的浮冰將漂浮到箱體上部，而泵組的取水口設置在箱體的下部，這樣可以大大減少吸入海水時摻雜的碎冰，進而防止碎冰破壞船用設備。當海水排出時，設計人員必須考慮出水口被冰塊封堵的可能，一般會采取舷旁箱體結構來替代常規的排水口，以消除上述隱患。同時，LNG船的壓載艙必須配備壓縮空氣吹泡系統或微循環系統，保證壓載水始終處于流動防凍狀態。在水面上，壓載艙的透氣帽和各艙透氣桅的管路出口均需加裝加熱裝置，防止結冰。由于氣動壓縮空氣中含有的微量水分在低溫時可能會在氣動執行機構上產生結冰，為確保甲板動力執行設備和管系的可靠運行，甲板動力設備和閥門遙控系統需考慮采用液壓傳動，確保低溫時的可靠運行。全船在甲板面、艙室通風口、艙室的門窗、甲板工作站、重要的燃油和消防管系、主要的甲板通道和逃生通道等處需設置大量的加熱、伴熱布置，加熱方式主要選用電加熱或熱油加熱，其效率高于常規的蒸汽加熱，也能夠防止凝水系統的結冰問題。

上述設計僅僅能滿足船舶極地航行的需求，要具備自破冰能力，LNG船還需有較強的沖擊載荷承受能力。眾所周知，破冰船的破冰作業大致分為兩種，一是依靠船艏壓裂冰層，二是通過反復沖撞擊碎冰層。不論哪種情況，破冰船在破冰時或在冰區通行擊打到浮冰時承受的瞬間沖擊載荷都將達到航行時的2～4倍。如此巨大的沖擊載荷，需要非常強勁的推進系統，這對軸系的設計帶來了諸多挑戰。如常規柴油機的曲軸可以采用紅套工藝或整體鍛造工藝制造，但是在遇到這種大幅度的沖擊載荷時，紅套工藝制成的曲軸極易發生滑脫變形，要可靠應對這種工況，必須采用整體鍛造的曲軸。設計人員只有在充分開展計算流體力學（CFD）軸系受力分析后，結合工藝和運轉特性，才能選定軸系的材料、加工工藝。值得一提的是，雖然電力推進能滿足低轉速高扭矩的工況要求，但是減速齒輪箱的抗沖擊能力較弱，其更加適用于主動力設備在艏部的船型。宋煒指出，柴油機直推效率較高，系統抗沖擊性能好，適用于主機位于艉部的船型，也可用于冰級LNG船。此外，冰級LNG船在破冰作業時船體將不可避免產生震蕩，LNG船的液貨艙圍護系統需要考慮額外加強措施，以應對這些沖擊；沖擊還會造成液貨艙內天然氣的揮發量增大，使得揮發氣處理工況較為復雜。

腳踏實地從易到難

2014年11月21日，國際海事組織（IMO）海事安全委員會第九十四屆會議正式通過了具有強制性的《極地水域船舶航行國際準則》。這意味著自2017年1月1日起，所有通航極地的船舶都必須取得相應證書，除了空氣污染物的排放需滿足Tier Ⅲ標準以外，各類污水和生活垃圾都要實現零排放。因此，冰區LNG船還需加裝污水、垃圾處理裝置及巨大的收集艙，以使其至少滿足1個月航行的需求。如果說，現有雙燃料動力方案已對LNG船的艙室布置提出了很高的要求，那么在此基礎上滿足《極地準則》的要求，將進一步加重船企和船東的負擔。

基于上述各種特殊要求，考慮到國內技術準備尚才起步，宋煒認為，國內船企可先從不具備自破冰能力的冰級LNG船入手。就北極航道的開發來說，目前存在兩種模式。一是具有自破冰能力的船舶單槍匹馬通航極地航線，這些航線鮮有其他船舶通過，亞馬爾項目即屬此例。二是利用一定數目的破冰船在窗口期維持某一航道暢通，使一定數量的冰區加強船舶能利用這一航道。因此，即使是不具備自破冰能力的冰區LNG船也有相應的市場潛力。對標國內外，國內的技術短板主要是設計經驗不足、沒有冰池試驗條件、對極地航行的特殊操作要求了解不深等。“大宇造船海洋的建造經驗表明，自破冰LNG船的建造難度要超過常規LNG船。國內船企可以先從特殊鋼板的焊接工藝等具體工作入手，加強與外部的技術合作，善加利用船東反饋的信息，逐個解決上述難題。”宋煒說。