極地雙向推進(jìn)破冰油船的開發(fā)與設(shè)計

湯國民

（上海宏華海洋油氣裝備有限公司，上海 201206）

極地雙向推進(jìn)破冰油船的開發(fā)與設(shè)計

湯國民

（上海宏華海洋油氣裝備有限公司，上海 201206）

為經(jīng)濟(jì)、快速地將北極地區(qū)豐富的石油資源運往亞洲地區(qū)，針對北極的氣候和冰情，設(shè)計一艘采用雙向推進(jìn)方式并帶有破冰功能的阿芙拉型原油運輸船，并為該船設(shè)計一條合適的東北航道。該船能在夏秋季節(jié)的3個月沿東北航道航行，將英國北海油田及俄羅斯西伯利亞油田的原油運輸至東亞港口，其余時間可在北海和波羅的海區(qū)域作為穿梭油船或常規(guī)航線上的普通阿芙拉油船運營。詳細(xì)闡述航道細(xì)節(jié)及該雙向推進(jìn)油船的設(shè)計思路和主要特點，并對其運營經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

北極航線；東北航道；破冰油船；雙向推進(jìn)；設(shè)計思路

0 引 言

隨著全球氣候變暖，北冰洋海冰加速融化，北極地區(qū)蘊(yùn)藏的豐富資源（蘊(yùn)藏有30%的天然氣和13%的石油）和該地區(qū)極具戰(zhàn)略價值的航道，都在從潛在利益變成現(xiàn)實利益，世界各國對其展開的爭奪日益激烈。

著名的北海油田即在北極區(qū)域內(nèi)，世界石油市場上約有6.4%的貨物來源于此，如何經(jīng)濟(jì)而快速地將北極地區(qū)豐富的石油資源運往亞洲地區(qū)是一個長期存在的難題。

1 北極航道概況

北極航道分為“西北航道”和“東北航道”，其中：西北航道東起美國和加拿大東海岸，向西穿過加拿大北極群島，經(jīng)波弗特海和白令海峽抵達(dá)美加太平洋港口；東北航道被譽(yù)為亞歐間最經(jīng)濟(jì)的航道，全長約2936n mile，從北歐出發(fā)，向東穿過北冰洋巴倫支海、喀拉海、拉普捷夫海、新西伯利亞海和楚科奇海等五大海域，直到白令海峽。

根據(jù)瑞典斯德哥爾摩國際和平研究所的報告，若開通北極航線，則從我國上海到德國漢堡的航程可比途經(jīng)馬六甲海峽和蘇伊士運河的航線縮短約6400km，且可省去為防海盜而支付的高昂的保險費用。據(jù)英國《金融時報》[1]報道，根據(jù)美國海軍的預(yù)測，民用船舶最早可于2035年在無冰期穿行北極海域，這將大幅縮減歐亞與北美之間的航行時間和費用。據(jù)英國科學(xué)新聞網(wǎng)站[2]報道，根據(jù)英國雷丁大學(xué)研究人員的預(yù)測，北極第一個無冰夏季將出現(xiàn)在2052年左右，這比此前預(yù)測的提前了9a，此外，北極無冰將使穿越北極的航運成為現(xiàn)實。據(jù)法新社報道，目前全球冰川厚度平均每年減少50～150cm，這是20世紀(jì)平均水平的2～3倍。

對我國的海外貿(mào)易而言，北極航道的商業(yè)價值十分明顯。利用北極航道將大大拉近我國市場與歐洲、北美等地市場的距離，例如：從我國沿海諸港到北美東岸的航程約比途徑巴拿馬運河的傳統(tǒng)航線縮短2000～3500n mile；從我國沿海諸港到歐洲各港口的航程更是大大縮短（見表1）。通過采用北極航道，在大大縮短航程，節(jié)約大量開支、時間和能源的同時，還可省去防海盜所需支付的高額保險費用。由于海盜猖獗，在2008年9月至2009年3月間，船舶通行亞丁灣和蘇伊士運河時僅保險費用就較以往增加10倍以上[3]。

表1 我國沿海諸港最便捷遠(yuǎn)洋航線與北極航線海運里程差 n mile

2 東北航道的設(shè)計

根據(jù)相關(guān)權(quán)威部門提供的最新東北航道的夏秋季冰情和水深，設(shè)計一條適合15m吃水的阿芙拉型油船航行的東北航道，沿途經(jīng)過北海、挪威海、巴倫支海、喀拉海、拉普捷夫海、東西伯利亞海、楚克奇海、白令海、西太平洋、日本海和我國東海。

3 夏秋季通航時間的預(yù)測與設(shè)計

根據(jù)有關(guān)專家通過氣候模式預(yù)測的21世紀(jì)東北航道通航季節(jié)的變化趨勢，以50%海冰密集度準(zhǔn)則判斷，未來30a東北航道的通航時間至少可達(dá)到2個月。若以破冰船考慮，75%的海冰密集度也適合通航，在這種情況下，東北航道的通航時間可達(dá)到3～4個月。

本文研究的極地破冰油船在東北航道航行的時間設(shè)計為夏秋季3個月，根據(jù)航道的典型冰情，估算出各時間段的單個航次所需的倒退破冰時間（見表2）。

由表2可知：9月1日—10月1日，東北航道全線開通，無須破冰；8月1日—8月31日，海冰快速融化，海冰最大厚度約1.0m，破冰耗時約2.4d；7月1日—7月15日，破冰距離約700n mile，海冰最大厚度約1.0m，破冰耗時約8.3d；10月1日—10月15日，海冰厚度在1.0m以下，破冰距離約1000n mile，破冰耗時約7.7d。

在1a當(dāng)中的其余9個月，由于東北航道所在區(qū)域的海冰密集、強(qiáng)度高，不利于通航，此時該船可在非北極區(qū)域的航道航行。

4 破冰油船的開發(fā)與設(shè)計

4.1 破冰油船設(shè)計理念

阿芙拉型船符合平均運費指數(shù)（被稱為“運費型船”），一般以運費收入與成本開支的最佳收益點為核心設(shè)計，可方便地進(jìn)入北美的大多數(shù)港口，經(jīng)濟(jì)性良好。因此，該船的主尺度參照常規(guī)阿芙拉型油船，并自帶破冰功能，在夏秋季北冰洋冰情緩解時沿東北航道航行，將原油從北海運輸至東亞港口。

采用何種破冰方式（船首破冰或船尾破冰）更有效率及采用何種破冰方式更適合該船是必須首先考慮的問題。在查詢大量資料后發(fā)現(xiàn)：運輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性不僅取決于船舶在冰區(qū)航行的效率，還取決于在敞水中航行的效率。若采用船首破冰，則船首須設(shè)計成破冰艏，船舶在敞水中的航行效率將大打折扣，而該船每年約有9個月是在敞水區(qū)航行的，在沿東北航線航行的3個月中，單航次破冰時間較短（如表2所示），采用船首破冰勢必會大大影響營運的經(jīng)濟(jì)性。

多家權(quán)威機(jī)構(gòu)（包括破冰船專業(yè)機(jī)構(gòu)——芬蘭阿克爾北極技術(shù)公司）在研究后發(fā)現(xiàn)，采用吊艙式推進(jìn)器的船舶利用艉部向后倒退破冰的效率比利用艏部破冰更高。

綜合以上因素，該船最后決定采用艉部倒退破冰的方式，船首采用球鼻艏，即采用雙向推進(jìn)模式：在敞開水域和有薄冰的海況下，以艏部向前航行，球鼻艏可使船舶高效航行；在冰情嚴(yán)重的海況下，采用破冰型艉部向后破冰推進(jìn)。

通過查閱大量有關(guān)油船、破冰船和極地冰情的資料信息，結(jié)合相關(guān)的破冰船設(shè)計理念[4-7]，按照相關(guān)的船級社規(guī)范、國際船級社協(xié)會（International Association of Classification Societies，IACS）的《極地船級社要求》[9]和國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）的《在極地水域內(nèi)船舶航行指南》[10]，并咨詢包括挪威船級社（Det Nerske Vorites，DNV）、美國船級社（American Bureau of Shipping，ABS）、漢堡水池、瑞典水池和中國極地研究中心等相關(guān)權(quán)威機(jī)構(gòu)，確定該船的設(shè)計理念為：主尺度接近常規(guī)阿芙拉型油船，載重量在11萬～12萬t，配置2臺15MW的吊艙式電力推進(jìn)器，設(shè)計航速為15kn，采用艉部倒退方式破冰，破冰厚度為1.5m加30cm的雪；夏秋季沿東北航道航行，其余時間在蘇伊士運河或北海、波羅的海區(qū)域內(nèi)作穿梭油船使用；設(shè)計冰級為PC5（極地船級，即全年在中等厚度的當(dāng)年冰齡狀況（可包括舊夾冰）下航行)。

4.2 船型概況

該船的主尺度和艙容與常規(guī)阿芙拉型油船相近，具有優(yōu)秀的艉部倒退破冰功能，艉部線型有特殊設(shè)計。

該船配置2臺15MW的吊艙式電力推進(jìn)器，同時配備柴油發(fā)電機(jī)組；設(shè)置6對貨艙和1對污油水艙，可同時裝載3種不同品位的貨油；泵艙包含3臺大型貨油泵，每臺的裝卸效率為3000m3/h；壓載泵布置在泵艙內(nèi)，所有的泵均由電力驅(qū)動。

該船的燃油采用重燃油，艏部與艉部各設(shè)置一對燃油艙，SOx和NOx洗滌裝置安裝在機(jī)艙棚內(nèi)，壓載水處理裝置布置在機(jī)艙內(nèi)。為適應(yīng)北極寒冷的氣候，在主甲板上設(shè)置一個封閉的管弄空間，以便于布置和保護(hù)甲板管系。艏部采用鯨背型甲板，以保護(hù)甲板上的設(shè)備（錨機(jī)、系泊絞車等）；人員配置定為 25 人。

4.3 船級符號和總布置圖

該船的總布置圖見圖1。

4.4 主尺度及主要參數(shù)

該船的主尺度及主要參數(shù)見表3。

表3 極地破冰油船主尺度及主要參數(shù)

4.5 總體分艙布置

1 ) 該船為原油船，須符合MARPOL 公約的有關(guān)要求。根據(jù)MARPOL ANNEX 1的要求，通過計算可得：舷側(cè)雙殼距離為2.4m，雙層底高度為2.4m。由于船寬較大，故設(shè)置中縱艙壁以提高穩(wěn)性。

2 ) 設(shè)置6對貨艙，艉部第6貨艙的后部根據(jù)MARPOL公約的要求配置一對污油水艙。貨艙區(qū)設(shè)置L形壓載艙，從舷側(cè)雙殼一直延伸到雙層底。貨艙的前面設(shè)置重燃油艙，艏尖艙設(shè)置為壓載艙。

3) 不設(shè)置艏樓。污油水艙之后是泵艙。機(jī)艙位于艉部，包括柴油發(fā)電機(jī)組、鍋爐和其他所有設(shè)備，洗滌裝置布置在機(jī)艙棚內(nèi)。其后相鄰的電力推進(jìn)器艙布置所有必需的電力設(shè)備（變壓器、變頻器等）。

4 ) 艉部末端設(shè)置艉尖艙（作壓載艙）。不設(shè)置艉樓，但主甲板往上設(shè)有6層甲板室。駕駛室位于升高甲板之上，設(shè)計成艏艉雙向都可操縱船舶。

4.6 機(jī)艙和泵艙布置

該船機(jī)艙和泵船主要包含的設(shè)備有：4 臺主發(fā)電機(jī)組和1臺港口發(fā)電機(jī)組；1臺應(yīng)急發(fā)電機(jī)組；2 臺燃油鍋爐；3臺貨油泵。

4.7 遵循的主要設(shè)計規(guī)范

1 ) 共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（Common Structure Rules，CSR）（油船）；

2 ) IMO 2014年通過的強(qiáng)制性的《極地水域船舶航行國際準(zhǔn)則》；3) IACS 2006年頒布的《極地船級要求》。

4.8 破冰能力和速度及航速預(yù)估

委托漢堡水池對該船進(jìn)行破冰能力的模擬計算，結(jié)果顯示：在滿載（吃水=15.0m），且2臺電力推進(jìn)器的推進(jìn)功率均達(dá)到15MW的狀態(tài)下，該船能以約2.5kn的航速破1.5m的冰加30cm的雪；在壓載（吃水=8.0 m）狀態(tài)下，該船能以3.5kn的航速破1.5m的冰加30cm的雪。破冰計算結(jié)果見圖2和圖3。該船在敞水中的航速（吃水=15.0m）估算結(jié)果見圖4。

4.9 環(huán)境溫度與鋼材等級選擇

東北航道處于低溫嚴(yán)寒帶，在考證該地區(qū)最新的一些破冰型運輸船的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)之后，最終設(shè)定該船的環(huán)境溫度為-40℃。

根據(jù) IACS極地船級規(guī)定，授予的極地冰級附加標(biāo)志及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料等級應(yīng)滿足相關(guān)要求[8]，即：極地船舶的露天和暴露于海水中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料等級應(yīng)不小于“極地船舶結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料等級”和“露天板材的鋼材等級”兩表中的規(guī)定，以及連接于露天和暴露于海水中的船體外板上的構(gòu)件由“連接于露天板材的舷內(nèi)骨架構(gòu)件的鋼級”一表給出。

因此，該船與外界相鄰的外板和甲板需使用相應(yīng)的鋼材等級E，以防止發(fā)生低溫冷脆性破壞。

4.10 船體冰區(qū)加強(qiáng)

按照IACS的要求，該船必須適用《極地船級要求》(Polar Class)。在考慮該船在北極地區(qū)航行的時間段與破冰能力之后，認(rèn)為適合選用PC5 等級[9]，船體結(jié)構(gòu)按照該冰級的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行冰區(qū)加強(qiáng)。

該船是以艉部倒退破冰的方式航行的，其艉部的功能類似于破冰船的艏部，因此該船的冰區(qū)劃分參照IACS中的冰區(qū)[10]劃分并進(jìn)行艏艉交換，得到了船級社認(rèn)可。圖5為冰區(qū)劃分圖，具體劃分為：艏部區(qū)（B）、艏部過渡中部區(qū)（BIi）、艏部過渡區(qū)下部（BIl）、艏部過渡區(qū)底部（BIb）、船中區(qū)（Mi）、船中區(qū)下部（Ml）、船中區(qū)底部（Mb）、艉部區(qū)（Si）、艉部區(qū)下部（Sl）和艉部區(qū)底部（Sb）。

該船中部冰帶區(qū)域不變，艉部破冰區(qū)域分為艉部和艉部過渡區(qū)域，按照《極地船級要求》中的艏部及艏部過渡區(qū)域進(jìn)行計算，該船的球鼻艏部分按照《極地船級要求》中的艉部進(jìn)行計算加強(qiáng)。

該船為艉破冰型船舶，因此對艉部結(jié)構(gòu)的要求較高。根據(jù)《極地船級要求》，自貨艙后端壁（包括泵艙外板）向后進(jìn)行艉部破冰區(qū)域的加強(qiáng)。艉部直接接觸冰載荷部分，艉部外板用橫骨架式，艉部傾斜平直部分局部采用縱骨架式。

4.11 吊艙式電力推進(jìn)器的應(yīng)用

該船采用電力推進(jìn)系統(tǒng)，安裝有2臺吊艙式電力推進(jìn)器及吊艙控制系統(tǒng)，可使船舶向前或向后航行，并可使船舶原地360°回轉(zhuǎn)，便于船員選擇操縱船尾進(jìn)行破冰。目前，吊艙式推進(jìn)器的供應(yīng)廠商主要是羅爾斯-羅伊斯、西門子、ABB和瓦特西拉等4家。

在綜合分析各廠商的產(chǎn)品之后，決定采用ABB 公司的Azipod VI 吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)。該系列產(chǎn)品專為冰區(qū)船舶設(shè)計，主要應(yīng)用于冰級為 1AS 和更高級別的船舶，已被世界各大船級社認(rèn)可，市場占有率較高。

Azipod VI電力推進(jìn)系統(tǒng)具有卓越的操控性，裝有變頻調(diào)速裝置，可準(zhǔn)確控制船舶螺旋槳的運行速度，不僅具有一流的水動力和運行效率，還具有很好的節(jié)油性，與傳統(tǒng)的軸系推進(jìn)系統(tǒng)相比最多可節(jié)約20%的燃油，能大大降低燃油成本并顯著減少溫室氣體排放。此外，該推進(jìn)系統(tǒng)還具有噪音低、體積小的優(yōu)點，便于設(shè)計人員更有效地利用艙內(nèi)空間。

5 經(jīng)濟(jì)性簡析

該船的設(shè)計初衷是夏秋季沿東北航道航行，其余時間段作為穿梭油船使用或在常規(guī)航線上運營。相比靈便型、巴拿馬型或蘇伊士型船舶，阿芙拉型船舶具有經(jīng)濟(jì)性佳的特點，且便于進(jìn)入北美大多數(shù)港口，因此是該船最佳的船型選擇。

目前阿芙拉型油船的造價為4200萬～4800萬美元，而該船安裝有2臺電力推進(jìn)器，船體鋼板級別和厚度均要高于普通阿芙拉型船舶，因此預(yù)估該船造價增加800萬～1000萬美元。

雖然該船的初始投資稍增，但電力推進(jìn)系統(tǒng)擁有高航速、低油耗的優(yōu)勢，敞水航行時能降低能耗15%～25%，且溫室氣體排放量顯著減少，長期運營經(jīng)濟(jì)效益更佳。

1 ) 該船最大功率為36MW，但最大功率僅在船舶滿載且破冰厚度達(dá)1.5m時才會達(dá)到，而破冰時間相對有限（如表2所示）；在正常航行（航速15kn）時，主機(jī)功率僅約14MW（如圖4所示），與普通阿芙拉型油船的主機(jī)功率（14～18MW）相當(dāng)。

2 ) 沿東北航道航行（如從歐洲港口摩爾曼斯克到上海）單程比途經(jīng)馬六甲海峽和蘇伊士運河的航線縮短約5500n mile（以航速15kn計，縮短航行時間約15d），雖然破冰會耗費較多燃油，但破冰時間有限，綜合下來看該船的燃油總消耗量比沿常規(guī)航線航行的阿芙拉型油船更低。

3 ) 沿常規(guī)航線航行時，由于海盜猖獗，風(fēng)險很大，需支付高昂的保險費用，而沿東北航道航行可節(jié)省這些費用。

4 ) 該船自帶很強(qiáng)的破冰功能，在極地水域內(nèi)暢通無阻，無須破冰船的開道和護(hù)航，可節(jié)省一筆高昂的破冰費用。

5 ) 極地破冰油船對我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和在北極地區(qū)戰(zhàn)略地位的提升有重大影響。該船可作為我國北極地區(qū)的戰(zhàn)略儲備，將大大有利于我國在北極地區(qū)的商業(yè)運輸和戰(zhàn)略布局。

6 結(jié) 語

北極航道的開通不僅會對國際貿(mào)易、世界經(jīng)濟(jì)、資本流動及能源開發(fā)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，而且對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和戰(zhàn)略地位的提升有著更重大的影響。其能大大縮短我國沿海諸港到北美和歐洲的航程，降低海上運輸成本，避開途經(jīng)馬六甲海峽、巴拿馬運河、索馬里海域和蘇伊士運河等區(qū)域帶來的風(fēng)險，同時有利于開辟新的海外資源能源采購地。

當(dāng)前我國已開始加速對北極地區(qū)的科學(xué)考察與開發(fā)：2012年4月中旬，我國與北極國家冰島簽署了在海洋和極地科技合作的諒解備忘錄[11]；2014年9月18日和2016年4月19日，由交通運輸部海事局組織編撰的《北極航行指南（東北航道）》[12]和《北極航行指南（西北航道）2015》[13]分別出版發(fā)行，為計劃在北極東北航道和西北航道航行的中國籍船舶提供海圖、航線、海冰和氣象等方面的全方位的航海保障服務(wù)。

可以預(yù)見，隨著我國和世界其他國家加速對北極地區(qū)進(jìn)行科考與開發(fā)，自帶破冰功能的極地運輸船舶的需求量將逐漸增加。

該極地雙向推進(jìn)破冰油船是專為我國在北極地區(qū)進(jìn)行石油運輸與戰(zhàn)略儲備而設(shè)計的，運用了先進(jìn)的雙向推進(jìn)的設(shè)計理念，嚴(yán)格按照 IACS 的極地船級要求、CSR 和其他相關(guān)國際最新規(guī)范與公約的要求設(shè)計，并對運營經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了考量。該船配備有2個15MW的吊艙式電力推進(jìn)器，在厚冰海域，能以約3kn的航速倒退破厚達(dá)1.5m的冰加3cm的雪；在薄冰和敞水海域，正向航速可達(dá)15kn以上。該船設(shè)計運營線路為：夏秋季節(jié)的3個月，能獨立航行于北極東北航道，無需破冰船的協(xié)助；其余時間可作為穿梭油船使用。

[1] 徐慧芬.北極航線最早2035年開通[N/OL].網(wǎng)易新聞，2011-01-26.http://news.163.com/11/0126/07/6RACIBT800014AED.html#from=relevant.

[2] 楊寧昱.全球冰川縮至最低水平 北極將提前經(jīng)歷無冰夏季[N/OL].參考消息網(wǎng)，2015-08-05.http://www.cankaoxiaoxi.com/science/20150805/891667.shtml.

[3] 納文.多國博弈北極航道[N].中國水運報，2011-09-23 (4).

[4] 沈權(quán)，趙炎平.破冰船技術(shù)及幾種破冰方法[J].航海技術(shù)，2010 (1): 5-7.

[5] BULKBARIN O.Russia’s nuclear icebreaker fleet[J].Science and Global Security, 2006, 14 (1): 25-31.

[6] Ronald O’Rourke.Coast guard polar icebreaker modernization: background and issues for congress[J].Congreesional Research Service, 2012: 1-6.

[7] 胡興軍.走近極地航海油輪[J].交通與運輸，2004 (6): 26-27.

[8] IACS.極地船級要求[S].2011.

[9] IMO.在極地水域內(nèi)船舶航行指南[S].2009.

[10] 中國船級社.鋼制海船入級與建造規(guī)范[S].2009.

[11] 溫家寶抵達(dá)雷克雅未克對冰島進(jìn)行正式訪問[N/OL].新華網(wǎng)，2012-04-20.http://news.xinhuanet.com/politics/2012-04/20/c_111819176.htm.

[12] 《北極航行指南（東北航道）》出版發(fā)行[N/OL].中國日報網(wǎng)，2014-09-18.http://www.chinadaily.com.cn/hqcj/xfly/2014-09-18/content_12404660.html.

[13] 李琴.北極西北航道中國指南問世[N].中國船舶報，2016-04-29 (1).

Development and Design of a Double Acting Ice Breaking Tanker Operating in the Polar Area

TANG Guo-min

（Shanghai Honghua Offshore Oil & Gas Equipment Co., Ltd., Shanghai 201206, China）

A double acting ice breaking Aframax crude oil tanker is designed in accordance with the climate and ice condition in the Arctic area.At the same time, a northeast route is specially designed for the ship to transport crude oil from the oil fields at British North Sea and Russian Siberia to East Asia during the three months in summer and autumn.For the rest of the year, the ship is operated as a shuffle tanker or a conventional Aframax tanker in the North Sea and Baltic Sea region.This paper elaborates the details of the route, the design concept and the main characteristics of the double acting tanker, as well as its operational efficiency.

arctic route; northeast route; ice breaking tanker; double acting; design concept

U674.21.02

A

2095-4069 (2017) 04-0015-07

10.14056/j.cnki.naoe.2017.04.004

2016-07-14

湯國民，男，工程師，1976年生。1998年畢業(yè)于天津大學(xué)海洋與船舶工程系，現(xiàn)從事船舶與海洋工程設(shè)計研究。