淺談極地航線及極地船舶的設(shè)計

董煉洪 林佳 王婷

從大航海時代人類開始探索海洋以來，在世界的七大洲之間，已經(jīng)形成了很多傳統(tǒng)的海上航線。在這些航線的交匯點上，成就了馬六甲、蘇伊士、巴拿馬等一批重要的“關(guān)隘”。近代船舶的設(shè)計和建造一直都在跟隨著航線的變化而不斷演變和進化。

筆者在2014年參加一次國際油輪論壇時，曾被英國勞氏船級社展示的極地航行船舶的規(guī)范研究成果深深吸引。在那之前，筆者一直認為，極地船舶是一個隔行業(yè)的領(lǐng)域，是屬于少數(shù)派的科研探索的范疇，尚未意識到其在商業(yè)領(lǐng)域的巨大潛力。距專家估算，走北極圈航線，可以讓大西洋和太平洋之間的航行距離縮減40%以上，可以不受制于運河的限制，可以給船東節(jié)省大量的時間成本和能源損耗。

近年來，隨著全球變暖，每年夏季北極出現(xiàn)常規(guī)通航開敞水域的時間延長到了4～5個月；有專家認為，隨著氣候變暖的延續(xù)，北極航線到2020年通航時間將達到6個月；2030年后，甚至可能實現(xiàn)全年通航。業(yè)內(nèi)人士預(yù)測，北極航道的商用化可能在2030年左右實現(xiàn)。這使北極航道成為新的“大西洋—太平洋”中心航線變得可能。

航運業(yè)的巨頭們在多年以前就已敏銳的注意到了北極航線所能帶來的無限可能。根據(jù)挪威船東協(xié)會發(fā)布的數(shù)據(jù)，到2020年，經(jīng)北冰洋的貨物運輸量將增至5000萬噸。一個近乎確定的領(lǐng)域已經(jīng)逐漸的展現(xiàn)在大家面前。從目前北極航道的發(fā)展趨勢來看，集裝箱、能源與干雜貨將成為未來經(jīng)北極航道運輸?shù)淖钪饕浳铮嘤猛敬⒓b箱船、油船、LNG船將成為未來極地海域內(nèi)的四大主力船型。

同時，北冰洋海底蘊藏著豐富的石油、煤炭、天然氣、可燃冰等資源。極地鉆探和資源加工裝備也同樣是船人們值得研究的領(lǐng)域。

針對極地航行船舶的研究，歐美國家已經(jīng)遠遠的走在了前列。在2008年金融海嘯席卷全球的時候，德國的船舶行業(yè)受到了巨大的沖擊。在經(jīng)歷了一段時間的轉(zhuǎn)型和重組后，德國幾乎放棄了所有的傳統(tǒng)主力船舶的建造業(yè)務(wù)，開始專注于郵輪和極地船舶等高端高附加值領(lǐng)域。

就在最近一段時間，很多國內(nèi)的專家和學(xué)者也開始呼吁，在大力推進建設(shè)海上絲綢之路的同時，也應(yīng)該開始重視北極航線的探索，開始讓我國的船舶工業(yè)為極地船舶的市場做好技術(shù)儲備。2018年1月26日，我國政府發(fā)布了首份北極政策文件——《中國的北極政策》白皮書，并在其中明確提出了“冰上絲綢之路”的概念。

作為船舶設(shè)計行業(yè)的從業(yè)人員，同樣需要做好技術(shù)準備。筆者在下文中，與大家簡單的分享下目前極地船舶的概念，希望能夠給大家?guī)硪恍└行陨系恼J識。

由于極地嚴酷的自然環(huán)境，航行于極地的船舶在設(shè)計過程中需要考慮到很多不可預(yù)估的因素。在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需要考慮低溫對材料的影響，需要考慮“船-冰”碰撞對結(jié)構(gòu)強度的考驗；在船舶穩(wěn)性分析時，需要考慮極端自然環(huán)境對穩(wěn)性的影響，需要考慮船體水線以上表面結(jié)冰導(dǎo)致的穩(wěn)性減弱，需要考慮船舶遭遇浮冰后的擱淺風(fēng)險；同時，在管路設(shè)計時需要著重考慮如何避免管路冰凍，軸系設(shè)計時同樣需要評估軸承冰凍的風(fēng)險；電氣通信導(dǎo)航設(shè)備很有可能會因暴露在嚴酷的低溫下而導(dǎo)致失效；船員在室外作業(yè)時，同樣會因為低溫而影響到其正常的執(zhí)行力、行為能力和協(xié)調(diào)能力。針對上述的問題，國際海事組織（IMO）專門頒布了《國際極地水域操作船舶規(guī)則》（下文簡稱Polar Code），同時，在《國際海上人命安全公約》（SOLAS）中還增加了專門的“極地航行船舶安全措施”的章節(jié)。

由于北極水域的自然環(huán)境是目前受到人類活動影響較小的區(qū)域，算是地球上所剩為數(shù)不多的凈土。國際海事組織（IMO）在《防止船舶造成污染公約》（MARPOL）中新增了專門針對極地船舶的防污規(guī)則，旨在保護脆弱的極地自然環(huán)境，為將來日益增多的人類極地活動做好準備。

在Polar Code中，將極地船舶分為了A、B、C三類。A類船舶指的設(shè)計用于極地水域至少中等厚度當年冰且可能包夾舊冰的冰況中操作的船舶；B類是設(shè)計用于極地水域內(nèi)至少薄當年冰且可能包夾舊冰的冰況（不包括A類冰況）中操作的船舶；C類是指設(shè)計用于開敞水域或者輕于A類和B類冰況的水域中操作的船舶。

相應(yīng)上述的極地船舶分類，IACS在統(tǒng)一要求URI中規(guī)定了7個極地級，分別為：PC1～PC7。

其中，PC1為最高級，對應(yīng)所有冰況；隨著極地級數(shù)字的增加冰況逐級降低。A類船舶對應(yīng)的極地級為PC1～PC5；B類船舶對應(yīng)PC6和PC7兩個極地級。不同的極地級對應(yīng)著不同的極地操作限制，包括最大冰厚度和季節(jié)限制。根據(jù)極地船舶分類和極地級的對應(yīng)關(guān)系，A類船舶均無季節(jié)限制，且對應(yīng)的最大冰厚度為1.2m米以上；B類船舶需限制于夏秋季操作，且對應(yīng)最大冰厚度為0.70m～0.95m。

同時，對應(yīng)上述的極地級，Polar Code中還規(guī)定了相應(yīng)的船體結(jié)構(gòu)和機械設(shè)備要求。因為船體結(jié)構(gòu)尺寸確定所需使用的計算模型，為典型的船體與冰碰撞模型，需要根據(jù)不同各的極地級確定相應(yīng)的冰載荷；而機械設(shè)備的要求主要針對螺旋槳與冰塊相互作用的模型，同樣需要根據(jù)極地級確定冰塊的尺寸。

最后，筆者還想向大家介紹三個重要的概念：極地服務(wù)溫度（PST）/設(shè)計服務(wù)溫度（DST）和預(yù)期最低環(huán)境溫度（MAT）。PST為預(yù)期在低氣溫操作的船舶規(guī)定的溫度，該溫度值應(yīng)設(shè)置在預(yù)定的水域和季節(jié)最低日均低溫（LMDLT）再減10℃；DST指設(shè)計時為船舶設(shè)計的用于衡量材料/設(shè)備和系統(tǒng)在低氣溫下服務(wù)的性能的溫度指標。船體結(jié)構(gòu)和設(shè)備/甲板機械/消防設(shè)備和系統(tǒng)的DST取船東或設(shè)計者確定的PST；結(jié)構(gòu)/設(shè)備和管路的加熱布置以及液艙防凍保護和艙室加熱系統(tǒng)等，應(yīng)考慮MAT，該溫度值由船東和設(shè)計者確定，如果缺乏相應(yīng)的背景資料，則可以按照PST-10℃取值。