極地破冰科考船建造關(guān)鍵技術(shù)

蔡乾亞 王曙光 趙振華 丁 筠

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 上海 201913）

0 引言

與國際社會(huì)一起，共同維護(hù)和促進(jìn)極地的和平、穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展，是我國的基本政策主張。科考破冰船、考察站和后勤保障運(yùn)作系統(tǒng)是促進(jìn)極地科考、開發(fā)，實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性存在的重要體現(xiàn)。截至目前，我國已建成4 個(gè)南極科考站，分別為長城站、中山站2 個(gè)常年科學(xué)考察站，以及昆侖站、泰山站2 個(gè)度夏科學(xué)考察站。隨著“雪龍2”號(hào)和固定翼飛機(jī)“雪鷹601”入列南極科考，以及即將建成的羅斯海新站，我國即將形成“五站、兩船、一飛機(jī)”的南極科學(xué)考察與研究支撐體系，再加上北極的1個(gè)科考站（黃河站），將為極地科學(xué)研究奠定更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著南北極科考和開發(fā)工作的進(jìn)展，更高破冰等級(jí)的重型極地破冰科考船的研制也顯得極為重要。

世界上擁有極地破冰船的國家主要分布在近極地區(qū)域，包括俄羅斯、加拿大和瑞典等16 個(gè)國家。截至2016 年，俄羅斯擁有37 艘極地破冰船，是世界上擁有破冰船數(shù)量最多的國家。受船舶工業(yè)往東亞轉(zhuǎn)移的影響，目前具有極地船舶建造能力的廠家集中在中日韓，主要有韓國大宇和日本聯(lián)合造船公司等，俄羅斯圣彼得堡波羅的海造船廠與紅星造船廠是少數(shù)具有核動(dòng)力破冰船建造經(jīng)驗(yàn)的造船廠。我國極地破冰船主要依托國家戰(zhàn)略建造了“雪龍2”號(hào)，廣船國際建造了凝析油輪并參加了亞馬爾項(xiàng)目，為我國極地破冰船建造積累了大量經(jīng)驗(yàn)。

江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司（以下簡稱江南船廠）在多次“雪龍”號(hào)的加、改裝及“雪龍2”號(hào)建造中，積累了豐富的極地破冰船建造經(jīng)驗(yàn)，并且通過極地相關(guān)科研課題支持，圍繞破冰科考船“冰、寒、科考”開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，已逐步構(gòu)建起面向極地破冰科考船全壽命周期的精細(xì)化建造工藝技術(shù)體系，也為新型重型破冰船的研制打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 “雪龍2”號(hào)建造關(guān)鍵技術(shù)

1.1 主要要素

“雪龍2”號(hào)主要參數(shù)如表1[1]所示。

表1 “雪龍2”號(hào)主要參數(shù)

1.2 建造歷程

“雪龍2”號(hào)于2017 年9 月26 日開工連續(xù)建造，2019 年7 月11 日交船，歷經(jīng)653 天的努力，順利完成建造任務(wù)，并于2019 年10 月開啟首次極地航行，目前已多次完成南北極科考任務(wù)。

1.3 關(guān)鍵工藝技術(shù)體系

針對國內(nèi)首次建造高冰級(jí)極地破冰船經(jīng)驗(yàn)匱乏的現(xiàn)狀，江南船廠在前期科研積累的基礎(chǔ)上，通過學(xué)習(xí)借鑒中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院的詳細(xì)設(shè)計(jì)，從總裝廠建造需求出發(fā)，梳理破冰結(jié)構(gòu)建造、御寒技術(shù)設(shè)計(jì)和極地科考設(shè)備安裝調(diào)試等方面的需求，切實(shí)有效地解決建造過程中的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)“雪龍2”號(hào)的順利建造，逐步形成了面向極地破冰科考船全壽命周期的精細(xì)化建造工藝技術(shù)體系，如下頁圖1所示。

圖1 “雪龍2”號(hào)建造技術(shù)體系

1.4 關(guān)鍵工藝技術(shù)

1.4.1 “破冰”建造技術(shù)

“雪龍2”號(hào)是國內(nèi)設(shè)計(jì)建造的最高冰級(jí)PC3、H（-40 ℃）破冰船，建造中突出深化“破冰”工藝技術(shù)研究。

1.4.1.1 破冰結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過光順外板線型，確保船體性能；優(yōu)化創(chuàng)新冰帶區(qū)域艏柱節(jié)點(diǎn)、分水踵節(jié)點(diǎn)以及下沉式龍骨節(jié)點(diǎn)，提高設(shè)計(jì)疲勞裕度、降低集中應(yīng)力并且提高加工工藝性；結(jié)合冰帶區(qū)域劃分，整合板厚、板縫，優(yōu)化板縫布局，降低了曲型加工難度和焊接工作量，提高了生產(chǎn)效率。

（1）冰帶區(qū)域結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

對冰區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗疲勞節(jié)點(diǎn)精細(xì)化設(shè)計(jì)，對艏部焊接式冰刀進(jìn)行工藝優(yōu)化如下頁圖2 所示，兼顧了破冰設(shè)計(jì)和制造；將艏柱及艏柱與兩側(cè)外板等焊腳進(jìn)行消除殘余應(yīng)力工藝處理[2]。

圖2 冰刀焊接節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

（2）分水踵節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

為滿足極地破冰船的極地操作性能，“雪龍2”號(hào)采用雙螺旋槳設(shè)計(jì)。為保障航向穩(wěn)定性，艉部采用分水踵設(shè)計(jì)，并且優(yōu)化分水踵與船體光順連接及施工的可操作性，以減小湍流的產(chǎn)生。分水踵三維線型如圖3所示。

圖3 分水踵三維線型

（3）下沉式龍骨節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

下沉式龍骨是為科學(xué)考察船設(shè)計(jì)的特殊結(jié)構(gòu)如下頁圖4 所示，其主要目的是在船長較短的情況下，為聲學(xué)設(shè)備提供1 個(gè)完整的安裝平面，同時(shí)規(guī)避船舶航行時(shí)紊流與湍流對于艙底聲學(xué)設(shè)備的波束的干擾和影響。在龍骨艏部設(shè)計(jì)了1 個(gè)箭頭型加厚板，以保證強(qiáng)度。其工藝處理要點(diǎn)是保證不同板厚結(jié)構(gòu)光順過渡（如圖5 所示），避免產(chǎn)生渦流影響科考設(shè)備工作。

圖4 下沉式龍骨模型

圖5 板厚過渡及焊接節(jié)點(diǎn)處理

1.4.1.2 建造工藝優(yōu)化

（1）冰區(qū)外板綜合優(yōu)化與復(fù)雜曲面數(shù)字化加工技術(shù)

“雪龍2”號(hào)線型比較復(fù)雜，特厚板主要分布在船首冰刀處，曲板板厚多為36 mm 以上，以帆形板及鞍形板為主，加工要求高且加工難度較大。雙曲板主要分布在艉軸殼附近，數(shù)量較多。通過開發(fā)外板排板綜合優(yōu)化程序，綜合優(yōu)化了加工成型與焊接效率，如圖6所示。

圖6 外板排板綜合優(yōu)化

研究極地低溫鋼塑性性能特點(diǎn)，突破耐低溫大厚度曲板成形技術(shù)，采用數(shù)字化冷彎成型加工成型技術(shù)對冰帶區(qū)域外板進(jìn)行加工，保證外板成型質(zhì) 量[3]，如圖7所示。

圖7 三維數(shù)控彎板機(jī)數(shù)字化冷彎成型

（2）基于殼、舾、涂一體化區(qū)域建造的分段總段劃分優(yōu)化

“雪龍2”號(hào)的設(shè)備、艙室布置密集,安裝空間狹小，因此提出設(shè)備、功能艙室與結(jié)構(gòu)區(qū)域化以及一體化建造的總體工藝設(shè)計(jì)原則。分段、總段劃分時(shí)，1 個(gè)總段覆蓋多個(gè)完整性區(qū)域，多個(gè)區(qū)域之間可保持較高的獨(dú)立性。如艏部冰刀區(qū)域整體劃分在1 個(gè)總段內(nèi)，艉部吊艙分水踵劃分在1 個(gè)總段內(nèi)，多波束換能器等水下聲學(xué)設(shè)備劃分在1 個(gè)總段內(nèi)，保證建造精度及區(qū)域舾裝完整，如圖8所示。

圖8 各區(qū)域一體化建造總段劃分

1.4.1.3 極地低溫結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)研究

常規(guī)EH36 鋼級(jí)的焊接工藝所適用的環(huán)境沖擊溫度（-20 ℃）無法滿足極地科學(xué)考察破冰船-40 ℃ 左右的工作環(huán)境溫度要求。因此，需要通過研究不同的焊接材料及焊接工藝，尋找能夠滿足V 型沖擊溫度為-40 ℃的高強(qiáng)度EH36 鋼的焊接用焊材及適合船廠高效施工的焊接工藝。

通過研究英國勞氏船級(jí)社和中國船級(jí)社對低溫環(huán)境的焊接技術(shù)要求，開展焊材選型及焊接工藝試驗(yàn)；共進(jìn)行38 項(xiàng)焊接試驗(yàn)及12 項(xiàng)抗裂性試驗(yàn)，包含手工焊條焊、CO2氣體保護(hù)焊、埋弧焊及混合焊。最終形成適合本船的低溫焊接工藝。

1.4.1.4 破冰耐磨漆選型及施工工藝

極地船在航行過程中不僅面臨破冰的壓力以及海面上浮冰的撞擊，還需承受極寒的環(huán)境條件，故需對船體外板采取加強(qiáng)保護(hù)措施。通常有破冰漆或復(fù)合不銹鋼板2 種方法，“雪龍2”號(hào)采用的是破冰漆。在破冰漆的配套設(shè)計(jì)和選型過程中，首先需考慮產(chǎn)品的耐低溫性、耐磨性和低摩擦阻力等，保證涂層不會(huì)在低溫環(huán)境下失效；其次，考慮降低涂層表面粗糙度，減少冰雪的粘附。

目前國際上主要的破冰漆廠商及相關(guān)產(chǎn)品如表2所示。各廠商的冰區(qū)油漆產(chǎn)品各有不同的技術(shù)特點(diǎn)，有些以純環(huán)氧技術(shù)為主，如佐敦的Marathon IQ2 以及國際油漆的Intershield 163 Inerta160 等；有些以玻璃纖維/鱗片增強(qiáng)為主，如中涂化工CMP 的Permax 系列產(chǎn)品以及海虹老人的Hempadur Multi-Strength GF 35870 等[4]。

表2 佐敦、國際破冰油漆性能對比表

續(xù)表2

破冰漆確定后，應(yīng)首先進(jìn)行施工試驗(yàn)摸底，聯(lián)合油漆公司對施工程序進(jìn)行逐項(xiàng)分析，梳理施工關(guān)鍵程序及控制要素，重點(diǎn)解決表面要求高、施工環(huán)境溫度控制和涂料固份高以及缺陷修補(bǔ)難題。

1.4.2 “御寒”技術(shù)設(shè)計(jì)

本船設(shè)計(jì)環(huán)境條件為：空氣溫度：-30 ℃～45 ℃；室外船舶系統(tǒng)主要設(shè)備最低環(huán)境溫度MAT：-30 ℃，海洋調(diào)查設(shè)備露天作業(yè)最低環(huán)境溫度MAT：-20 ℃。

本船設(shè)計(jì)空氣溫度低、設(shè)計(jì)對象多樣且服役兩極涉及區(qū)域廣，故需逐一分析，綜合設(shè)計(jì)防寒方案，并最終實(shí)現(xiàn)集成控制。目前國內(nèi)防寒設(shè)計(jì)技術(shù)的研究尚處于起步階段，系統(tǒng)性的研究較少，沒有成熟的解決方案。通過對接用戶和高校(如極地中心、上海海事大學(xué)、中國海洋大學(xué)和德國不萊梅大學(xué)等)，收集兩極低溫環(huán)境氣候特征基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；針對低溫環(huán)境航行船舶，開展干舷以上防寒的規(guī)范研究；分析船舶低溫區(qū)域航行時(shí)遭受積雪、冰凍等影響后的潛在風(fēng)險(xiǎn)（積冰穩(wěn)性失效、設(shè)備系統(tǒng)功能失效等），完整識(shí)別船舶設(shè)計(jì)中50 余項(xiàng)防寒對象，理清16 種主流措施應(yīng)用場景和技術(shù)特點(diǎn)，并最終形成了集成防寒設(shè)計(jì)方案。

（1）防寒對象及對應(yīng)措施分析

對于在低氣溫區(qū)域航行的船舶來說，防凍措施的作用比除冰措施更為可靠，同時(shí)在防凍措施中，被動(dòng)措施的應(yīng)用比主動(dòng)措施更可靠。目前，低氣溫及極地環(huán)境下航行的船舶常用的各類防寒除冰措施詳如下頁圖9[5]所示；通過系統(tǒng)調(diào)研工作和規(guī)范研究，梳理出的防寒對象及主、被動(dòng)措施應(yīng)用場景如下頁圖10 樣表[6]所示。

圖10 防寒除冰應(yīng)用樣表

（2）集成防寒設(shè)計(jì)方案

“雪龍2”號(hào)通過系統(tǒng)整合、集成創(chuàng)新，制定了智能化感知控制防寒方案如后頁圖11 所示。在防寒設(shè)計(jì)集成系統(tǒng)中采用集中控制、分區(qū)控制，控制地點(diǎn)在駕駛室。此外，在負(fù)載控制箱處也可實(shí)現(xiàn)就地各區(qū)、各分路的控制，自動(dòng)啟停溫度值（0℃～10℃調(diào)整范圍）可通過3 只負(fù)載控制箱中的溫控器進(jìn)行手動(dòng)設(shè)置。每個(gè)負(fù)載控制箱連接有1個(gè)溫度傳感器，安裝在附近的露天區(qū)域，用于檢測環(huán)境溫度，還創(chuàng)新性地將分布于全船各處的艙面屬具、電氣箱及露天消防附件等設(shè)計(jì)為集成式系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際情況，將全船劃分為船首、船舯、船尾3個(gè)分區(qū)，上述近100 個(gè)防寒對象劃入分區(qū)，具有分區(qū)集中控制、單項(xiàng)就地控制和手動(dòng)控溫等功能，而3 個(gè)分區(qū)又可在駕駛室進(jìn)行遠(yuǎn)程集中控制和狀態(tài)監(jiān)控。通過上述創(chuàng)新，將全船零散的防寒對象以分區(qū)、分級(jí)的理念搭建一個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)，既方便系統(tǒng)控制管理，同時(shí)也能更加直觀便捷地監(jiān)控這些對象的工作狀態(tài)和單點(diǎn)故障，取得良好的防寒實(shí)施效果。

圖11 防寒方案

1.4.3 科考設(shè)備安裝調(diào)試技術(shù)

“雪龍2”號(hào)涉及4 大領(lǐng)域9 大研究方向的科考設(shè)備，通過研究共解析關(guān)鍵控制要素110 余項(xiàng)，固化施工精度指標(biāo)40 余項(xiàng)，引入偏置測量手段核準(zhǔn)科考設(shè)備精度，首次建立特種設(shè)備與結(jié)構(gòu)一體化精度控制方案，逐一分解技術(shù)指標(biāo)、優(yōu)化精度分配，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)建造、設(shè)備精確安裝；首次引入航空領(lǐng)域偏置測量技術(shù)，精確定位傳感器間相對位置和角度關(guān)系，確?？瓶荚O(shè)備發(fā)揮高精密探測性能。

1.4.3.1 科考設(shè)備裝船要素分析

科考設(shè)備裝船要素包括安裝空間、接口界面和安裝精度等。通過裝船要素分析，應(yīng)用系統(tǒng)工程方法開展建造策劃和設(shè)計(jì)工作，如下頁圖12所示。

圖12 關(guān)鍵科考設(shè)備裝船要素分析

1.4.3.2 科考設(shè)備安裝與調(diào)試技術(shù)

全海深多波束換能器長約5 300 mm，嵌入式安裝在龍骨內(nèi)，可有效避免航行過程中船底表面紊流層，提高聲學(xué)性能。安裝涉及2 個(gè)階段：基座精確安裝于分段內(nèi)，換能器及附件在二次進(jìn)塢時(shí)安裝，如圖13 和圖14 所示。換能器周邊1 m 范圍內(nèi)，船體外板平面度±1 mm。

圖13 換能器基座分段安裝圖

圖14 換能器塢內(nèi)安裝

月池可在惡劣海洋環(huán)境中營造出比浮體周圍環(huán)境更穩(wěn)定的小環(huán)境，用于保護(hù)入水的設(shè)備。系統(tǒng)由消波壁結(jié)構(gòu)、固定導(dǎo)軌、移動(dòng)導(dǎo)軌、風(fēng)雨密頂蓋、水密底蓋、絞車、升降機(jī)架、月池轉(zhuǎn)運(yùn)推車、HPU動(dòng)力單元和HCP 液壓控制臺(tái)組成[7]，如下頁圖15所示,月池通孔約5 200 mm×5 200 mm。

圖15 月池主要結(jié)構(gòu)圖

需按裝船要素分配各階段精度，船體分段制造時(shí)，嚴(yán)格控制肋骨間距、縱骨間距及外板線型。在月池系統(tǒng)設(shè)備安裝階段，所涉及的船體分段/總段/區(qū)域，應(yīng)在裝焊完成并確認(rèn)精度合格后方可施工。下頁圖16 展示了導(dǎo)軌安裝的精度要求。

圖16 導(dǎo)軌安裝精度要求

1.4.3.3 船載實(shí)驗(yàn)室精細(xì)化設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的不同功能配置，開展聲、光、氣和電磁等多場景體驗(yàn)式數(shù)字化精細(xì)設(shè)計(jì)，滿足實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的多功能性、舒適性、有效性及智能化要求。

（1）實(shí)驗(yàn)室綜合布置

解決各類實(shí)驗(yàn)室對地面材料、天花板、圍壁板和家具等的選用，同時(shí)實(shí)驗(yàn)室的綜合布置應(yīng)與樣品流、數(shù)據(jù)流的方向?qū)?yīng)。針對各個(gè)實(shí)驗(yàn)室功能流向，家具、實(shí)驗(yàn)臺(tái)需滿足易拆卸、易重組的要求，保證良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)要嚴(yán)格控制，實(shí)驗(yàn)室輔助管系需滿足集中布置的要求[8]。在綜合布置時(shí)應(yīng)提前策劃考慮其裝船要素，如圖17所示。

圖17 船載實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)關(guān)鍵裝船要素

（2）實(shí)驗(yàn)室電磁屏蔽控制

實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)管系穿艙采用電磁屏蔽通艙件，電纜貫穿采用屏蔽電纜框，對設(shè)備、電纜、管系和艙面設(shè)施進(jìn)行可靠接地，防止輻射干擾。通過電磁兼容控制，達(dá)到全船良好的電磁兼容性；通過諧波控制，使本船最大諧波控制在2.5%以內(nèi)，優(yōu)于規(guī)范要求的5%指標(biāo)。

（3）實(shí)驗(yàn)室減振降噪控制

實(shí)驗(yàn)室甲板敷設(shè)阻尼涂料，圍壁敷設(shè)阻尼涂料及隔音材料；圍壁板、天花板與鋼圍壁采用彈性連接形式?？照{(diào)通風(fēng)系統(tǒng)選擇低噪聲設(shè)備并采用彈性連接，進(jìn)行系統(tǒng)整體噪聲分析，選擇合適的消音措施。

1.4.3.4 水下輻射噪聲控制

“雪龍2”號(hào)水下輻射噪聲參照國際海洋勘探委員會(huì)第209 號(hào)（ICES 209）關(guān)于水下輻射噪聲的限值要求。由于受吊艙推進(jìn)器影響，經(jīng)過計(jì)算評(píng)估，本船的噪聲按水下輻射噪聲上限值+15 dB 參照執(zhí)行。

基于水下輻射噪聲仿真結(jié)果，對本船的水下輻射噪聲指標(biāo)影響進(jìn)行系統(tǒng)梳理，對重要運(yùn)動(dòng)設(shè)備噪聲指標(biāo)進(jìn)行分配，制定建造全過程振動(dòng)噪聲控制圖，對設(shè)備安裝采取減振措施，并嚴(yán)格管控安裝質(zhì)量。

本船最終通過實(shí)船測量的水下輻射噪聲水平顯示：6 kn 航速水下輻射噪聲達(dá)到設(shè)計(jì)要求，12 kn 和15 kn 航速水下輻射噪聲測量結(jié)果可為科考作業(yè)提供指導(dǎo)。

2 重型破冰船預(yù)研攻關(guān)

PC2 級(jí)重型破冰船重要的技術(shù)指標(biāo)差異主要為破冰能力不低于2.5 m（航速2 kn），并且船體設(shè)計(jì)服務(wù)溫度-58 ℃。通過對其建造工藝關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研，從新材料應(yīng)用、冰區(qū)油漆等方面進(jìn)行梳理并提出以下技術(shù)需求，如圖18所示。

圖18 重型破冰船技術(shù)需求

重型破冰船冰帶區(qū)域及外板采用28～48 mm厚FH40 材質(zhì)鋼板。國內(nèi)鋼廠已開發(fā)出355 MPa 和390 MPa 的極地用低溫鋼，最大厚度達(dá)到68 mm，并開展了相應(yīng)的低溫服役性能評(píng)價(jià)研究工作，但在疲勞、止裂性能評(píng)價(jià)方面還未形成標(biāo)準(zhǔn)。

艏部冰刀區(qū)域如采用焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要用100 mm 厚鋼板與外板焊接，國內(nèi)、國外鋼材采購難度較大，故未來極地重型破冰船采用鑄鋼件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可選的替代方案。目前國內(nèi)鑄件廠商生產(chǎn)的鑄件屈服強(qiáng)度一般在320 MPa 以下，生產(chǎn)390 MPa以上的大型鑄件需要論證其可行性。

更耐低溫、耐更厚冰沖擊的破冰漆配套設(shè)計(jì)和選型是很大挑戰(zhàn)，冰帶復(fù)合不銹鋼板的研發(fā)和建造工藝研究需要同步考慮。

空氣溫度為-58℃極低溫環(huán)境下，防寒措施需系統(tǒng)深入研究。據(jù)國內(nèi)的相關(guān)研究表明：石墨基加熱除冰、微波加熱除冰、超聲波除冰、形狀記憶合金除冰、冰芯(Icewick)材料防冰、電脈沖防冰系統(tǒng)(EPIPS)防冰、超疏水涂層、彈性體涂層和有機(jī)膠涂層等涂料防冰均具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景，其工程有效性與經(jīng)濟(jì)性需進(jìn)一步研究驗(yàn)證[9]。

3 結(jié)語

隨著冰上絲綢之路的發(fā)展與北極航道拓展，極地船舶需求必將從夏季科考轉(zhuǎn)向長期存在，而對破冰等級(jí)、防寒和集成系統(tǒng)也將提出更苛刻的要求。

從“雪龍2”號(hào)建造基礎(chǔ)上提煉出的“冰、寒、科考”體系化建造方法，以及在相關(guān)重型破冰船科研項(xiàng)目上的預(yù)研，將為未來我國建造相關(guān)極地海洋裝備提供借鑒。