鐘航

近日，韓國(guó)大宇造船海洋建造的全球首艘自破冰17.2萬(wàn)立方米液化天然氣（LNG）船“SCF Yamal”號(hào)在其巨濟(jì)船廠下水。該船是大宇造船海洋接獲的系列冰級(jí)LNG船中的首制船，預(yù)計(jì)將于2016年年底交付，屆時(shí)將服務(wù)于俄羅斯亞馬爾天然氣（Yamal LNG）項(xiàng)目。作為全球首批滿足俄羅斯船級(jí)社（RS）冰區(qū)航行最高入級(jí)符號(hào)“Arc7”要求的大型LNG船，該型船一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)。由于國(guó)際油價(jià)低迷，天然氣田開發(fā)速度放緩，LNG船市場(chǎng)也面臨壓力。得益于大型冰級(jí)LNG船建造能力，大宇造船海洋于2014年“鯨吞”了亞馬爾項(xiàng)目全部15艘冰級(jí)LNG船。該型船造價(jià)高達(dá)3.16億美元，大宇造船海洋因此不僅成為“第一個(gè)吃螃蟹的人”，而且在獲利不菲的同時(shí)成功削弱了船市下行的影響。

近年來(lái)，隨著國(guó)際社會(huì)越來(lái)越重視極地開發(fā)，冰區(qū)加強(qiáng)船舶成為新寵。在中國(guó)船舶工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)加速推進(jìn)的當(dāng)下，掌握冰級(jí)LNG船的設(shè)計(jì)與建造本領(lǐng)無(wú)疑具有雙重意義。對(duì)此，滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司開發(fā)研究所LNG船主任設(shè)計(jì)師宋煒表示，與常規(guī)LNG船相比，具有自破冰能力的冰級(jí)LNG船除需要“身強(qiáng)體壯”、動(dòng)力強(qiáng)勁外，還需具備全面防凍防冰能力，在船體結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、甲板設(shè)備與管系、液貨艙圍護(hù)系統(tǒng)及其他配套設(shè)備方面有很多特殊要求，國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備較為薄弱。如想進(jìn)入該領(lǐng)域，船企需先行對(duì)設(shè)計(jì)方案、試驗(yàn)手段、焊接工藝等進(jìn)行攻關(guān)，或者先從無(wú)自破冰能力的冰級(jí)LNG船入手。

防凍防冰細(xì)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(gè)細(xì)節(jié)上考慮防凍問(wèn)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(qū)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(jí)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(jìn)行特殊處理。冰級(jí)LNG船除常規(guī)布置的海底門外還需在船體底部增設(shè)防冰海底門，以確保海水取水口的暢通，海底門箱體要設(shè)置迷宮式的冰水分離結(jié)構(gòu)，利用水密度大于冰的物理性質(zhì)，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(shè)置在箱體的下部，這樣可以大大減少吸入海水時(shí)摻雜的碎冰，進(jìn)而防止碎冰破壞船用設(shè)備。當(dāng)海水排出時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須考慮出水口被冰塊封堵的可能，一般會(huì)采取舷旁箱體結(jié)構(gòu)來(lái)替代常規(guī)的排水口，以消除上述隱患。同時(shí)，LNG船的壓載艙必須配備壓縮空氣吹泡系統(tǒng)或微循環(huán)系統(tǒng)，保證壓載水始終處于流動(dòng)防凍狀態(tài)。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(jié)冰。由于氣動(dòng)壓縮空氣中含有的微量水分在低溫時(shí)可能會(huì)在氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上產(chǎn)生結(jié)冰，為確保甲板動(dòng)力執(zhí)行設(shè)備和管系的可靠運(yùn)行，甲板動(dòng)力設(shè)備和閥門遙控系統(tǒng)需考慮采用液壓傳動(dòng)，確保低溫時(shí)的可靠運(yùn)行。全船在甲板面、艙室通風(fēng)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(shè)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(guī)的蒸汽加熱，也能夠防止凝水系統(tǒng)的結(jié)冰問(wèn)題。

上述設(shè)計(jì)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(qiáng)的沖擊載荷承受能力。眾所周知，破冰船的破冰作業(yè)大致分為兩種，一是依靠船艏?jí)毫驯鶎?，二是通過(guò)反復(fù)沖撞擊碎冰層。不論哪種情況，破冰船在破冰時(shí)或在冰區(qū)通行擊打到浮冰時(shí)承受的瞬間沖擊載荷都將達(dá)到航行時(shí)的2～4倍。如此巨大的沖擊載荷，需要非常強(qiáng)勁的推進(jìn)系統(tǒng)，這對(duì)軸系的設(shè)計(jì)帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。如常規(guī)柴油機(jī)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(shí)，紅套工藝制成的曲軸極易發(fā)生滑脫變形，要可靠應(yīng)對(duì)這種工況，必須采用整體鍛造的曲軸。設(shè)計(jì)人員只有在充分開展計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軸系受力分析后，結(jié)合工藝和運(yùn)轉(zhuǎn)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(jìn)能滿足低轉(zhuǎn)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(dòng)力設(shè)備在艏部的船型。宋煒指出，柴油機(jī)直推效率較高，系統(tǒng)抗沖擊性能好，適用于主機(jī)位于艉部的船型，也可用于冰級(jí)LNG船。此外，冰級(jí)LNG船在破冰作業(yè)時(shí)船體將不可避免產(chǎn)生震蕩，LNG船的液貨艙圍護(hù)系統(tǒng)需要考慮額外加強(qiáng)措施，以應(yīng)對(duì)這些沖擊；沖擊還會(huì)造成液貨艙內(nèi)天然氣的揮發(fā)量增大，使得揮發(fā)氣處理工況較為復(fù)雜。

腳踏實(shí)地從易到難

2014年11月21日，國(guó)際海事組織（IMO）海事安全委員會(huì)第九十四屆會(huì)議正式通過(guò)了具有強(qiáng)制性的《極地水域船舶航行國(guó)際準(zhǔn)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(yīng)證書，除了空氣污染物的排放需滿足Tier Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)以外，各類污水和生活垃圾都要實(shí)現(xiàn)零排放。因此，冰區(qū)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(gè)月航行的需求。如果說(shuō)，現(xiàn)有雙燃料動(dòng)力方案已對(duì)LNG船的艙室布置提出了很高的要求，那么在此基礎(chǔ)上滿足《極地準(zhǔn)則》的要求，將進(jìn)一步加重船企和船東的負(fù)擔(dān)。

基于上述各種特殊要求，考慮到國(guó)內(nèi)技術(shù)準(zhǔn)備尚才起步，宋煒認(rèn)為，國(guó)內(nèi)船企可先從不具備自破冰能力的冰級(jí)LNG船入手。就北極航道的開發(fā)來(lái)說(shuō)，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(guò)，亞馬爾項(xiàng)目即屬此例。二是利用一定數(shù)目的破冰船在窗口期維持某一航道暢通，使一定數(shù)量的冰區(qū)加強(qiáng)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(qū)LNG船也有相應(yīng)的市場(chǎng)潛力。對(duì)標(biāo)國(guó)內(nèi)外，國(guó)內(nèi)的技術(shù)短板主要是設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足、沒(méi)有冰池試驗(yàn)條件、對(duì)極地航行的特殊操作要求了解不深等?！按笥钤齑Ｑ蟮慕ㄔ旖?jīng)驗(yàn)表明，自破冰LNG船的建造難度要超過(guò)常規(guī)LNG船。國(guó)內(nèi)船企可以先從特殊鋼板的焊接工藝等具體工作入手，加強(qiáng)與外部的技術(shù)合作，善加利用船東反饋的信息，逐個(gè)解決上述難題?！彼螣樥f(shuō)。