全球大功率科考破冰船聚焦

2014-04-10秦琦

中国船检 2014年6期

秦琦

今年初，中国科考船“雪龙”号成功营救出困在南极的俄罗斯极地科考船“绍卡利斯基院士”号，救援过程颇为艰险曲折。随着媒体报道的聚焦，极地科考破冰船再一次进入人们的视野。

据美国海岸警卫队2013年6月的统计，目前功率在10000hp及以上的破冰船全球共服役78艘，在建4艘，计划建造13艘，总计95艘。在这些具有破冰能力的船舶中，具有科考能力的船舶即科考破冰船共有24艘（包括在建或计划建造）。其中，美国和加拿大、俄罗斯为第一阵列，拥有的科考破冰船分别达到5艘、5艘和4艘。毫无疑问，美国是世界上科考破冰能力最强的国家，拥有2艘重型破冰船（功率在45000hp以上）、1艘中型破冰船（功率20000～45000hp）、1艘轻型破冰船（功率10000～20000hp）。另外，正在新建一艘。其他国家的科考破冰力量基本为2艘或1艘中型或轻型破冰船。如果将欧洲主要国家的科考船和破冰船研发力量统一考虑，那么欧洲的大功率科考破冰船开发能力当属世界领先，可以列入第一阵列。

现将第一阵列的美国和加拿大、欧洲以及第二阵列的韩国科考破冰船作为主要介绍对象，将从其研发历程、技术参数、破冰能力、科考布置和主要设备等多个方面予以介绍。

表1：世界大功率科考破冰船船队统计

美国“极地”级科考破冰船

“极地”级科考破冰船设计目的是为美国南北极科考站提供科考和后勤支持，该级船由洛克希德公司建造。“极地”级科考船总长121.6米，船宽25.84米，最大吃水10米，排水量为13194吨，最大航速为17.5节。另外，船上还配备小艇和飞机。船上可容纳包括24名军官，20名士官长，102名舰员，9名航空人员，以及32名科考队员。

该船属于重型破冰船。其中，船首和船尾钢板厚度为4.5厘米，船舯的钢板厚度为3.2厘米。船首呈半球形，集中了大量重量，通过尽量增大船首运动、下压船首重心、提高船尾浮心等以便于压碎海冰。该级船能够以3节的速度连续在最厚1.83米的冰区航行，冲撞式破冰能力为6.4米。该级船堪称世界上功率最强的非核动力破冰船，安装有3台电动机与3个桨轴连接，电力由6台能够产生18000hp的柴电推进系统或3台能够产生60000hp功率的燃气轮机提供。这种双动力装置的配置模式是敞水环境航行时采用柴电推进，破冰时采用燃气轮机。该级船配备有反转螺旋桨，以便在冰上碾压和后退时能够更好地操纵首尾。该型船还具有一个有助于破冰的特点，即安装了横倾系统，该系统包括安装在两侧的3对相互连通液舱，每个液舱里的水能够在50秒内泵送到相对应的液舱，这个过程可以产生约24000英尺吨的扭矩，形成摆动。

安装在该级船上的设施包括4间休息室、1个图书馆、健身房、储物室和邮局等。此外，船员能够通过卫星电话、无线电设施和电话室与外界通讯。

船上设置有5个内部实验室，甲板可利用空间能够容纳7个轻便型实验室。船上配备有光纤数据网络，便于数据收集和整理，船上计算机可以处理实时卫星图像以支持冰区航行、科学计划和天气预报。

图1：“Polar Sea”号（WAGB-11）科考破冰船

由于“极地”级船舶提高了可靠性能，并降低了操作需求。在设计该级船舶时，研究人员不再像过去一样主要依靠直觉或者依赖母型船，而是通过试验来确定其想法和设计基础。其设计成果来源于长达4年的船体结构研究、分析和试验结果。除了对现有船型进行大量试验和研究外，还采用新的结构失效分析方法，并采用有限元分析结构，同时与外部其他机构联合研究，这次设计是美国破冰船设计理念和优化措施的一次重大改变。而且，后来建造的破冰船“Healy”号和“Mackinaw”号在设计上参考了“极地”级的设计及实际操作试验。

由于“极地”级科考破冰船均建于上世纪70年代，21世纪初两艘船舶均达到服役寿命，甚至部分能力和设备出现不合格状况，例如“Polar Star”号在2006年列入“特别照顾”状态，不过美国考虑到其北极战略利益后，启动该船的状态再激活和升级维修，在经历32个月的大修后，2012年12月“Polar Star”号完成维修，明显改善了系统的性能、可靠性和保障能力，服役年限有望延长7到10年。主要的系统升级包括：重新设计和更换尾轴管轴承，主电动机清洁，升级电罗经，开环调距桨改装，小艇吊艇架更换，机器监控系统升级，数字燃控系统升级，移除货物装卸系统和更换起重机，齿轮、联轴节和轴承的检测与修理，主柴油机更换和重新布置。另外，一艘破冰船“Polar Sea”号也超出服役年限（30年），2012年美国海岸警卫队和海事运输法案第222节指出美国司令官要求对“Polar Sea”号的服役寿命延长至2022年9月30日进行成本和方案分析，以维持美国极地破冰能力和满足2010年海岸警卫队确立的美国高纬度使命需求，不过，鉴于资金需求的问题，“Polar Sea”号的处置方案仍未明朗。

对于未来科考破冰船的发展，美国多个政府机构部门研究了极地破冰船的现状与发展建议，其中2011年美国海岸警卫队为美国国会提供了“高纬度研究”报告，在该报告中提出“目前的破冰船船队不能满足美国在南极和北极的法定任务需求，如果要满足极地的各种任务需求，至少需要3艘重型破冰船和3艘中型破冰船”，但美国极地破冰船队的发展在短期内仍受资金短缺的制约。不过美国海岸警卫队已于2013财年和2014财年进行了一艘重型破冰船的前期开发投资，将在2015财年及之后进行一艘新重型破冰船的初步设计、采购计划以及要求的技术文件制定，在完成采购前的工作后，将在10年内完成该船的交付。此外，美国大学国立海洋学实验室系统也在计划建造一艘破冰能力为1.4米冰厚（3节航速）的科考破冰船。

加拿大科考破冰船“John G.Diefenbaker”号

2011年10月，加拿大海岸警卫队与STX加拿大船舶公司领导的团队签订了一艘科考破冰船“John G.Diefenbaker”号的设计合同。STX加拿大船舶公司是船体设计的总承包商，Aker北极公司承担了船型开发、船体强度、满足破冰需求的功率预报、冬化措施以及轴系设计，Imtech Marine和Techsol Marine公司负责电力集成，SNC-Lavalin公司负责全寿命周期的维护和后勤保障业务，通过多方合作设计以确保该船达到40年的服役寿命。该多用途船舶将在2017年替代“Louis S.St.Laurent”号，能够在覆盖有3米厚冰雪的2.5米厚平整冰环境以0节的速度前行，将提升加拿大海岸警卫队的破冰能力，该船同时将提高加拿大的科考能力，每年能够在北极独立操作270天。

“John G.Diefenbaker”号总长149.3米，船宽28米，深13.5米，设计吃水10.5米，最大航速为18节，船上可容纳60名船员和40名科考人员。

据了解，该项目分为三个阶段，第一阶段包括概念确定、概念设计和关键设计衡准的调整，第二阶段是确定尺寸的初步设计阶段，第三阶段和最后一个阶段是完成整体设计包以通过船级社认可，并提交给加拿大海岸警卫队以供Vancouver船厂进行生产设计任务。2013年初，第二设计阶段完成，2013年底开始进入最终设计阶段。在设计过程中，加拿大海岸警卫队确定了优化船型以满足重型破冰要求的首要目标，并且兼顾了敞水特性。在设计中，设计公司还采用了支持破冰的特殊系统，例如，一套气泡系统和一套冰区复原系统。此外，对不同推进系统的优点和权衡进行了全面研究，对两种不同的推进系统进行了大量的模型试验：一种是两侧双轴和中间吊舱布置，另一种是三桨布置，分析了冰区功率需求，同时也评估了操纵、定位和敞水性能。

图2：“John G.Diefenbaker”号科考破冰船

欧洲“Aurora Slim”号科考破冰船

“Aurora Slim”号隶属于欧洲科考破冰船联盟（ERICON-AB）项目，旨在设计一型集科考、破冰和钻井等功能于一体的多用途船舶。该项目起步于2004年，在完成技术可行性研究后进行了概念设计，2006年欧洲研究基础设施论坛（ESFRI）路线图确立了ERICON-AB项目作为一个新的跨欧洲利益研究基础设施，该项目由欧盟委员资助，为期4年，它是一个最大的环保科学项目。为推进欧洲极地科考破冰船的建造和运营资源的整合和决策程序，该项目成立了科学、战略、法律、财务和组织等框架。该项目最初是设计“Aurora Borealis”号科考破冰船，该船总长199.95米，最大船宽49米，设计吃水13米，服务航速15.5节，最大航速20节，不过由于预算成本极为昂贵，达到8亿欧元，导致欧盟委员会取消该项目的优先发展权。但由于该项目在科学任务、合作模式、法律结构等方面取得了良好的效果，2011年ERICON-AB利益相关方理事会要求Aker北极公司研究开发低成本船型的可行性。由于ABB公司研究了采用PC1冰级吊舱作为推进装置的概念可行性，因此Aker北极公司在不降低任何科学目标的条件下设计了一型成本约为5亿欧元的“精简版”紧凑、灵活、高性能科考船“Aurora Slim”号。

“Aurora Slim”号设计独特，集科考、深海钻井和重型破冰能力于一体，能够在极地水域操作以搜集各个季节的气候数据。据了解，至今全球尚没有任何一艘能够全年在极地操作的船舶，“Aurora Slim”号将成为世界首艘具备此能力的船舶。欧洲科考破冰船项目除了满足上述目标之外，还成为了一项高效的技术创新平台，这也是欧盟FP7项目的目标。在技术创新方面，除采用新吊舱推进设计之外，“Aurora Slim”号还可使用LNG作为燃料，该船可将布置在甲板上的集装箱用于储存LNG燃料，可供破冰船运行一星期。

图3：“Aurora Slim”号科考破冰船

“Aurora Slim”号拥有一个长且高的艏楼，并增大了船尾高度以保护船尾工作甲板。该船的一个特色是设计有能够居住、导航、科考功能的大型上层建筑，延伸至两侧，可以保护外部设备。该船采用Aker北极“双动系统”（DAS）原理，配备有3个15MW的吊舱推进装置，排水量仅为42000t，远低于原设计的65000t，同样装机功率从101MW降低至58.5MW。预计该船的操作成本将减少45%。

就科考任务而言，该船可以进行地质学（钻井）、地球物理学、海洋学、深海生物学、冰河学、气象学/大气物理和水深测量等学科任务，实验室的布置经过了优化便于满足工作流程。与原来的布置相比，“Aurora Slim”号的科考工作区域完全重新布置，这源于船体尺寸的减小。月池数量从2个减为1个，生活处所和科研处所分开布置。原来的设计是客舱临近实验室，新的布置方案则更为常规，节省了大量空间。该船设置有4个主取样区，分别位于船尾、从绞车室进入船尾舷侧、月池、从月池区域进入舷侧。所有这些区域均通过大型门与一个大型生化制备实验室（wet lab）相连通。各取样区均使用绞车室内的绞车，并配备有必要的起吊设备、吊艇架等。船尾的工作甲板为部分遮蔽，面积超过850m2，其上设置有两处取样区。右舷侧布置有一个55米长的敞式甲板处所。月池及其右侧的取样区位于生化制备实验室。所有样品可第一时间到达面积为920m2的生化制备实验室，其中有630m2的面积有两层甲板高。在上层还设置有一个面积为185m2的处所，用于储存6个实验室集装箱。生化制备实验室与300m2的绞车室相连通，其中200m2有两层甲板高。所有生化（wet）和泥浆作业以及取样的准备和操作都在这个实验室进行。用于储存所有生化（wet）和较脏样品的实验室和储存箱位于该实验室的最下方两层，在其上方布置有干式和清洁实验室，最上层包括IT室、办公室、绘图室和其他辅助处所。更衣室、盥洗室、卫生间和洗衣间位于第一层桥楼甲板上，靠近生活处所。生化制备实验室下方布置有机械车间，所有需要焊接、金工和需要机械辅助的工作都可以在这里进行。设置有一台电梯，可以从车间通向所有科考甲板，一个用于叉车的大型电梯可以从生化制备实验室的最底层到达所有四层实验室甲板。生化制备实验室上方是一个科研中庭，配备有一个较大的圆形天窗便于自然采光。该中庭配备有升降通道、照明和适合于科研舱室的空间，以及配有房间可用于安装钻井设备。

在三层甲板上分布有可放置6个集装箱的储存空间，其中最下层主要用来存放实验室集装箱。这些集装箱配有从外层甲板到主甲板的可提升舱口，并且在主甲板上的直升机甲板上设有出入口。在生活区旁边，通向科研处所处还设有供科学家们使用的会议室、小组讨论室、演讲室以及配有通讯设备的大型会议室。

钻井功能通过一个可拆除的钻井设备予以实现，配有R100型钻机，钻塔与工作甲板的高度为26米，距离龙骨41.2米。主甲板存在足够的空间容纳钻井设备，钻杆的最顶端覆盖有一个封闭式钢罩。

图4“Aurora Slim”号的剖面图

就破冰能力而言，“Aurora Slim”号拥有极佳的破冰船首，同时在面对冰脊等恶劣冰况时可采用船尾破冰。在Aker北极技术公司的冰池试验进行的平整冰、浮冰和堆积冰试验表明，该船能够在2.5米厚的平整冰区以2～3节的速度航行，能够以持续的速度穿过高达6米的冰脊场，能够依靠船尾破冰穿过高达15米的冰脊场。

韩国科考破冰船“Araon”号

2003年，韩国产业研究院启动科考破冰船的可行性研究，2004年韩国海洋研究院、三星重工和韩国海事技术株式会社进行了项目的设计开发，2005年韩国极地研究所、韩国海洋研究院与STX造船签订建造文件，2006～2008年进行建造，2009年6月完工，2009年11月开始在极地水域和敞水进行操作性能试验。

图5“Araon”号科考破冰船

表2“Araon”号的主要科研设备

该船总长111米，垂线间长95米，最大水线宽19米，设计吃水6.8米，夏季最大吃水7.6米，总吨7487t，配备有4台3500kW的MAN B&W 7L32/40型柴油机和2台5000kW的Azipod吊舱推进电动机，航速为16节（7500kW），船员25人和科学家人数60人，续航力20000nm（70天），冰级符号为KR POLAR 10级。该船每年的运营计划是科研与后勤保障165天，维护28天，航行110天，总计303天。2010年，该船在北极海域进行了实船试验，结果表明该船以3节航速持续航行时破冰能力为1米厚平整冰（抗弯强度为630 kPa），通过分析表明该船能以1.5节航速在2.5米厚的中等浮冰条件下航行，功率需求为5MW，能够以3.1节航速在2.5米厚的中等浮冰条件下航行，功率需求为6.6MW。经过试验与分析可知，该船在中等浮冰条件下的航行性能超过平整冰条件下的航行性能。此外，该船配备有海洋研究、地球物理、海洋生物等多类科研设备（见表2）。2014年1月20日～24日IMO召开了船舶设计与建造分委会第一次会议（SDC 1），会议讨论了在极地水域操作船舶的强制规则议题，涉及12项内容，主要包括MARPOL附则I、II、IV和V修正草案、起草新的SOLAS第XIV章、极地规则的适用范围、极地规则中温度的定义和使用、极地规则中有关环境保护内容、船体、机械和设备、航行和操作事项以及极地水域操作手册等。本次会议的极地船舶规则工作组讨论制定了强制性的《国际极地水域操作船舶规则》（极地船舶规则）草案【The draft text of the mandatory international code for ships operating in polar waters（Polar Code）】。SDC 1原则上通过了SOLAS新的第XIV章“在极地水域操作船舶的安全措施”草案（draft new chapter XIV“Safety measures for ships operating in polar waters”），其使极地船舶规则（引言和第I-A篇）为强制性。此外，SDC 1提出的MARPOL修正案草案将使极地船舶规则（引言和第II-A篇）为强制性。其涉及MARPOL附则I（防止油类污染）、附则II（有毒液体物质）、附则IV（污水）和附则V（垃圾）。据了解，2014年IMO还制定了有关极地船舶规则议题的会议议程，见表13。预计SOLAS、MARPOL修正案将分别提交MSC 93和MEPC 66审批，极地规则以及极地船舶的证书和文件要求将提交MSC 93和MEPC 66审批，预计在MSC 94和MEPC 67通过。

IMO极地规则的发展以及衍生的相关规则规范要求例如IACS相关规范，都将对冰区航行船舶设计建造产生显著影响，这一点毫无疑问。问题是这些规则规范的制定对科考破冰船的发展存在明显影响吗？IACS在2011年制定了一份“极地船级相关要求”（Requirements Concerning Polar Class），其在I1.1.1指出“本要求适用于拟在极地冰区航行的钢质船舶，不包括破冰船（见I1.1.3）”，而I1.1.3指出“亦接受‘破冰船’船级符号的船舶可能存在其他要求，应予以特殊考虑……”。美国船级社对美国海岸警卫队的几艘科考破冰船的设计进行了评估并分析了其建造标准与极地级要求的差异，主要评估范围是冰加强区域、外板、肋骨（肋骨稳性和最小厚度要求）、结构的冰载荷适用范围等，分析结果表明美国“Polar Star”号的建造标准类似PC2/PC3、“Healy”号的建造标准类似PC3、“Mackinaw”号的建造标准类似PC4。需要指出的是，美国船舶研究人员在设计“极地”级破冰船时也遇到了设计衡准变化问题，除了成本问题之外，一个比较明显的衡准变化是污染防止的强制性要求。而且根据SOLAS新的第XIV章“极地操作船舶的安全措施”（草案修正案）第2条“适用范围”2.1和第1-A篇“安全措施”第1章1.1“适用范围”之规定，我们可以作一假设，未来科考破冰船的设计建造要求将会遵循或高于IMO制定的极地规则。