专题研究全球大功率科考破冰船的发展概览

【专题研究】全球大功率科考破冰船的发展概览2014-04-29 秦琦 MARIC 情报站2014 年 1 月份，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，不过救援过程颇为艰险，另外一些国家也参与了救援但未能成功。鉴于此，本文将主要介绍全球能够在南北极作业、已有以及在建/计划建造的大型科考破冰船发展，主要从全球大功率（10000 hp 及以上）科考船队现状、典型科考破冰船的参数和性能、具体的设计案例、规则规范等几个方面论述。1 全球大功率科考破冰船船队根据美国海岸警卫队 2013 年 6 月的统计，目前功率在 10000 hp 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）。美国和加拿大、俄罗斯属于第一阵列，拥有的科考破冰船分别达到 5 艘、5 艘和 4 艘，其中美国毫无疑问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 45000 hp 以上）、1艘中型破冰船（功率 2000045000 hp）、1 艘轻型破冰船（功率 1000020000 hp），此外正在新建一艘。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。详见表 1。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。2 典型科考破冰船简介本文选择了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，以下将从其研发历程、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。（1） 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，属于重型破冰船。船首和船尾钢板厚度为 4.5 cm，船舯的钢板厚度为 3.2 cm。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 kn 的速度连续在最厚 6 英尺（1.83 m）的冰区航行，冲撞式破冰能力为 21 英尺（6.4 m）。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 18000 hp 的柴电推进系统或 3 台能够产生 60000 hp 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。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 710 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 m 冰厚（3 kn 航速）的科考破冰船。（2） 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 30 cm 厚冰雪的 2.5 m 厚平整冰环境以 0 kn 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。该项设计分为三个阶段，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。据了解，2013 年初，第二设计阶段完成，2013 年年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。（3）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 m，最大船宽 49.00 m，设计吃水 13.00 m，服务航速 15.5 kn，最大航速 20.0 kn，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。“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 15 MW 的吊舱推进装置，排水量仅为 42000 t，远低于原设计的 65000 t，同样装机功率从 101 MW降低至 58.5 MW。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 850 m2，其上设置有两处取样区。右舷侧布置有一个 55 m 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 920 m2 的生化制备实验室，其中有 630 m2 的面积有两层甲板高。在上层还设置有一个面积为 185 m2的处所，用于储存 6 个实验室集装箱。生化制备实验室与 300 m2 的绞车室相连通，其中200 m2 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 m，距离龙骨 41.2 m。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。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 m 厚的平整冰区以 23 kn 的速度航行，能够以持续的速度穿过高达 6 m 的冰脊场，能够依靠船尾破冰穿过高达 15 m 的冰脊场。（4） 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