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首艘国产极地科考破冰船开建,极地船舶
2020-03-04 122

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新华社上海12月21日电12月20日,首艘国产极地科考破冰船在上海开工建造。根据计划,新船2019年完成建造、投入使用。新船的建造,破冰效果几何?

中国首艘自主建造极地科考破冰船效果图/作者-胡可一

双向破冰,更好地破极地坚冰

2017年9月,中国极地科考船“雪龙”号成功从北美大陆东侧的戴维斯海峡,抵达位于北美洲西北部的波弗特海,完成中国船舶首次穿越北极西北航道的任务,获取了该区域的第一手海洋环境数据资料,为中国商船未来航行北极西北航道创造了条件。在此之前,中国船舶曾多次通过北极东北航线来往于中欧港口运输货物。

新船建造工程由国家海洋局所属中国极地研究中心组织开展,江南造船有限责任公司承担建造。所建新船长122.5米、宽22.3米,航速12-15节,续航力2万海里,自持力60天,载员90人。

近年来,随着全球变暖,北极的通航时间甚至延长到了4~5个月,北极航道成为新的“大西洋—太平洋”中心航线变得可能。此外,北冰洋海底蕴藏着丰富的石油、煤炭、天然气、可燃冰等资源,因此,北极航线不仅是一条贸易航线,更可能是一条繁忙的资源与能源运输线。在这一背景下,极地船舶的研制成为船舶市场上的一大亮点。

“这是我国第一艘自行建造的极地科学考察破冰船。”中国极地研究中心主任杨惠根说,与目前正在南极科考、我国唯一的极地考察破冰船“雪龙”号相比,新船在破冰等性能上更胜一筹。

极地船舶市场大有可为

新船由中国船舶工业集团七O八研究所和芬兰Aker北极公司联合设计。按照设计,新船将可以2-3节航速冲破1.5米厚的冰层加0.2米厚的积雪,“雪龙”号则是以1.5节航速冲破1.0米厚的冰层加0.2米厚的积雪。

自1997年芬兰一艘商船首次试水北极东北航道以来,穿越这条航道的商船逐年增多,北极航道作为连接亚欧交通新干线的雏形已经显现。2010年,经北极航线的货船仅有4艘;2012年,这个数字已增加到46艘;2013年,俄罗斯东北航道管理部门批准了393艘货船通航。

新船采用国际先进的双向破冰船型设计,船首、船尾均可破冰,具备全回转电力推进功能。一方面解决破冰航行低速舵效差问题,另一方面,尾向破冰时可实现极区原地360度范围内自由转动,并可突破10-15米海冰冰脊。

业内人士预测,北极航道的商用化可能在2030年左右实现。而根据挪威船东协会发布的数据,2020年,经北冰洋的货物运输量将增至5000万吨。更有专家认为,随着气候变暖,北极航线到2020年通航时间将达到6个月;2030年后,可能实现全年通航。

与“雪龙”号相比,新船在冰区操纵、定位和掉头作业变得更容易,更利于海上科考作业和船舶航行安全。

正是看到北极航道未来的美好前景,我国在这方面进行了积极尝试。2013年9月,原中国远洋运输总公司的“永盛”号货船从中国太仓出发,经过北极东北航道到达荷兰鹿特丹港。其航程7800多海里,比经马六甲海峡、苏伊士运河的传统航线缩短2800多海里,航行时间缩短9天。“永盛”号成为第一艘经过北极东北航道完成亚欧航线的中国商船。2015年,“永盛”号又经过北极东北航道成功往返中欧。2017年9月,中远海运特种运输股份有限公司的“莲花松”号货船自连云港起航到达俄罗斯圣彼得堡港,标志着中国远洋海运集团有限公司实现北极常态化航行。2017年,“雪龙”号穿行北极西北航道,更是为中国商船未来在北极西北航道航行积累了经验。

目前,世界上拥有破冰船最多的国家是俄罗斯,能力最强的破冰船是俄罗斯的“50周年胜利”号核动力破冰船,航速18节时最大破冰厚度可达2.8米。

中国船舶工业集团公司第七○八研究所高级工程师李源表示,北极对于商业市场的吸引力主要体现在两点:一是航道。利用北极航道,可显著减少亚洲和欧洲、亚洲和美洲间的航程,如取道北极东北航道,上海港至鹿特丹港的理论航行时间可从30天缩减至14天。二是资源。北极油气资源储量可观,美国地质勘探局2008年的调查结果表明,北极的石油和天然气资源储量占全球未发现石油和天然气储量的比例分别为13%和30%。据了解,2016年全面铺开的亚马尔液化天然气项目就是处于北极地区的大型能源项目,已探明1.3万亿立方米天然气和6018.4万吨凝析油的油气储量,预计于2019年全面投产,每年可生产1650万吨液化天然气、100万吨凝析油。

双船组队,助力破科考坚冰

李源表示,从短期来看,航行于北极航道的商船主要是以运送能源的液货船为主,还有少量的杂货船。“估计船东从成本角度考虑,航行于北极航道还不具备经济性。”她说,极地船舶的建造成本高于普通船舶,而且冰级符号为PC6和PC7级的极地船舶仍然只能在夏季/秋季通航北极,这样测算下来,航行时间的缩短可能不足以抵消建造成本的上升以及在北极航行的安全风险。油气资源开发方面,目前极地油气的开采成本很高,据估算在75~80美元/桶,而现今的国际油价在50美元/桶左右,这样的市场环境难以支撑北极油气的开发项目。“但从中长期来看,随着北极冰盖的逐年消融,未来北极的航道利用和资源开发必定日渐增多,对极地船舶的需求量也会越来越大。此外,北极地区特殊的气候环境和地理位置决定了它不仅对环北极国家而言是战略要地,对非北极国家而言也同样具有重要的战略价值,因此提前做好北极相关装备和技术储备是很有必要的。”李源说。

极地科考破冰船是抵达极地海洋目标海域、开展冰区海洋调查作业和科学研究的重要保证。我国自1984年首次组队开展南极考察至今,先后赴南北极地区担负运输、科考的船只,分别是“向阳红10”号、“J121”号、“海洋四号”、“极地”号和“雪龙”号。目前进行极地科考的,只有正在执行南极科考任务的“雪龙”号。“雪龙”号由乌克兰赫尔松船厂1993年建造,我国购入后加以改造,成为极地考察船。

许多业内人士有类似的看法。中国船舶工业经济与市场研究中心分析师孙超也认为,短期来看,极地油气项目面临开发技术难度较大和收益较低的问题,同时市场过剩运力较多,极地船舶新船需求相对有限。但长远来看,极地油气资源丰富,同时,极地航线具有明显的运输时间成本优势,极地船舶需求增长空间广阔;此外,目前在营极地船舶老龄化趋势严重,未来存在较为迫切的更新需求。总的来说,极地船舶市场前景乐观,大有可为。

新船建成后,将与“雪龙”号组成极地科考破冰船队,编队赴南北极进行科考和后勤补给。届时,将告别“雪龙”号单船极地“作战”模式,发挥“一加一大于二”的作用。

极地船舶研制谁执牛耳

“新船建成投入使用后,将大大加强我国极地考察保障能力和极地海洋调查能力。”杨惠根说。

从目前北极航道的发展趋势来看,集装箱、能源与干杂货将成为未来经北极航道运输的最主要货物,多用途船、集装箱船、油船、LNG船将成为未来极地海域内的四大主力船型。

据介绍,新船将配备一系列先进的科考设备。同时,为保护极地环境,新船严格按照国际标准进行绿色环保设计。新船将装备废气清洗设备,深度解决破冰船排烟污染问题。

李源介绍说,国际海事组织制定的《极地规则》已于2017年1月1日正式实施,该规则将PC7级以上的船舶称为极地船舶。极地船舶按照功能、用途可分为科考、旅游、运输、资源开发以及保障与防务等5类。按照《极地规则》的破冰船等级来划分,从PC1至PC7,共有7种不同等级的极地船舶,其中PC6和PC7级船舶可在夏季/秋季在极地航行,PC5级以上船舶可全年在极地航行,PC1级船舶破冰能力最强,连续破冰厚度可达到3米。

首造科考破冰船,有效破极地船舶制造业坚冰

根据统计数据,截至目前,全球共有2833艘极地船舶在役或在建,但80%以上仅满足最低冰级要求,即PC7级,共2322艘,PC6级283艘,PC5级以上228艘。相对而言,PC5级以上极地船舶的设计和建造难度较高。孙超表示,与常规船型相比,极地船舶的设计技术要求有所不同,主要包括以下方面:结构加强;型线设计调整,如球鼻艏的取消;满足极地环境设计温度降低要求;舵、主机等设备或系统存在特定设计要求;要求涂玻璃鳞片加强型的防锈漆等。

极地考察破冰船是在极地恶劣环境中考察作业的特种船舶,对船舶的设计和建造都有很高的技术要求。新船的建造,将有效提高我国在这类船舶方面的建造水平。

韩国和中国是极地船舶的主要建造国家。李源表示,从高冰级船舶的建造情况来看,韩国实力最强,其承接的PC5级以上的极地船舶占全球总量的60%左右,但船舶数量并不多,共16艘,其中包括韩国大宇造船海洋2013年一次性承接的俄罗斯亚马尔项目15艘PC3级17万立方米LNG船订单,价值50亿美元。中国在极地船舶建造方面的实力也不可小觑,共承接了13艘高冰级极地船舶订单,如广船国际有限公司为俄罗斯亚马尔项目建造的PC3级极地重载甲板运输船、PC3级极地凝析油船等。此外,芬兰、俄罗斯等环北极国家虽然很少建造大型极地商船,但破冰船、拖船等极地保障船舶的建造实力非常雄厚。

长期以来,船舶保障支撑能力,一直是我国极地考察中的一个短板。在极地恶劣的环境下,因船舶自身能力不足,我国南极考察就曾遇到不少困难,如2014年初,“雪龙”号在成功救援俄罗斯被困客船“绍卡利斯基院士”号后,便遭遇到密集浮冰而被困。

有数据显示,全球承接建造极地船舶的造船企业为韩国的大宇造船海洋、现代重工、三星重工,中国的广船国际、中远海运重工有限公司、中船黄埔文冲船舶有限公司、中航鼎恒造船有限公司、金海智造股份有限公司、中船澄西船舶修造有限公司、泰州三福船舶工程有限公司,芬兰的Arctech Helsinki船厂,俄罗斯的Zvezda船厂等。孙超表示,我国造船企业的极地船舶建造技术水平日益提升,同时在设计领域与全球先进水平的差距也在不断缩小。截至2017年10月底,全球共手持极地船舶订单133艘。我国手持极地船舶订单为58艘,全球占比达到44%,在中小型极地船舶领域,我国更是占据了“大半壁江山”。

江南造船有限责任公司副总经理张俭说,极地地区低温、多冰,环境恶劣,针对破冰、环保、降噪等各种建造难点,公司专门组织了力量应对,确保新船顺利建造、交付使用。

业内人士认为,我国在极地商船和部分高冰级极地船舶建造方面已取得突出成绩,但由于我国国内破冰船的需求不强,破冰船等高冰级船舶的技术发展较慢,基础科研设计力量相对薄弱,目前世界上设计和建造破冰船能力较强的国家主要有俄罗斯、芬兰、瑞典、德国、美国、挪威、丹麦、加拿大等。但这一状况正在逐渐改变。2016年12月,中国首艘自主建造极地科考破冰船在江南造船有限责任公司开工。该船具有很强的破冰能力,能在1.5米厚度冰、0.2米厚度雪的海况下,以2~3节航速连续破冰行驶,建成后将结束多年来我国南北极考察“雪龙”号单船作战的历史。

与一般的船舶相比,破冰船要求有高强度的船体,以承受冰压力的冲击载荷;要求有强劲的动力设备、推进机械等,确保强力破冰。此外,还要求能防寒抗冻,在极端低温条件下确保航行安全。

业内人士还指出,极地LNG船的建造应得到我国更多的重视。据了解,俄罗斯出口到日本、韩国以及东南亚市场的石油和天然气选择走北极航道的可能性很大。以东北航道为例,目前能源运输已占据其货品运输总量的70%,未来北极航道天然气运输市场的前景非常可观,极地LNG船的需求也必将增多。业内人士建议,我国造船业应高度重视对北极航道的研究,加大对高冰级极地船舶和极地LNG船的研发力度,不仅为我国在北极地区“破冰前行”提供装备保障,而且逐步在极地船舶市场占据主导地位。

随着气候变暖、海冰消融,北极部分水域夏季“无冰期”增多,北极航道开始露出冰面。从我国的港口往北航行,经白令海峡过东北航道到达欧洲,这条新远洋航线开通后,我国远洋货轮可以更便捷地抵达欧洲。

极地船舶配套不拖后腿

张俭说,全球气候变暖,海冰加速融化,北极成为真正意义上的无限航区。总体而言,对具有一定破冰能力的各种船舶建造需求,将会越来越多。

与普通船舶相比,极地船舶无论是在钢板等船体材料,还是动力装置、导航系统、系泊设备、甲板机械、电器等配套设备方面都具有特殊性,再加上北极是一个生态环境十分脆弱的区域,极地船舶在环保方面的性能至关重要,这都对极地船舶配套设备的研制提出了较高的要求。李源表示,极地船舶所使用的钢板需要满足极地低温环境条件要求;结构需要进行特殊的加强;甲板机械等需要进行冬化防冻处理;动力及推进系统,尤其是轮机装置和液压系统应能在低温下正常运行,应急柴油机能够低温起动;水管和水箱必须有防冻措施;导航系统需避免失效等。因此,极地船舶的设备必须进行特殊的设计、制造才能安全可靠地在低温条件下使用。

极地船舶特别是极地破冰船对钢材的要求极高,由于冰层接触线以下的船体部分必须承受冰层的反复撞击,因此所用钢材必须具备足够的低温韧性、强度、可焊接性、疲劳强度等。在极地船舶低温钢研制方面,俄罗斯、日本、韩国、芬兰等国走在前面,但我国也已完全具备自主研发极地船舶用低温钢的装备条件与技术能力,并在优异低温韧性超高强级海工钢的研制方面取得显著成果。目前,上海海事大学与宝山钢铁股份有限公司共建的“海洋极端环境钢铁材料制备与蚀损控制”联合实验室研发并首次批量生产的20吨极地特种低温钢已用于 “雪龙”号的内部改造,改造后的“雪龙”号于2017年11月8日奔赴南极,开启第34次南极科学考察。此次跟随“雪龙”号一同上船的还有该联合实验室研发的一些特种钢样品,它们被焊在甲板等处进行随船试验。未来,这些特种钢或将用于我国新建的极地科考破冰船上。上海海事大学海洋科学与工程学院教授尹衍升表示,中国极低温船舶用钢材料在关键技术、产业制造及工程应用上已经实现重大突破,将为建造更多的极地航行船舶提供物质材料保障。

由于极地环境十分严酷,极地航行船舶所装备的甲板机械也具有特殊性。中国船舶重工经济研究中心高级分析师曹林介绍说,极地船舶甲板机械,特别是安装在露天甲板面上的锚绞机、克令吊等需面对众多问题,如冰雪带来的附加载荷;结构件因材料的低温脆性而损坏;铸钢件出现冻裂现象;钢丝绳因低温出现冻硬,难于缠绕甚至断股;工作液凝结;橡胶密封件脆化、失效;电气线路出现硬化、脆化现象等。因此,极地船舶甲板机械的研制必须充分考虑对极地环境的适应性,在低温起动、密封、传动及润滑等方面进行更多攻关。据了解,全球极地船舶甲板机械市场主要由少数几家船配业巨头占据。如挪威甲板机械生产商Pusnes公司、英国著名船舶产品配套商罗尔斯·罗伊斯公司等。近年来,我国通过集中力量开展项目研发,在极地甲板机械及核心部件关键技术研究方面取得突破,基本掌握了极地船舶锚绞机、克令吊以及其包含的液压马达、泵、阀、电控系统等产品的设计、制造和试验技术,打破了国外垄断。

业内人士表示,极地船舶市场前景广阔,为我国船舶工业带来了机遇和挑战。我国应加快推进极地船舶规范以及相关配套设备的研究,直面挑战,抓住机遇,通过打赢极地船舶市场竞争战,向造船强国目标更近一步。 来源:中国船舶在线