鐘航

近日，韓國大宇造船海洋建造的全球首艘自破冰17.2萬立方米液化天然氣（LNG）船“SCF Yamal”號在其巨濟船廠下水。該船是大宇造船海洋接獲的系列冰級LNG船中的首制船，預計將于2016年年底交付，屆時將服務于俄羅斯亞馬爾天然氣（Yamal LNG）項目。作為全球首批滿足俄羅斯船級社（RS）冰區(qū)航行最高入級符號“Arc7”要求的大型LNG船，該型船一直是業(yè)內(nèi)關注的焦點。由于國際油價低迷，天然氣田開發(fā)速度放緩，LNG船市場也面臨壓力。得益于大型冰級LNG船建造能力，大宇造船海洋于2014年“鯨吞”了亞馬爾項目全部15艘冰級LNG船。該型船造價高達3.16億美元，大宇造船海洋因此不僅成為“第一個吃螃蟹的人”，而且在獲利不菲的同時成功削弱了船市下行的影響。

近年來，隨著國際社會越來越重視極地開發(fā)，冰區(qū)加強船舶成為新寵。在中國船舶工業(yè)轉(zhuǎn)型升級加速推進的當下，掌握冰級LNG船的設計與建造本領無疑具有雙重意義。對此，滬東中華造船（集團）有限公司開發(fā)研究所LNG船主任設計師宋煒表示，與常規(guī)LNG船相比，具有自破冰能力的冰級LNG船除需要“身強體壯”、動力強勁外，還需具備全面防凍防冰能力，在船體結構、動力系統(tǒng)、甲板設備與管系、液貨艙圍護系統(tǒng)及其他配套設備方面有很多特殊要求，國內(nèi)相關技術儲備較為薄弱。如想進入該領域，船企需先行對設計方案、試驗手段、焊接工藝等進行攻關，或者先從無自破冰能力的冰級LNG船入手。

防凍防冰細致入微

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，都必須在每一個細節(jié)上考慮防凍問題。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行特殊處理。冰級LNG船除常規(guī)布置的海底門外還需在船體底部增設防冰海底門，以確保海水取水口的暢通，海底門箱體要設置迷宮式的冰水分離結構，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，而泵組的取水口設置在箱體的下部，這樣可以大大減少吸入海水時摻雜的碎冰，進而防止碎冰破壞船用設備。當海水排出時，設計人員必須考慮出水口被冰塊封堵的可能，一般會采取舷旁箱體結構來替代常規(guī)的排水口，以消除上述隱患。同時，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，防止結冰。由于氣動壓縮空氣中含有的微量水分在低溫時可能會在氣動執(zhí)行機構上產(chǎn)生結冰，為確保甲板動力執(zhí)行設備和管系的可靠運行，甲板動力設備和閥門遙控系統(tǒng)需考慮采用液壓傳動，確保低溫時的可靠運行。全船在甲板面、艙室通風口、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)的結冰問題。

上述設計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，一是依靠船艏壓裂冰層，二是通過反復沖撞擊碎冰層。不論哪種情況，破冰船在破冰時或在冰區(qū)通行擊打到浮冰時承受的瞬間沖擊載荷都將達到航行時的2～4倍。如此巨大的沖擊載荷，需要非常強勁的推進系統(tǒng)，這對軸系的設計帶來了諸多挑戰(zhàn)。如常規(guī)柴油機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，紅套工藝制成的曲軸極易發(fā)生滑脫變形，要可靠應對這種工況，必須采用整體鍛造的曲軸。設計人員只有在充分開展計算流體力學（CFD）軸系受力分析后，結合工藝和運轉(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，其更加適用于主動力設備在艏部的船型。宋煒指出，柴油機直推效率較高，系統(tǒng)抗沖擊性能好，適用于主機位于艉部的船型，也可用于冰級LNG船。此外，冰級LNG船在破冰作業(yè)時船體將不可避免產(chǎn)生震蕩，LNG船的液貨艙圍護系統(tǒng)需要考慮額外加強措施，以應對這些沖擊；沖擊還會造成液貨艙內(nèi)天然氣的揮發(fā)量增大，使得揮發(fā)氣處理工況較為復雜。

腳踏實地從易到難

2014年11月21日，國際海事組織（IMO）海事安全委員會第九十四屆會議正式通過了具有強制性的《極地水域船舶航行國際準則》。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證書，除了空氣污染物的排放需滿足Tier Ⅲ標準以外，各類污水和生活垃圾都要實現(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個月航行的需求。如果說，現(xiàn)有雙燃料動力方案已對LNG船的艙室布置提出了很高的要求，那么在此基礎上滿足《極地準則》的要求，將進一步加重船企和船東的負擔。

基于上述各種特殊要求，考慮到國內(nèi)技術準備尚才起步，宋煒認為，國內(nèi)船企可先從不具備自破冰能力的冰級LNG船入手。就北極航道的開發(fā)來說，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，亞馬爾項目即屬此例。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船也有相應的市場潛力。對標國內(nèi)外，國內(nèi)的技術短板主要是設計經(jīng)驗不足、沒有冰池試驗條件、對極地航行的特殊操作要求了解不深等。“大宇造船海洋的建造經(jīng)驗表明，自破冰LNG船的建造難度要超過常規(guī)LNG船。國內(nèi)船企可以先從特殊鋼板的焊接工藝等具體工作入手，加強與外部的技術合作，善加利用船東反饋的信息，逐個解決上述難題。”宋煒說。