国产冰级LNG船离我们还有多远？

钟航

近日，韩国大宇造船海洋建造的全球首艘自破冰17.2万立方米液化天然气（LNG）船“SCF Yamal”号在其巨济船厂下水。该船是大宇造船海洋接获的系列冰级LNG船中的首制船，预计将于2016年年底交付，届时将服务于俄罗斯亚马尔天然气（Yamal LNG）项目。作为全球首批满足俄罗斯船级社（RS）冰区航行最高入级符号“Arc7”要求的大型LNG船，该型船一直是业内关注的焦点。由于国际油价低迷，天然气田开发速度放缓，LNG船市场也面临压力。得益于大型冰级LNG船建造能力，大宇造船海洋于2014年“鲸吞”了亚马尔项目全部15艘冰级LNG船。该型船造价高达3.16亿美元，大宇造船海洋因此不仅成为“第一个吃螃蟹的人”，而且在获利不菲的同时成功削弱了船市下行的影响。

近年来，随着国际社会越来越重视极地开发，冰区加强船舶成为新宠。在中国船舶工业转型升级加速推进的当下，掌握冰级LNG船的设计与建造本领无疑具有双重意义。对此，沪东中华造船（集团）有限公司开发研究所LNG船主任设计师宋炜表示，与常规LNG船相比，具有自破冰能力的冰级LNG船除需要“身强体壮”、动力强劲外，还需具备全面防冻防冰能力，在船体结构、动力系统、甲板设备与管系、液货舱围护系统及其他配套设备方面有很多特殊要求，国内相关技术储备较为薄弱。如想进入该领域，船企需先行对设计方案、试验手段、焊接工艺等进行攻关，或者先从无自破冰能力的冰级LNG船入手。

防冻防冰细致入微

极地极端恶劣的自然气候条件决定了不论LNG船是否具备自破冰能力，都必须在每一个细节上考虑防冻问题。破冰型LNG船的船体需采用特殊的低温耐撞钢板，这种钢板需要采用特殊的焊接工艺装焊；船体冰带区域需涂装特殊的耐磨耐低温油漆；采用的破冰艏往往有特殊的入水角度要求，以利于船舶推开浮冰。

一般而言，冰级LNG船在水下与水面上的防冻需求略有不同。在水下，海水吸入与排出装置需进行特殊处理。冰级LNG船除常规布置的海底门外还需在船体底部增设防冰海底门，以确保海水取水口的畅通，海底门箱体要设置迷宫式的冰水分离结构，利用水密度大于冰的物理性质，形成冰水的分层，吸入的浮冰将漂浮到箱体上部，而泵组的取水口设置在箱体的下部，这样可以大大减少吸入海水时掺杂的碎冰，进而防止碎冰破坏船用设备。当海水排出时，设计人员必须考虑出水口被冰块封堵的可能，一般会采取舷旁箱体结构来替代常规的排水口，以消除上述隐患。同时，LNG船的压载舱必须配备压缩空气吹泡系统或微循环系统，保证压载水始终处于流动防冻状态。在水面上，压载舱的透气帽和各舱透气桅的管路出口均需加装加热装置，防止结冰。由于气动压缩空气中含有的微量水分在低温时可能会在气动执行机构上产生结冰，为确保甲板动力执行设备和管系的可靠运行，甲板动力设备和阀门遥控系统需考虑采用液压传动，确保低温时的可靠运行。全船在甲板面、舱室通风口、舱室的门窗、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处需设置大量的加热、伴热布置，加热方式主要选用电加热或热油加热，其效率高于常规的蒸汽加热，也能够防止凝水系统的结冰问题。

上述设计仅仅能满足船舶极地航行的需求，要具备自破冰能力，LNG船还需有较强的冲击载荷承受能力。众所周知，破冰船的破冰作业大致分为两种，一是依靠船艏压裂冰层，二是通过反复冲撞击碎冰层。不论哪种情况，破冰船在破冰时或在冰区通行击打到浮冰时承受的瞬间冲击载荷都将达到航行时的2～4倍。如此巨大的冲击载荷，需要非常强劲的推进系统，这对轴系的设计带来了诸多挑战。如常规柴油机的曲轴可以采用红套工艺或整体锻造工艺制造，但是在遇到这种大幅度的冲击载荷时，红套工艺制成的曲轴极易发生滑脱变形，要可靠应对这种工况，必须采用整体锻造的曲轴。设计人员只有在充分开展计算流体力学（CFD）轴系受力分析后，结合工艺和运转特性，才能选定轴系的材料、加工工艺。值得一提的是，虽然电力推进能满足低转速高扭矩的工况要求，但是减速齿轮箱的抗冲击能力较弱，其更加适用于主动力设备在艏部的船型。宋炜指出，柴油机直推效率较高，系统抗冲击性能好，适用于主机位于艉部的船型，也可用于冰级LNG船。此外，冰级LNG船在破冰作业时船体将不可避免产生震荡，LNG船的液货舱围护系统需要考虑额外加强措施，以应对这些冲击；冲击还会造成液货舱内天然气的挥发量增大，使得挥发气处理工况较为复杂。

脚踏实地从易到难

2014年11月21日，国际海事组织（IMO）海事安全委员会第九十四届会议正式通过了具有强制性的《极地水域船舶航行国际准则》。这意味着自2017年1月1日起，所有通航极地的船舶都必须取得相应证书，除了空气污染物的排放需满足Tier Ⅲ标准以外，各类污水和生活垃圾都要实现零排放。因此，冰区LNG船还需加装污水、垃圾处理装置及巨大的收集舱，以使其至少满足1个月航行的需求。如果说，现有双燃料动力方案已对LNG船的舱室布置提出了很高的要求，那么在此基础上满足《极地准则》的要求，将进一步加重船企和船东的负担。

基于上述各种特殊要求，考虑到国内技术准备尚才起步，宋炜认为，国内船企可先从不具备自破冰能力的冰级LNG船入手。就北极航道的开发来说，目前存在两种模式。一是具有自破冰能力的船舶单枪匹马通航极地航线，这些航线鲜有其他船舶通过，亚马尔项目即属此例。二是利用一定数目的破冰船在窗口期维持某一航道畅通，使一定数量的冰区加强船舶能利用这一航道。因此，即使是不具备自破冰能力的冰区LNG船也有相应的市场潜力。对标国内外，国内的技术短板主要是设计经验不足、没有冰池试验条件、对极地航行的特殊操作要求了解不深等。“大宇造船海洋的建造经验表明，自破冰LNG船的建造难度要超过常规LNG船。国内船企可以先从特殊钢板的焊接工艺等具体工作入手，加强与外部的技术合作，善加利用船东反馈的信息，逐个解决上述难题。”宋炜说。