极地双向推进破冰油船的开发与设计

汤国民

（上海宏华海洋油气装备有限公司，上海 201206）

极地双向推进破冰油船的开发与设计

汤国民

（上海宏华海洋油气装备有限公司，上海 201206）

为经济、快速地将北极地区丰富的石油资源运往亚洲地区，针对北极的气候和冰情，设计一艘采用双向推进方式并带有破冰功能的阿芙拉型原油运输船，并为该船设计一条合适的东北航道。该船能在夏秋季节的3个月沿东北航道航行，将英国北海油田及俄罗斯西伯利亚油田的原油运输至东亚港口，其余时间可在北海和波罗的海区域作为穿梭油船或常规航线上的普通阿芙拉油船运营。详细阐述航道细节及该双向推进油船的设计思路和主要特点，并对其运营经济性进行分析。

北极航线；东北航道；破冰油船；双向推进；设计思路

0 引 言

随着全球气候变暖，北冰洋海冰加速融化，北极地区蕴藏的丰富资源（蕴藏有30%的天然气和13%的石油）和该地区极具战略价值的航道，都在从潜在利益变成现实利益，世界各国对其展开的争夺日益激烈。

著名的北海油田即在北极区域内，世界石油市场上约有6.4%的货物来源于此，如何经济而快速地将北极地区丰富的石油资源运往亚洲地区是一个长期存在的难题。

1 北极航道概况

北极航道分为“西北航道”和“东北航道”，其中：西北航道东起美国和加拿大东海岸，向西穿过加拿大北极群岛，经波弗特海和白令海峡抵达美加太平洋港口；东北航道被誉为亚欧间最经济的航道，全长约2936n mile，从北欧出发，向东穿过北冰洋巴伦支海、喀拉海、拉普捷夫海、新西伯利亚海和楚科奇海等五大海域，直到白令海峡。

根据瑞典斯德哥尔摩国际和平研究所的报告，若开通北极航线，则从我国上海到德国汉堡的航程可比途经马六甲海峡和苏伊士运河的航线缩短约6400km，且可省去为防海盗而支付的高昂的保险费用。据英国《金融时报》[1]报道，根据美国海军的预测，民用船舶最早可于2035年在无冰期穿行北极海域，这将大幅缩减欧亚与北美之间的航行时间和费用。据英国科学新闻网站[2]报道，根据英国雷丁大学研究人员的预测，北极第一个无冰夏季将出现在2052年左右，这比此前预测的提前了9a，此外，北极无冰将使穿越北极的航运成为现实。据法新社报道，目前全球冰川厚度平均每年减少50～150cm，这是20世纪平均水平的2～3倍。

对我国的海外贸易而言，北极航道的商业价值十分明显。利用北极航道将大大拉近我国市场与欧洲、北美等地市场的距离，例如：从我国沿海诸港到北美东岸的航程约比途径巴拿马运河的传统航线缩短2000～3500n mile；从我国沿海诸港到欧洲各港口的航程更是大大缩短（见表1）。通过采用北极航道，在大大缩短航程，节约大量开支、时间和能源的同时，还可省去防海盗所需支付的高额保险费用。由于海盗猖獗，在2008年9月至2009年3月间，船舶通行亚丁湾和苏伊士运河时仅保险费用就较以往增加10倍以上[3]。

表1 我国沿海诸港最便捷远洋航线与北极航线海运里程差 n mile

2 东北航道的设计

根据相关权威部门提供的最新东北航道的夏秋季冰情和水深，设计一条适合15m吃水的阿芙拉型油船航行的东北航道，沿途经过北海、挪威海、巴伦支海、喀拉海、拉普捷夫海、东西伯利亚海、楚克奇海、白令海、西太平洋、日本海和我国东海。

3 夏秋季通航时间的预测与设计

根据有关专家通过气候模式预测的21世纪东北航道通航季节的变化趋势，以50%海冰密集度准则判断，未来30a东北航道的通航时间至少可达到2个月。若以破冰船考虑，75%的海冰密集度也适合通航，在这种情况下，东北航道的通航时间可达到3～4个月。

本文研究的极地破冰油船在东北航道航行的时间设计为夏秋季3个月，根据航道的典型冰情，估算出各时间段的单个航次所需的倒退破冰时间（见表2）。

由表2可知：9月1日—10月1日，东北航道全线开通，无须破冰；8月1日—8月31日，海冰快速融化，海冰最大厚度约1.0m，破冰耗时约2.4d；7月1日—7月15日，破冰距离约700n mile，海冰最大厚度约1.0m，破冰耗时约8.3d；10月1日—10月15日，海冰厚度在1.0m以下，破冰距离约1000n mile，破冰耗时约7.7d。

在1a当中的其余9个月，由于东北航道所在区域的海冰密集、强度高，不利于通航，此时该船可在非北极区域的航道航行。

4 破冰油船的开发与设计

4.1 破冰油船设计理念

阿芙拉型船符合平均运费指数（被称为“运费型船”），一般以运费收入与成本开支的最佳收益点为核心设计，可方便地进入北美的大多数港口，经济性良好。因此，该船的主尺度参照常规阿芙拉型油船，并自带破冰功能，在夏秋季北冰洋冰情缓解时沿东北航道航行，将原油从北海运输至东亚港口。

采用何种破冰方式（船首破冰或船尾破冰）更有效率及采用何种破冰方式更适合该船是必须首先考虑的问题。在查询大量资料后发现：运输的经济性不仅取决于船舶在冰区航行的效率，还取决于在敞水中航行的效率。若采用船首破冰，则船首须设计成破冰艏，船舶在敞水中的航行效率将大打折扣，而该船每年约有9个月是在敞水区航行的，在沿东北航线航行的3个月中，单航次破冰时间较短（如表2所示），采用船首破冰势必会大大影响营运的经济性。

多家权威机构（包括破冰船专业机构——芬兰阿克尔北极技术公司）在研究后发现，采用吊舱式推进器的船舶利用艉部向后倒退破冰的效率比利用艏部破冰更高。

综合以上因素，该船最后决定采用艉部倒退破冰的方式，船首采用球鼻艏，即采用双向推进模式：在敞开水域和有薄冰的海况下，以艏部向前航行，球鼻艏可使船舶高效航行；在冰情严重的海况下，采用破冰型艉部向后破冰推进。

通过查阅大量有关油船、破冰船和极地冰情的资料信息，结合相关的破冰船设计理念[4-7]，按照相关的船级社规范、国际船级社协会（International Association of Classification Societies，IACS）的《极地船级社要求》[9]和国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）的《在极地水域内船舶航行指南》[10]，并咨询包括挪威船级社（Det Nerske Vorites，DNV）、美国船级社（American Bureau of Shipping，ABS）、汉堡水池、瑞典水池和中国极地研究中心等相关权威机构，确定该船的设计理念为：主尺度接近常规阿芙拉型油船，载重量在11万～12万t，配置2台15MW的吊舱式电力推进器，设计航速为15kn，采用艉部倒退方式破冰，破冰厚度为1.5m加30cm的雪；夏秋季沿东北航道航行，其余时间在苏伊士运河或北海、波罗的海区域内作穿梭油船使用；设计冰级为PC5（极地船级，即全年在中等厚度的当年冰龄状况（可包括旧夹冰）下航行)。

4.2 船型概况

该船的主尺度和舱容与常规阿芙拉型油船相近，具有优秀的艉部倒退破冰功能，艉部线型有特殊设计。

该船配置2台15MW的吊舱式电力推进器，同时配备柴油发电机组；设置6对货舱和1对污油水舱，可同时装载3种不同品位的货油；泵舱包含3台大型货油泵，每台的装卸效率为3000m3/h；压载泵布置在泵舱内，所有的泵均由电力驱动。

该船的燃油采用重燃油，艏部与艉部各设置一对燃油舱，SOx和NOx洗涤装置安装在机舱棚内，压载水处理装置布置在机舱内。为适应北极寒冷的气候，在主甲板上设置一个封闭的管弄空间，以便于布置和保护甲板管系。艏部采用鲸背型甲板，以保护甲板上的设备（锚机、系泊绞车等）；人员配置定为 25 人。

4.3 船级符号和总布置图

该船的总布置图见图1。

4.4 主尺度及主要参数

该船的主尺度及主要参数见表3。

表3 极地破冰油船主尺度及主要参数

4.5 总体分舱布置

1 ) 该船为原油船，须符合MARPOL 公约的有关要求。根据MARPOL ANNEX 1的要求，通过计算可得：舷侧双壳距离为2.4m，双层底高度为2.4m。由于船宽较大，故设置中纵舱壁以提高稳性。

2 ) 设置6对货舱，艉部第6货舱的后部根据MARPOL公约的要求配置一对污油水舱。货舱区设置L形压载舱，从舷侧双壳一直延伸到双层底。货舱的前面设置重燃油舱，艏尖舱设置为压载舱。

3) 不设置艏楼。污油水舱之后是泵舱。机舱位于艉部，包括柴油发电机组、锅炉和其他所有设备，洗涤装置布置在机舱棚内。其后相邻的电力推进器舱布置所有必需的电力设备（变压器、变频器等）。

4 ) 艉部末端设置艉尖舱（作压载舱）。不设置艉楼，但主甲板往上设有6层甲板室。驾驶室位于升高甲板之上，设计成艏艉双向都可操纵船舶。

4.6 机舱和泵舱布置

该船机舱和泵船主要包含的设备有：4 台主发电机组和1台港口发电机组；1台应急发电机组；2 台燃油锅炉；3台货油泵。

4.7 遵循的主要设计规范

1 ) 共同结构规范（Common Structure Rules，CSR）（油船）；

2 ) IMO 2014年通过的强制性的《极地水域船舶航行国际准则》；3) IACS 2006年颁布的《极地船级要求》。

4.8 破冰能力和速度及航速预估

委托汉堡水池对该船进行破冰能力的模拟计算，结果显示：在满载（吃水=15.0m），且2台电力推进器的推进功率均达到15MW的状态下，该船能以约2.5kn的航速破1.5m的冰加30cm的雪；在压载（吃水=8.0 m）状态下，该船能以3.5kn的航速破1.5m的冰加30cm的雪。破冰计算结果见图2和图3。该船在敞水中的航速（吃水=15.0m）估算结果见图4。

4.9 环境温度与钢材等级选择

东北航道处于低温严寒带，在考证该地区最新的一些破冰型运输船的环境温度数据之后，最终设定该船的环境温度为-40℃。

根据 IACS极地船级规定，授予的极地冰级附加标志及结构构件的材料等级应满足相关要求[8]，即：极地船舶的露天和暴露于海水中的结构构件的材料等级应不小于“极地船舶结构构件的材料等级”和“露天板材的钢材等级”两表中的规定，以及连接于露天和暴露于海水中的船体外板上的构件由“连接于露天板材的舷内骨架构件的钢级”一表给出。

因此，该船与外界相邻的外板和甲板需使用相应的钢材等级E，以防止发生低温冷脆性破坏。

4.10 船体冰区加强

按照IACS的要求，该船必须适用《极地船级要求》(Polar Class)。在考虑该船在北极地区航行的时间段与破冰能力之后，认为适合选用PC5 等级[9]，船体结构按照该冰级的相关规定进行冰区加强。

该船是以艉部倒退破冰的方式航行的，其艉部的功能类似于破冰船的艏部，因此该船的冰区划分参照IACS中的冰区[10]划分并进行艏艉交换，得到了船级社认可。图5为冰区划分图，具体划分为：艏部区（B）、艏部过渡中部区（BIi）、艏部过渡区下部（BIl）、艏部过渡区底部（BIb）、船中区（Mi）、船中区下部（Ml）、船中区底部（Mb）、艉部区（Si）、艉部区下部（Sl）和艉部区底部（Sb）。

该船中部冰带区域不变，艉部破冰区域分为艉部和艉部过渡区域，按照《极地船级要求》中的艏部及艏部过渡区域进行计算，该船的球鼻艏部分按照《极地船级要求》中的艉部进行计算加强。

该船为艉破冰型船舶，因此对艉部结构的要求较高。根据《极地船级要求》，自货舱后端壁（包括泵舱外板）向后进行艉部破冰区域的加强。艉部直接接触冰载荷部分，艉部外板用横骨架式，艉部倾斜平直部分局部采用纵骨架式。

4.11 吊舱式电力推进器的应用

该船采用电力推进系统，安装有2台吊舱式电力推进器及吊舱控制系统，可使船舶向前或向后航行，并可使船舶原地360°回转，便于船员选择操纵船尾进行破冰。目前，吊舱式推进器的供应厂商主要是罗尔斯-罗伊斯、西门子、ABB和瓦特西拉等4家。

在综合分析各厂商的产品之后，决定采用ABB 公司的Azipod VI 吊舱式电力推进系统。该系列产品专为冰区船舶设计，主要应用于冰级为 1AS 和更高级别的船舶，已被世界各大船级社认可，市场占有率较高。

Azipod VI电力推进系统具有卓越的操控性，装有变频调速装置，可准确控制船舶螺旋桨的运行速度，不仅具有一流的水动力和运行效率，还具有很好的节油性，与传统的轴系推进系统相比最多可节约20%的燃油，能大大降低燃油成本并显著减少温室气体排放。此外，该推进系统还具有噪音低、体积小的优点，便于设计人员更有效地利用舱内空间。

5 经济性简析

该船的设计初衷是夏秋季沿东北航道航行，其余时间段作为穿梭油船使用或在常规航线上运营。相比灵便型、巴拿马型或苏伊士型船舶，阿芙拉型船舶具有经济性佳的特点，且便于进入北美大多数港口，因此是该船最佳的船型选择。

目前阿芙拉型油船的造价为4200万～4800万美元，而该船安装有2台电力推进器，船体钢板级别和厚度均要高于普通阿芙拉型船舶，因此预估该船造价增加800万～1000万美元。

虽然该船的初始投资稍增，但电力推进系统拥有高航速、低油耗的优势，敞水航行时能降低能耗15%～25%，且温室气体排放量显著减少，长期运营经济效益更佳。

1 ) 该船最大功率为36MW，但最大功率仅在船舶满载且破冰厚度达1.5m时才会达到，而破冰时间相对有限（如表2所示）；在正常航行（航速15kn）时，主机功率仅约14MW（如图4所示），与普通阿芙拉型油船的主机功率（14～18MW）相当。

2 ) 沿东北航道航行（如从欧洲港口摩尔曼斯克到上海）单程比途经马六甲海峡和苏伊士运河的航线缩短约5500n mile（以航速15kn计，缩短航行时间约15d），虽然破冰会耗费较多燃油，但破冰时间有限，综合下来看该船的燃油总消耗量比沿常规航线航行的阿芙拉型油船更低。

3 ) 沿常规航线航行时，由于海盗猖獗，风险很大，需支付高昂的保险费用，而沿东北航道航行可节省这些费用。

4 ) 该船自带很强的破冰功能，在极地水域内畅通无阻，无须破冰船的开道和护航，可节省一笔高昂的破冰费用。

5 ) 极地破冰油船对我国经济的发展和在北极地区战略地位的提升有重大影响。该船可作为我国北极地区的战略储备，将大大有利于我国在北极地区的商业运输和战略布局。

6 结 语

北极航道的开通不仅会对国际贸易、世界经济、资本流动及能源开发产生深远影响，而且对我国经济发展和战略地位的提升有着更重大的影响。其能大大缩短我国沿海诸港到北美和欧洲的航程，降低海上运输成本，避开途经马六甲海峡、巴拿马运河、索马里海域和苏伊士运河等区域带来的风险，同时有利于开辟新的海外资源能源采购地。

当前我国已开始加速对北极地区的科学考察与开发：2012年4月中旬，我国与北极国家冰岛签署了在海洋和极地科技合作的谅解备忘录[11]；2014年9月18日和2016年4月19日，由交通运输部海事局组织编撰的《北极航行指南（东北航道）》[12]和《北极航行指南（西北航道）2015》[13]分别出版发行，为计划在北极东北航道和西北航道航行的中国籍船舶提供海图、航线、海冰和气象等方面的全方位的航海保障服务。

可以预见，随着我国和世界其他国家加速对北极地区进行科考与开发，自带破冰功能的极地运输船舶的需求量将逐渐增加。

该极地双向推进破冰油船是专为我国在北极地区进行石油运输与战略储备而设计的，运用了先进的双向推进的设计理念，严格按照 IACS 的极地船级要求、CSR 和其他相关国际最新规范与公约的要求设计，并对运营经济性进行了考量。该船配备有2个15MW的吊舱式电力推进器，在厚冰海域，能以约3kn的航速倒退破厚达1.5m的冰加3cm的雪；在薄冰和敞水海域，正向航速可达15kn以上。该船设计运营线路为：夏秋季节的3个月，能独立航行于北极东北航道，无需破冰船的协助；其余时间可作为穿梭油船使用。

[1] 徐慧芬.北极航线最早2035年开通[N/OL].网易新闻，2011-01-26.http://news.163.com/11/0126/07/6RACIBT800014AED.html#from=relevant.

[2] 杨宁昱.全球冰川缩至最低水平 北极将提前经历无冰夏季[N/OL].参考消息网，2015-08-05.http://www.cankaoxiaoxi.com/science/20150805/891667.shtml.

[3] 纳文.多国博弈北极航道[N].中国水运报，2011-09-23 (4).

[4] 沈权，赵炎平.破冰船技术及几种破冰方法[J].航海技术，2010 (1): 5-7.

[5] BULKBARIN O.Russia’s nuclear icebreaker fleet[J].Science and Global Security, 2006, 14 (1): 25-31.

[6] Ronald O’Rourke.Coast guard polar icebreaker modernization: background and issues for congress[J].Congreesional Research Service, 2012: 1-6.

[7] 胡兴军.走近极地航海油轮[J].交通与运输，2004 (6): 26-27.

[8] IACS.极地船级要求[S].2011.

[9] IMO.在极地水域内船舶航行指南[S].2009.

[10] 中国船级社.钢制海船入级与建造规范[S].2009.

[11] 温家宝抵达雷克雅未克对冰岛进行正式访问[N/OL].新华网，2012-04-20.http://news.xinhuanet.com/politics/2012-04/20/c_111819176.htm.

[12] 《北极航行指南（东北航道）》出版发行[N/OL].中国日报网，2014-09-18.http://www.chinadaily.com.cn/hqcj/xfly/2014-09-18/content_12404660.html.

[13] 李琴.北极西北航道中国指南问世[N].中国船舶报，2016-04-29 (1).

Development and Design of a Double Acting Ice Breaking Tanker Operating in the Polar Area

TANG Guo-min

（Shanghai Honghua Offshore Oil & Gas Equipment Co., Ltd., Shanghai 201206, China）

A double acting ice breaking Aframax crude oil tanker is designed in accordance with the climate and ice condition in the Arctic area.At the same time, a northeast route is specially designed for the ship to transport crude oil from the oil fields at British North Sea and Russian Siberia to East Asia during the three months in summer and autumn.For the rest of the year, the ship is operated as a shuffle tanker or a conventional Aframax tanker in the North Sea and Baltic Sea region.This paper elaborates the details of the route, the design concept and the main characteristics of the double acting tanker, as well as its operational efficiency.

arctic route; northeast route; ice breaking tanker; double acting; design concept

U674.21.02

A

2095-4069 (2017) 04-0015-07

10.14056/j.cnki.naoe.2017.04.004

2016-07-14

汤国民，男，工程师，1976年生。1998年毕业于天津大学海洋与船舶工程系，现从事船舶与海洋工程设计研究。