浅谈极地航线及极地船舶的设计

董炼洪 林佳 王婷

从大航海时代人类开始探索海洋以来，在世界的七大洲之间，已经形成了很多传统的海上航线。在这些航线的交汇点上，成就了马六甲、苏伊士、巴拿马等一批重要的“关隘”。近代船舶的设计和建造一直都在跟随着航线的变化而不断演变和进化。

笔者在2014年参加一次国际油轮论坛时，曾被英国劳氏船级社展示的极地航行船舶的规范研究成果深深吸引。在那之前，笔者一直认为，极地船舶是一个隔行业的领域，是属于少数派的科研探索的范畴，尚未意识到其在商业领域的巨大潜力。距专家估算，走北极圈航线，可以让大西洋和太平洋之间的航行距离缩减40%以上，可以不受制于运河的限制，可以给船东节省大量的时间成本和能源损耗。

近年来，随着全球变暖，每年夏季北极出现常规通航开敞水域的时间延长到了4～5个月；有专家认为，随着气候变暖的延续，北极航线到2020年通航时间将达到6个月；2030年后，甚至可能实现全年通航。业内人士预测，北极航道的商用化可能在2030年左右实现。这使北极航道成为新的“大西洋—太平洋”中心航线变得可能。

航运业的巨头们在多年以前就已敏锐的注意到了北极航线所能带来的无限可能。根据挪威船东协会发布的数据，到2020年，经北冰洋的货物运输量将增至5000万吨。一个近乎确定的领域已经逐渐的展现在大家面前。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。

同时，北冰洋海底蕴藏着丰富的石油、煤炭、天然气、可燃冰等资源。极地钻探和资源加工装备也同样是船人们值得研究的领域。

针对极地航行船舶的研究，欧美国家已经远远的走在了前列。在2008年金融海啸席卷全球的时候，德国的船舶行业受到了巨大的冲击。在经历了一段时间的转型和重组后，德国几乎放弃了所有的传统主力船舶的建造业务，开始专注于邮轮和极地船舶等高端高附加值领域。

就在最近一段时间，很多国内的专家和学者也开始呼吁，在大力推进建设海上丝绸之路的同时，也应该开始重视北极航线的探索，开始让我国的船舶工业为极地船舶的市场做好技术储备。2018年1月26日，我国政府发布了首份北极政策文件——《中国的北极政策》白皮书，并在其中明确提出了“冰上丝绸之路”的概念。

作为船舶设计行业的从业人员，同样需要做好技术准备。笔者在下文中，与大家简单的分享下目前极地船舶的概念，希望能够给大家带来一些感性上的认识。

由于极地严酷的自然环境，航行于极地的船舶在设计过程中需要考虑到很多不可预估的因素。在船体结构设计过程中，需要考虑低温对材料的影响，需要考虑“船-冰”碰撞对结构强度的考验；在船舶稳性分析时，需要考虑极端自然环境对稳性的影响，需要考虑船体水线以上表面结冰导致的稳性减弱，需要考虑船舶遭遇浮冰后的搁浅风险；同时，在管路设计时需要着重考虑如何避免管路冰冻，轴系设计时同样需要评估轴承冰冻的风险；电气通信导航设备很有可能会因暴露在严酷的低温下而导致失效；船员在室外作业时，同样会因为低温而影响到其正常的执行力、行为能力和协调能力。针对上述的问题，国际海事组织（IMO）专门颁布了《国际极地水域操作船舶规则》（下文简称Polar Code），同时，在《国际海上人命安全公约》（SOLAS）中还增加了专门的“极地航行船舶安全措施”的章节。

由于北极水域的自然环境是目前受到人类活动影响较小的区域，算是地球上所剩为数不多的净土。国际海事组织（IMO）在《防止船舶造成污染公约》（MARPOL）中新增了专门针对极地船舶的防污规则，旨在保护脆弱的极地自然环境，为将来日益增多的人类极地活动做好准备。

在Polar Code中，将极地船舶分为了A、B、C三类。A类船舶指的設计用于极地水域至少中等厚度当年冰且可能包夹旧冰的冰况中操作的船舶；B类是设计用于极地水域内至少薄当年冰且可能包夹旧冰的冰况（不包括A类冰况）中操作的船舶；C类是指设计用于开敞水域或者轻于A类和B类冰况的水域中操作的船舶。

相应上述的极地船舶分类，IACS在统一要求URI中规定了7个极地级，分别为：PC1～PC7。

其中，PC1为最高级，对应所有冰况；随着极地级数字的增加冰况逐级降低。A类船舶对应的极地级为PC1～PC5；B类船舶对应PC6和PC7两个极地级。不同的极地级对应着不同的极地操作限制，包括最大冰厚度和季节限制。根据极地船舶分类和极地级的对应关系，A类船舶均无季节限制，且对应的最大冰厚度为1.2m米以上；B类船舶需限制于夏秋季操作，且对应最大冰厚度为0.70m～0.95m。

同时，对应上述的极地级，Polar Code中还规定了相应的船体结构和机械设备要求。因为船体结构尺寸确定所需使用的计算模型，为典型的船体与冰碰撞模型，需要根据不同各的极地级确定相应的冰载荷；而机械设备的要求主要针对螺旋桨与冰块相互作用的模型，同样需要根据极地级确定冰块的尺寸。

最后，笔者还想向大家介绍三个重要的概念：极地服务温度（PST）/设计服务温度（DST）和预期最低环境温度（MAT）。PST为预期在低气温操作的船舶规定的温度，该温度值应设置在预定的水域和季节最低日均低温（LMDLT）再减10℃；DST指设计时为船舶设计的用于衡量材料/设备和系统在低气温下服务的性能的温度指标。船体结构和设备/甲板机械/消防设备和系统的DST取船东或设计者确定的PST；结构/设备和管路的加热布置以及液舱防冻保护和舱室加热系统等，应考虑MAT，该温度值由船东和设计者确定，如果缺乏相应的背景资料，则可以按照PST-10℃取值。