極地戰略 船舶先行

吳 剛 張東江

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

引 言

從南北極的范圍劃分來看［1］，南極是由大部分水和冰環繞的陸地，而北極基本上是由陸地框圍的一片冰蓋水域組成，參見圖1和下頁圖2。南北兩極具有重要的戰略價值，尤其是近年來，隨著全球氣候變暖、海冰加速融化，極地蘊藏的豐富資源和極具價值的北極航道已進一步將極地的潛在價值推到現實的高度。人類在距離遙遠、氣候惡劣且環境脆弱的極地水域進行商業運輸以及科學考察、資源開發和漁業捕撈等活動都必須依靠適用于極地航行且符合經濟、安全和環保要求的“極地船舶”，任何國家若想實施極地戰略，必先發展適應本國的極地船舶裝備。

圖1 南極水域應用的最大范圍

圖2 北極水域應用的最大范圍

1 極地船舶的主要需求與船型發展

以南北兩極的極地船舶為例，總體上可分為三類：第一類是以北極為目的地的開發和運輸；第二類是跨北極的過境航行；第三類是在南北兩極開展的科考調查和研究。這三類代表了不同國家、不同階段對于極地船舶的主要需求。

1.1 資源開發與運輸是近年來以北極為目的地的極地船發展主要動力

據美國地質調查局（USGS）2008年評估［2］，北極油氣儲量巨大，目前全球未開發油氣儲量的1/4均分布在北極地區，初步預計有石油900億桶、天然氣約47.27萬億立方米（1 669萬億立方英尺）、天然氣凝析液440億桶，油當量總計為565億噸。北極還有豐富的煤炭資源，估計占世界煤炭資源總量的9%，此外還有大量金、銀、金剛石、鈾、銅、鈷、鎳、鉛、鋅、石棉和稀有元素等礦產資源。除了這些不可再生資源外，北極地區還有豐富的漁業、水力、電力、森林等可再生的自然資源。

油船方面，受極地資源開發及運輸帶動，冰區油船的破冰等級和載重量有增大趨勢。目前，船只數和總噸位最大的還當屬1A冰級（PC7）的阿芙拉型油船，未來波羅的海油船載重噸位將可能從10萬噸提升到27萬噸，同時伯朝拉海還需要7萬載重噸的極地穿梭油船。值得注意的是，芬蘭阿克北極設計公司（AARC）結合吊艙推出采用雙動技術（注：雙動技術是采用全回轉電力推進確保船舶前向和后向均能航行的動力系統設計技術）的新船型，該船型已成功應用于1AS冰級（PC5～PC6）的7萬噸穿梭油船和11萬噸阿芙拉型原油船（見圖3），該船型球鼻艏能在敞水或波羅的海薄冰環境下操作，破冰型船尾能在波羅的海嚴重冰情下獨立操作。此外，瑞典Stena Bulk公司積極開發各種冰區油船，其開發的26.65萬噸具有1A冰級的B-Max型原油船（見圖4）總長325.5 m、型寬66 m、設計吃水僅為15 m，貨艙容量為31.1萬立方米。該船型采用雙機雙槳雙舵并有雙船體外殼和堅固的冰帶，主機功率在惡劣環境中可提供富余功率，大大提高了冰區淺水通過性、冰區航行安全性和操縱性。

圖3 1AS冰級/11萬噸原油船

圖4 1A冰級/26萬噸B-Max型原油船

LNG運輸相對于油料運輸的成本大大增加，但北極油氣資源相當大的部分為天然氣和天然氣液體，因此冰區LNG運輸船將會是造船界的新寵，雖然其設計和建造風險極高。2012年12月6日，由俄羅斯天然氣工業股份有限公司全資子公司租賃、希臘Dynagas公司運營的LNG船“鄂畢河”號抵達日本氣田，成功完成世界首次東北航道LNG運輸。最近，俄羅斯亞馬爾（Yamal）項目將建造一批破冰LNG運輸船（見圖5），這些船具有ARC7（PC3）的破冰能力，能在約1.5 m厚的冰中以3～5 kn的速度持續航行，每艘LNG運輸船負責將17萬立方米的液化天然氣從西伯利亞運往歐洲和亞洲，預計未來還會將那些需要運作于巴倫支海-亞馬爾半島的LNG船的載貨能力由15.5萬立方米逐步提升到20萬立方米。

圖5 PC3冰級/17萬立方米天然氣運輸船

此外，針對加拿大海上補給和礦石運輸的需求，為礦區運輸貴重礦石和補給的靈便型散貨船以及可用于鐵礦石出口的好望角型散貨船也在未來需求之列，除此之外，具備高等級冰區加強的多用途船（見圖6）、集裝箱船［3］和模塊運輸船的研究和設計也在加緊進行。

1.2 航程大大縮短且避免海盜的北極航線催生冰區加強型船舶

圖6 PC6冰級/15 000載重噸集裝箱多用途船

圖7 東北航線和西北航線

北極航線包括“東北航線”、“西北航線”和“中央航道”，中央航道冰情惡劣，目前還未有商船通過的記錄。如圖7所示，東北航線（又稱北海航線Northern Sea Route，簡稱NSR），它由巴倫支海的摩爾曼斯克沿著西伯利亞海岸到達白令海峽和遠東的北極水域，是連接大西洋和太平洋間的海上捷徑，也是聯系歐、亞兩地海上的最短航線，該航線目前商業運作較成熟；西北航線（Northwest Passage）則以白令海峽為起點，向東沿美國阿拉斯加北部離岸海域，穿過加拿大北極群島，直到戴維斯海峽，該航線目前已嘗試商業運輸。

東北和西北兩條航線更接近地球表面上兩點的最短連線，是連接太平洋北部與大西洋北部最短的航線。與繞道蘇伊士運河相比，從東北亞地區駛往歐洲的貨船取道東北航線大約可節省20%的燃料費用，同時可避免海盜風險，也無需繳納運河通行費，縮短近10天的運輸時間。以從我國上海到荷蘭鹿特丹港的集裝箱運輸為例，若經新加坡的馬六甲海峽、經蘇伊士運河，航程約12 500 n mile，需22天；若改走東北航線，航程僅約7 500 n mile，15天即可到達?？梢灶A計，北極航線一旦全面貫通，全球海上運輸格局將面臨重大變革，從而導致國際分工和產業布局發生連鎖反應。

北極航行的商業運作取決于利潤和風險的評估。破冰船引航費用，破冰功率增加導致油耗的增加，動力裝置加強導致的初投資增加，破冰結構導致結構質量增加、載重量減少，防凍設計導致建造成本增加以及極地運輸貨物保險增加等等，將是制約船東目前決策的主要因素。從1979年以來，北極航道總體上呈現出海冰不斷減少的趨勢，目前東北航道比西北航道更具通航條件，東北航道在冰蓋率低于50%的情況下，通航時間是20～30天，由圖8曲線可測算，到2080年通航時間是90～100天，如果帶有自破冰能力的船舶可通行在冰蓋率75%的航道中，這一時間在2080年將達到150天，屆時北極航行的經濟性將更加凸顯。對于我國而言，目前來自俄羅斯的石油、天然氣能源輸入較多采用管線運輸，北極航線船舶運輸的貨品主要還是礦石、零散的大件貨和包裝貨。

圖8 東北航線在不同冰蓋率下通航時間預測

1.3 極區環境和資源調查的迫切需求加快各國更新極地科考破冰船

除俄羅斯、芬蘭、加拿大、美國等環極地國家需要專門用于救助、港口管理的專業破冰船外，其他大多數國家的港口冬季不結冰或冰情不嚴重，不需要大量的專業破冰船，因此非極地國家首先要造的破冰船應該是極地科考破冰船。上世紀80年代末至90年代中期，國際南極考察活動進入新的時代，北極考察活動全面解凍，一批極地科考破冰船誕生，其中，德國、俄羅斯、澳大利亞、美國、瑞典、日本等國的第一代極地科考破冰船陸續下水投入使用。由于船舶生命周期、新規則規范出臺與涉及極地海洋經濟政治的戰略需求，近年來，各國開始建造或計劃建造第二代極地科考破冰船，這些國家包括俄羅斯、德國、挪威、澳大利亞、美國、韓國和南非等?？傮w上說，新一代極地科考破冰船的特征是破冰能力更強大且船體規模大型化。以歐盟最新投資的“北極光”號科考船為例（見圖9），該船投資巨大，建成后的破冰能力將達到2.5 m。

圖9 歐盟新一代“北極光”號科考破冰船

“雪龍”號作為我國第一代極地科考破冰船，自1993年從烏克蘭進口，已歷經幾次大的改造，為我國極地事業屢建功勛。為滿足極地科學考察的需要，緩解長期以來制約我國極地科考事業發展的裝備瓶頸問題，國家海洋局和中國極地研究中心正在積極籌建我國新一代極地科學考察破冰船（見圖10）。經論證，該船將設計成一艘具備PC3冰級采用全回轉電力推進系統的極地綜合科考船，具備雙向破冰功能，艏向和艉向航行均能破水平冰厚度不低于1.5 m加0.2 m雪，連續破冰速度2～3 kn。該船艏向航行時具有沖撞破冰的能力，艉向航行時能確保在當年20 m冰脊（含4 m堆積層）加0.2 m雪層中不被卡住，能獨立運行［4］。

圖10 中國新一代極地科考破冰船

2 極地船舶的技術發展特點

極地船舶從功能上大致可分為極地運輸船、極地科考船、極地海洋工程船和專業破冰船等。極地船舶與常規船舶的不同之處在于：高要求的船體強度，船舶要能承受冰壓力和沖擊載荷；強勁的動力設備包括推進機械，確保船舶在冰中不失去動力；可靠的設備系統在低溫環境中能正常運行，確保航行安全。

2.1 冰級劃分

2006年，國際船級社協會（IACS）頒布了《極地級船舶要求》［5］，將極地船破冰等級分為PC1至PC7級，PC1級破冰能力最強，PC7級最弱。結合文獻［6］歸納得到極地船PC等級分類表（見表1）。

IACS《極地級船舶要求》適用于航行于極地并獲取PC船級符號的船舶，其中最低的兩個等級PC6和PC7分別近似對應于芬蘭-瑞典冰級規則中最高的兩個等級IA Super和IA。IACS建立統一的極地級船舶要求后，直接導致有關船級社冰級規范的更新和改版，特別是以前自身船級規范中已具有超出FSICR系統的更強冰級要求的船級社，這些船級社需要逐步將超出FSICR系統對應的冰級符號統一到IACS建立的PC級要求中。目前有部分船級社已完成了新規范的改版和升級，但是，船級社要想通過完全的映射從而將過去自身的冰級規范與當前統一的極地船級一一對應卻并不容易，特別是DNV船級規定。例如冰級劃分的等級數目不同，船體有關冰帶、首尾加強區域的定義不同，所要求的腐蝕與磨損裕量不同，扶強材模數、剪切面積及質量要求不同，采用彈性或塑性理論計算方法引起的不同等，都會導致無法建立簡單的冰級等效關系，尤其是IACS PC級船舶要求中還缺少最小主機功率的要求，這些都將成為極地船舶規范后續所要面臨的發展。表2為各船級社冰級間大致對比，僅供參考。

表1 極地船PC等級分類表

表2 各船級社冰級間大致對比（來自IMO DE 54/13/10）

此外，國際海事組織（IMO）自1993成立外部工作組（Outside Working Group，簡稱OWG），由加拿大牽頭負責制定船舶在極地水域作業的建議性要求到當前即將強制實施的統一的《極地規則》，經歷了從冰區到極地，從北極到南極，從導則到規則的歷程［7］。目前的強制性極地規則將極地航行船按航行水域劃分為A、B、C三類［8］，A類船是指被設計能在一年及一年以上中冰（可包括混雜老冰）的極地水域中航行的船舶，通常指PC1～PC5冰級的船舶。B類船系指除A類船以外的，被設計成能在一年及以上薄冰（可包括混雜老冰）的極地水域中航行的船舶，通常指PC6～PC7冰級的船舶。C類船系指被設計能在開闊水域或冰況低于A級和B級船舶適用的水域中航行的船舶。

2.2 當前極地船舶技術特點

2.2.1 在具備護航的前提下，冰區加強的船舶可季節性地在極區通航，在新船設計中，B類極地船（PC6、PC7）的冰區加強船型將成為重點優化方向

近幾年，北極航線成功商業運行均是由PC6或PC7冰級的運輸船扮演著主要角色。2009年8月，德國布魯格航運（Beluga Shipping）使用重吊多用途船 （GL E3=PC7）運送44件重大件從韓國蔚山經俄羅斯諾維港到達荷蘭鹿特丹；2010年9月，挪威楚迪船運（Tschudi Group）的抗冰散貨船運載41 000 t鐵礦石從挪威希爾科內斯港到達中國連云港；2010年9月，俄羅斯MMC Noriksk Nickle公司以15 000載重噸集裝箱多用途船（RMRS LU6=PC6）從俄羅斯杜金卡港運送集裝箱到達中國上海；2013年9月，中國永盛號貨船（1A Ice Class=PC7）也順利完成東北航線的首航。

2.2.2 運輸船設計強調無冰（或薄冰）航行與破冰航行的經濟平衡

自上世紀90年代以來，由于全回轉推進技術的日益成熟和廣泛應用，阿克北極設計公司投入力量研發基于吊艙應用而衍生出的雙動技術。雙動技術從船舶的機動性上看，傳統軸系推進對于船舶航行方向的制約作用已幾乎不復存在，這些制約作用主要來自軸系槳正倒車效率和碰冰損壞等問題；從動力形式來看，由于雙動技術采用了電力推進，在遭遇嚴重冰情而導致螺旋槳轉速下降時，扭矩特性明顯優于傳統柴油機推進?；诖思夹g成功開發的雙動船型已在多型運輸船（尤其是冰區油船）上得以應用，參見圖11。應該認識到，雙動技術較好地融合了電力推進、全回轉推進以及雙向航行的設計技術，研發的初衷主要是為了協調破冰航行和敞水航行的線型差異所帶來的經濟性問題。需要指出的是，由于電力推進的二次能量損失和冰區吊艙設備的采購成本影響，雙動技術在需要有破冰船引航、破冰等級較低的船型上較少采用，因此，未來低等級冰區加強型船型的軸槳推進技術仍將是研究重點。

圖11 世界首艘雙動破冰穿梭油船 “Vasily Dinkov”號（Loa /B/T：258 m/34 m/14 m）

2.2.3 新型不對稱專業破冰船型的出現

由于專業破冰船的特殊功能和功率需求，破冰船不可能做得太大，特別是船寬對最大破冰功率的影響極大（傳統船寬一般在20 m左右），但是，隨著船舶運輸需求和航道港口的發展，需要破冰領航的船舶寬度已遠遠大于20 m，這時需要兩艘船同時進行破冰，大大提高了破冰成本。針對這種情況，新型不對稱船體的專業破冰船得以應用。通過該船破冰時的斜向航行，破冰寬度大大提高，這種船型的出現是全回轉推進技術和破冰船型技術融合的創新（見下頁圖12）。

2.2.4 合理確定極區航行季節和時間，采取適當的防冬化設計

在極區通行時，通常的船用設備系統都將經受嚴酷的環境考驗，貨物系統、甲板機械、系泊設備、救生設備及室外電器設備等均有不同的要求。防冬化設計與船舶的建造成本有非常密切的關系，特別是當航行時間越接近全年，成本增加的速度就越快，因此，對于全年航行在極區的船舶建造必須謹慎對待。

3 我國發展極地船舶的若干建議

（1）積極參與極地規則制訂，加快推進我國極地船規范建設與研究；

（2）加快推進當前我國新一代破冰科考船項目，提供設計/建造/驗船等方面的實際經驗，時機成熟可建自有冰池；

圖12 新型不對稱船體專業破冰船

（3）建立健全極地航運市場的設備配套及相關規范標準；

（4）大力培育富有經驗的極地船舶操縱和管理人員，努力形成適用于我國成熟的極地航行操作指導書；

（5）重視非冰級船舶升級到冰級船舶的改裝技術，同時關注核動力破冰船的發展；

（6）不斷完善我國北極航線的氣象與保險服務，同時加快北方港口設施和物流建設。

4 結 論

地球兩極雖存在氣溫極低、冰塊雜多、天空昏暗、距離遙遠、操作不便、難以救援、環境脆弱、政治敏感等風險，但由于諸多因素，現已成為“必爭之地”。為此，我國有關部門需盡早認知、熟悉并善加利用，有效地降低潛在風險，因為只有消除潛在風險，未來的極地才能成為我們真正的“聚寶地”和“黃金航線”。

［1］ IMO Resolution A.1024（26）-Guidelines for Ships Operating in Polar Waters-（Adopted on 2 December 2009）［S］.2009.

［2］ 美國地質調查局USGS.世界油氣資源評估報告［R］.2008.

［3］ Arpiainen M，Kiili R.Arctic Shuttle Container Link from Alaska US to Europe, Project Report K- 63［S］.2006.

［4］ 中國國家海洋局極地辦公室，中國極地研究中心.中國新建極地科學考察破冰船可行性研究報告［R］.2013.

［5］ International Association of Classification Societies.Requirements concerning Polar Class （UR-I）［S］.2007.

［6］ Robert E.Dvorak.Engineering and Economic Implications of Ice Classed Containerships［S］.2007.

［7］ 中國船舶工業集團公司第708研究所.船舶規則規范參考［M］.北京：國防工業出版社，2012：182-192.

［8］ MSC 385（94）.International Code for Ships Operating in Polar Waters（Polar Code）［S］.2014.