1、適合北極地區(qū)水域多季節(jié)通航的集裝箱船關(guān)鍵技術(shù)研究一、背景說(shuō)明“北極地區(qū)水域多季節(jié)通航”的概念、必要性和可能性北極地區(qū)常年處于低溫狀態(tài)，歷史上每年1月份的平均氣溫介于-20-40之間，最暖的8月的平均氣溫也只達(dá)到-8，北極地區(qū)水域常年被冰層覆蓋，所以從一般意義上講北極水域是不適于普通商業(yè)船舶的航行。但是受近些年來(lái)全球氣候變暖的影響，在夏季，北極地區(qū)部分水域二年冰覆蓋區(qū)域的冰層厚度會(huì)變薄，部分當(dāng)年冰覆蓋區(qū)域的冰層會(huì)全部或部分融化，這就為普通商業(yè)船舶在該區(qū)域的通行創(chuàng)造了外部的條件。由于各種原因，人類探索船舶在北極地區(qū)水域航行由來(lái)已久，因此也就出現(xiàn)了北極航道的概念，所謂北極航道主要是指東北航道與西北航

2、道，東北航道是指西起冰島，經(jīng)巴倫支海，沿歐亞大陸北方海域向東，直至白令海峽的航道，這是連接西、北歐和太平洋西岸國(guó)家和地區(qū)的最短航道，而西北航道是指由格陵蘭島經(jīng)加拿大北部北極群島到阿拉斯加北岸的航道，這是大西洋和太平洋之間最短的航道。對(duì)于國(guó)際航運(yùn)界來(lái)講，長(zhǎng)久以來(lái)，利用東北航道和西北航道是夢(mèng)寐以求的，這將大大降低國(guó)際物流的成本和時(shí)間，例如連接歐洲北部與遠(yuǎn)東的東北航線，與經(jīng)過(guò)蘇伊士或巴拿馬運(yùn)河的傳統(tǒng)航線相比，在距離上縮短大約3560%，在時(shí)間上可減少數(shù)天。由于上述北極地區(qū)環(huán)境與航行條件的變化，已經(jīng)有一些國(guó)家在每年的8、9月份期間，嘗試普通商業(yè)船舶經(jīng)北極航道的通航并取得了成功，我們不妨稱這種通航為“北

3、極地區(qū)水域夏季通航”，但是顯然這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，為了進(jìn)一步提高北極航道的可利用時(shí)間，變“北極地區(qū)水域夏季通航”為“北極地區(qū)水域多季節(jié)通航”，解決保障商業(yè)船舶在低溫環(huán)境以及冰層覆蓋（指一定的冰層厚度與強(qiáng)度）區(qū)域安全航行所面臨的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題就成為非常必要的了。 國(guó)際上關(guān)于普通商業(yè)船舶在冰區(qū)航行研究的開(kāi)展已經(jīng)有相當(dāng)?shù)臅r(shí)間并取得了一定成果，一些國(guó)家的某種類型的普通商業(yè)船舶（油船、散貨船）已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“北極地區(qū)水域夏季通航”，這無(wú)疑為今后更廣泛地利用北極航道奠定了良好的基礎(chǔ)，但這也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。在此基礎(chǔ)上，本研究項(xiàng)目所設(shè)定的目標(biāo)是：針對(duì)具有完全商業(yè)意義的能夠適應(yīng)“北極地區(qū)水域多季節(jié)通航”的要求，解決相關(guān)關(guān)鍵

4、技術(shù)問(wèn)題并開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)良的船型。從技術(shù)成果應(yīng)用的擴(kuò)展性角度看，這些相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究成果不僅僅具有極大的商業(yè)價(jià)值，同時(shí)也具有更廣泛意義的價(jià)值， 中遠(yuǎn)集團(tuán)作為國(guó)家海運(yùn)主力船隊(duì)，具有行業(yè)領(lǐng)頭羊的突出地位，在執(zhí)行國(guó)家戰(zhàn)略部署、維護(hù)國(guó)家戰(zhàn)略安全、維護(hù)國(guó)家能源多源化方面義不容辭，首先進(jìn)行探索和嘗試開(kāi)避極地商業(yè)航線。研發(fā)集裝箱船的必要性1、目前，極地航線主要是船舶途徑北極地區(qū)水域的航線，是我國(guó)與北美和歐洲的最便捷航線，對(duì)于普通商業(yè)船舶，亞洲（特別是東北亞地區(qū)）與歐洲（特別是西北歐）的貿(mào)易運(yùn)輸需求以及東北亞地區(qū)與美國(guó)和加拿大東部地區(qū)的貿(mào)易運(yùn)輸需求較大。而我國(guó)與北美和歐洲的貿(mào)易比重最大，而且以集裝箱運(yùn)輸貨物為

5、主。此航線也是集裝箱船的貿(mào)易繁華區(qū)，所以未來(lái)貿(mào)易格局將急劇需要一批適應(yīng)此航線的極地集裝箱船舶。所以，對(duì)于北極航線集裝箱船通航可行性的研究對(duì)于我國(guó)的國(guó)家戰(zhàn)略和我國(guó)的航運(yùn)企業(yè)更具現(xiàn)實(shí)意義。2、同時(shí)，中國(guó)是輕工業(yè)品出口大國(guó)，從1978年至2010年，我國(guó)港口外貿(mào)進(jìn)出口貨運(yùn)量從5,000多萬(wàn)噸，增加到20.78億噸，承擔(dān)了75%以上的外貿(mào)貨運(yùn)。其中集裝箱吞吐量從當(dāng)時(shí)的1.8萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)箱，增加到2010年的近1.4億標(biāo)準(zhǔn)箱，增長(zhǎng)7,778倍。適用于極地航行的集裝箱船在大量減少海上運(yùn)輸成本的同時(shí)，也將降低和分擔(dān)途徑馬六甲海峽、巴拿馬運(yùn)河、索馬里海域和蘇伊士運(yùn)河等高敏感區(qū)所帶來(lái)的政治風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)成本。3、目前進(jìn)入

6、北極地區(qū)水域的船舶主要有：油船、散貨船、多用途船等普通商業(yè)船舶，以及軍用艦艇、破冰船和科考船等特種船舶。對(duì)于極地集裝箱船，俄、韓等國(guó)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出此類船型：韓國(guó)STX集團(tuán)于前不久宣布，開(kāi)發(fā)大型冰區(qū)加強(qiáng)集裝箱船和極地破冰穿梭LNG船。三星重工已將冰區(qū)加強(qiáng)船舶作為其新技術(shù)研發(fā)的重要方向，將大力開(kāi)發(fā)北極鉆井船、破冰LNG船、破冰集裝箱船。4、作為國(guó)家海運(yùn)主力船隊(duì)的中遠(yuǎn)集團(tuán)，已經(jīng)從前瞻性、戰(zhàn)略性的視角來(lái)考慮北極航道帶來(lái)的機(jī)遇，正在加緊實(shí)施試水北極航道計(jì)劃，爭(zhēng)取2013年首次通航成功。目前中遠(yuǎn)集團(tuán)旗下船舶只能在渤海灣漂流浮冰海況下航行，均不涉及極地地區(qū)。隨著北極通航計(jì)劃的實(shí)施，中遠(yuǎn)集團(tuán)將來(lái)很可能制定相關(guān)的

7、船舶建造計(jì)劃。我國(guó)在高等級(jí)冰區(qū)加強(qiáng)船關(guān)鍵技術(shù)研究方面，剛剛開(kāi)始著手油輪（2012年工信部立項(xiàng)）和LNG船的前期研發(fā)，處于起步階段。對(duì)極地集裝箱船的開(kāi)發(fā)還從未涉及。從國(guó)家層面，截止到現(xiàn)在也還沒(méi)有集裝箱船的立項(xiàng)。所以，要提升我國(guó)極地船綜合技術(shù)水平，爭(zhēng)取使我國(guó)在冰區(qū)加強(qiáng)船舶技術(shù)儲(chǔ)備上占有優(yōu)勢(shì)，盡快啟動(dòng)極地集裝箱船的技術(shù)研究是很有必要的。我國(guó)與國(guó)際先進(jìn)水平的差距及需要進(jìn)一步研究的關(guān)鍵技術(shù)雖然我國(guó)已經(jīng)可以稱為是一個(gè)世界造船大國(guó)，但是我國(guó)冰區(qū)加強(qiáng)船舶的研發(fā)和建造技術(shù)還相當(dāng)薄弱，特別是在高等級(jí)冰區(qū)加強(qiáng)船舶的研發(fā)和建造方面從未涉及，自破冰型運(yùn)輸船舶的研發(fā)也還處于完全空白的狀態(tài)。1、從建造經(jīng)驗(yàn)上講：我國(guó)造船企業(yè)

8、僅僅承建了寥寥可數(shù)的一些冰區(qū)加強(qiáng)船舶，如廣船國(guó)際的冰區(qū)加強(qiáng)型5.18 萬(wàn)載重噸化學(xué)品/成品油輪、江東船廠的冰區(qū)加強(qiáng)型1036TEU 集裝箱船、南通道達(dá)重工冰區(qū)加強(qiáng)型3.5 萬(wàn)載重噸散貨船等。而國(guó)外產(chǎn)品涉及油船、散貨船、多用途船等普通商業(yè)船舶，以及軍用艦艇、破冰船和科考船等特種船舶，目前正在向核動(dòng)力破冰船、北極鉆井船、破冰LNG船、破冰集裝箱船、破冰FPSO等新概念船進(jìn)軍。2、從技術(shù)條件上講：船舶的航行性能和安全性能在非常大的程度要通過(guò)船舶流體力學(xué)來(lái)解釋，但由于船體流體力學(xué)的復(fù)雜性，目前往往是采用理論分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法相互補(bǔ)充和驗(yàn)證，特別是在考慮在有冰存在的情況下，單純的理論分析就更加困難了

9、。然而截止到目前，我國(guó)尚無(wú)一座可供研究船舶航行性能的冰拖曳水池供研究人員使用，目前我國(guó)科研人員要開(kāi)展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)工作，只能到國(guó)外去進(jìn)行，例如芬蘭、德國(guó)去進(jìn)行。3、歐洲不僅重視冰區(qū)加強(qiáng)船的研發(fā)和建造，而且還注重相關(guān)配套設(shè)備和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。如瑞典開(kāi)發(fā)了適用于北極鉆探船PureBallast2500壓載水處理設(shè)備。挪威船級(jí)社開(kāi)發(fā)了冰載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能為船舶操縱人員提供有關(guān)冰載荷對(duì)船體影響的實(shí)時(shí)信息，并能將冰層的衛(wèi)星信息整合成電子航行地圖，挪威船級(jí)社還聯(lián)合八個(gè)國(guó)家的十五家機(jī)構(gòu)啟動(dòng)了北極地區(qū)海洋工程裝置最佳實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。而我國(guó)在該領(lǐng)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后歐洲國(guó)家。4、從極地船的關(guān)鍵技術(shù)講，目前歐洲正在開(kāi)展，國(guó)內(nèi)

10、尚屬空白的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾點(diǎn)：Ø 冰載荷的模擬分析和冰池試驗(yàn)技術(shù)：對(duì)于海冰載荷的準(zhǔn)確模擬分析，目前還處于探索研究階段。有船級(jí)社正在組織展開(kāi)冰載荷的模擬計(jì)算分析，作用于船體的冰載荷基于CFD計(jì)算內(nèi)核耦合離散顆粒模型分析方法展開(kāi)研究分析。冰載荷的研究結(jié)果還需要結(jié)合冰池試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，國(guó)內(nèi)目前尚未針對(duì)此展開(kāi)相應(yīng)的研究。Ø 針對(duì)破冰船船體線型的研究：對(duì)于破冰船船體線型研究，已有船級(jí)社展開(kāi)了破冰船船體線型的適航性分析研究，并對(duì)破冰船波激振動(dòng)和顫振特性展開(kāi)研究，制作分段拼裝船體模型進(jìn)行破冰工況下的波頻耦合響應(yīng)試驗(yàn)研究。國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)對(duì)于波浪中航行船舶展開(kāi)波激振動(dòng)計(jì)算分析及模型試驗(yàn)

11、有成功的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于破冰工況環(huán)境下波頻響應(yīng)試驗(yàn)分析，尚未開(kāi)展研究。Ø 螺旋槳軸系承受瞬間冰激響應(yīng)分析和測(cè)量分析研究：有國(guó)外機(jī)構(gòu)通過(guò)對(duì)螺旋槳軸系扭矩的時(shí)域響應(yīng)分析，研究瞬間冰載荷響應(yīng)特性。結(jié)合瞬間冰激振動(dòng)下軸系扭矩的測(cè)量分析結(jié)果，和時(shí)域分析的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究，取得較好的一致驗(yàn)證。國(guó)內(nèi)尚無(wú)研究。二、擬研究技術(shù)點(diǎn)說(shuō)明技術(shù)點(diǎn)1研究目標(biāo)：集裝箱船北極環(huán)境的適航性關(guān)鍵技術(shù)研究背景說(shuō)明：目前已知的北極浮冰最少的季節(jié)是8、9月，由于船舶在極地的通行期越長(zhǎng)，帶來(lái)的各項(xiàng)利益越大，現(xiàn)階段需要考慮在已有能夠商業(yè)通航的季節(jié)基礎(chǔ)上，延長(zhǎng)航行時(shí)間段。并結(jié)合對(duì)航線環(huán)境的分析，研究確定課題的冰級(jí)定位。同時(shí)考慮極地集裝箱

12、船航行特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)代物流的特點(diǎn)和國(guó)際貿(mào)易形勢(shì)，研究合適的船型。研究?jī)?nèi)容：Ø 通過(guò)研究航線環(huán)境，結(jié)合航運(yùn)公司需求，確定相應(yīng)的冰級(jí)和集裝箱船的適航季節(jié)；Ø 北極航區(qū)內(nèi)水文氣象航海保障信息研究，包括東北航路的危險(xiǎn)源分布情況研究；Ø 公約、規(guī)則、規(guī)范研究，包括北極航區(qū)周邊國(guó)家航運(yùn)安全法規(guī)研究；Ø 通過(guò)對(duì)冰區(qū)和非冰區(qū)的航運(yùn)特性分析，選擇研究船型；Ø 總體方案設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)性分析研究。成果形式：完成集裝箱船適航期分析報(bào)告，提出合適的船型區(qū)間。技術(shù)點(diǎn)2研究目標(biāo)：船首破冰線型特征和高冰級(jí)螺旋槳、舵的設(shè)計(jì)技術(shù)研究背景說(shuō)明：在極地航行需考慮一定的破冰能力，冰區(qū)航行的首

13、部線型有獨(dú)特規(guī)律，需對(duì)該線型規(guī)律進(jìn)行研究。在冰區(qū)航行首部經(jīng)常受到浮冰的不規(guī)律碰撞，船舶振動(dòng)/搖晃與非冰區(qū)不同，需研究船舶適航性。冰區(qū)螺旋槳、舵的的加強(qiáng)設(shè)計(jì)是船舶適航極地的關(guān)鍵，并且要考慮到推進(jìn)的安全性和機(jī)動(dòng)性，同時(shí)非冰區(qū)螺旋槳的高效性和快速性也需要權(quán)衡考慮。研究?jī)?nèi)容：通過(guò)對(duì)設(shè)定冰級(jí)下的破冰和適航性分析，采用模擬計(jì)算和/或?qū)嶒?yàn)的方法，研究合適的首部線型。通過(guò)對(duì)特定冰級(jí)的分析，結(jié)合高速槳特性，確定螺旋槳的形式和材料，以及高冰級(jí)舵的設(shè)計(jì)技術(shù)。成果形式：開(kāi)發(fā)首部破冰型線型，完成線型特征研究報(bào)告，確定螺旋槳、舵的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和材料選定，得到船級(jí)社認(rèn)可。 技術(shù)點(diǎn)3研究目標(biāo)：集裝箱船體承受冰層載荷計(jì)算

14、與耐冰船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究背景說(shuō)明：1）前期根據(jù)已有的離散顆粒模擬方法建立浮冰模型開(kāi)展過(guò)船體駛?cè)敫”鶇^(qū)浮冰對(duì)船體縱向載荷分析的研究，可以確定船體承受冰載荷和推進(jìn)阻力。2）外板/舷側(cè)縱骨/舷側(cè)肋骨計(jì)算本來(lái)無(wú)需直接強(qiáng)度分析，相應(yīng)規(guī)范計(jì)算公式一應(yīng)俱全，直接強(qiáng)度分析一般僅確認(rèn)平臺(tái)大骨/橫向肋板；但是，這里進(jìn)行直接強(qiáng)度分析比較，也是為了深入了解縱骨架式/橫骨架式應(yīng)力分布，為優(yōu)化技術(shù)提供技術(shù)基礎(chǔ)。研究?jī)?nèi)容：針對(duì)設(shè)定冰情條件，建立船體及冰層碰擦模型，掌握船體承受冰層載荷的計(jì)算分析技術(shù)。對(duì)特征冰級(jí)的冰層載荷作用，進(jìn)行集裝箱船艏及舷側(cè)船體結(jié)構(gòu)直接強(qiáng)度計(jì)算及分析，比較典型結(jié)構(gòu)型式耐冰載荷強(qiáng)度優(yōu)缺點(diǎn)，掌握耐

15、冰載荷船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)。成果形式：完成冰載荷分析，對(duì)船體技術(shù)計(jì)算分析及優(yōu)化技術(shù)取得船級(jí)確認(rèn)。技術(shù)點(diǎn)4研究目標(biāo)：北極航區(qū)集裝箱船動(dòng)力裝置關(guān)鍵技術(shù)研究背景說(shuō)明：冰區(qū)航行時(shí)主機(jī)工況多變，兩種海況的主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況存在差別，需要研究平衡不同工況下的推進(jìn)裝置的經(jīng)濟(jì)性等。研究?jī)?nèi)容：Ø 北極航區(qū)集裝箱船舶主機(jī)多工況點(diǎn)選型及冗余負(fù)荷設(shè)計(jì)；Ø 北極航區(qū)集裝箱船舶推進(jìn)系統(tǒng)和動(dòng)力匹配技術(shù)研究；Ø 北極航區(qū)集裝箱船舶動(dòng)力裝置綜合安全評(píng)價(jià)方法；Ø 北極航區(qū)集裝箱船舶主機(jī)多工況點(diǎn)選型及冗余負(fù)荷設(shè)計(jì)；Ø 冰區(qū)/非冰區(qū)復(fù)合工況主機(jī)節(jié)能技術(shù)研究；Ø 變距槳漿/大側(cè)斜槳

16、適用性研究。成果形式：技術(shù)研究報(bào)告。技術(shù)點(diǎn)5研究目標(biāo)：冰區(qū)集裝箱船液壓甲板機(jī)械可靠性與適用性研究背景說(shuō)明： 冰區(qū)極端氣象條件會(huì)大大降低舵機(jī)、錨絞機(jī)械和船舶克令吊等重要甲板機(jī)械液壓系統(tǒng)的可靠性與生命力，影響船舶安全營(yíng)運(yùn)，因此在對(duì)冰區(qū)船舶甲板機(jī)械液壓系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷技術(shù)尤其重要。研究?jī)?nèi)容：冰區(qū)極端氣象條件下船舶甲板機(jī)械液壓系統(tǒng)可靠性與適用性研究，特征參數(shù)提取，多執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓?jiǎn)卧β史峙淇刂婆c故障診斷技術(shù)研究。成果形式：技術(shù)研究報(bào)告。技術(shù)點(diǎn)6研究目標(biāo)：污染排放控制關(guān)鍵技術(shù)研究背景說(shuō)明：極地環(huán)境脆弱，全球重點(diǎn)關(guān)注，極地航行船舶排放問(wèn)題研究迫在眉睫，并要重點(diǎn)研究，形成有效的控制系統(tǒng)方案。研究?jī)?nèi)容

17、：Ø 通過(guò)對(duì)極地環(huán)境保護(hù)規(guī)則的調(diào)查，研究制定全船污染物(廢氣、廢水、廢油)排放控制的系統(tǒng)性技術(shù)；Ø 北極航區(qū)集裝箱船舶綠色電力雙燃料推進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)研究 。成果形式：技術(shù)研究報(bào)告。技術(shù)點(diǎn)7研究目標(biāo)：極地環(huán)境下水艙及管路防凍關(guān)鍵技術(shù)研究背景說(shuō)明：在極地低溫環(huán)境下，水艙及管路內(nèi)液體結(jié)冰后，會(huì)影響系統(tǒng)正常工作。研究?jī)?nèi)容：Ø 提出艙內(nèi)防水面凍結(jié)措施，并開(kāi)展少壓載水水艙技術(shù)研究；Ø 管路防凍系統(tǒng)關(guān)鍵性技術(shù)。成果形式：形成低溫下水艙設(shè)計(jì)及管路系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。技術(shù)點(diǎn)8研究目標(biāo)：極地環(huán)境救生、消防可靠性技術(shù)研究及船舶失去自航能力后應(yīng)急響應(yīng)研究背景說(shuō)明：由于極地環(huán)境條件惡劣，常規(guī)救生、消防設(shè)備的設(shè)計(jì)及布置很難正常使用。同時(shí)，突發(fā)事件易導(dǎo)致船舶失去自航能力，而需要救助。研究?jī)?nèi)容：通過(guò)對(duì)抗低溫救生、消防設(shè)備的研究，形成救生、消防技術(shù)的安全可靠使用技術(shù)。通過(guò)對(duì)惡劣環(huán)境下應(yīng)急設(shè)備的可操作性等的研究，建立應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，包括在惡劣氣候及操作環(huán)境下如何能正