北极航线集装箱船研究内容_徐立修改_20130319

1/8适合北极地区水域多季节通航的集装箱船关键技术研究一、背景说明“北极地区水域多季节通航”的概念、必要性和可能性北极地区常年处于低温状态，历史上每年1月份的平均气温介于-20—-40℃之间，最暖的8月的平均气温也只达到-8℃，北极地区水域常年被冰层覆盖，所以从一般意义上讲北极水域是不适于普通商业船舶的航行。但是受近些年来全球气候变暖的影响，在夏季，北极地区部分水域二年冰覆盖区域的冰层厚度会变薄，部分当年冰覆盖区域的冰层会全部或部分融化，这就为普通商业船舶在该区域的通行创造了外部的条件。由于各种原因，人类探索船舶在北极地区水域航行由来已久，因此也就出现了北极航道的概念，所谓北极航道主要是指东北航道与西北航道，东北航道是指西起冰岛，经巴伦支海，沿欧亚大陆北方海域向东，直至白令海峡的航道，这是连接西、北欧和太平洋西岸国家和地区的最短航道，而西北航道是指由格陵兰岛经加拿大北部北极群岛到阿拉斯加北岸的航道，这是大西洋和太平洋之间最短的航道。对于国际航运界来讲，长久以来，利用东北航道和西北航道是梦寐以求的，这将大大降低国际物流的成本和时间，例如连接欧洲北部与远东的东北航线，与经过苏伊士或巴拿马运河的传统航线相比，在距离上缩短大约35～60%，在时间上可减少数天。由于上述北极地区环境与航行条件的变化，已经有一些国家在每年的8、9月份期间，尝试普通商业船舶经北极航道的通航并取得了成功，我们不妨称这种通航为“北极地区水域夏季通航”，但是显然这是远远不够的，为了进一步提高北极航道的可利用时间，变“北极地区水域夏季通航”为“北极地区水域多季节通航”，解决保障商业船舶在低温环境以及冰层覆盖（指一定的冰层厚度与强度）区域安全航行所面临的关键技术问题就成为非常必要的了。国际上关于普通商业船舶在冰区航行研究的开展已经有相当的时间并取得了一定成果，一些国家的某种类型的普通商业船舶（油船、散货船）已经实现了“北极地区水域夏季通航”，这无疑为今后更广泛地利用北极2/8航道奠定了良好的基础，但这也是远远不够的。在此基础上，本研究项目所设定的目标是：针对具有完全商业意义的能够适应“北极地区水域多季节通航”的要求，解决相关关键技术问题并开发出性能优良的船型。从技术成果应用的扩展性角度看，这些相关关键技术的研究成果不仅仅具有极大的商业价值，同时也具有更广泛意义的价值，中远集团作为国家海运主力船队，具有行业领头羊的突出地位，在执行国家战略部署、维护国家战略安全、维护国家能源多源化方面义不容辞，首先进行探索和尝试开避极地商业航线。研发集装箱船的必要性1、目前，极地航线主要是船舶途径北极地区水域的航线，是我国与北美和欧洲的最便捷航线，对于普通商业船舶，亚洲（特别是东北亚地区）与欧洲（特别是西北欧）的贸易运输需求以及东北亚地区与美国和加拿大东部地区的贸易运输需求较大。而我国与北美和欧洲的贸易比重最大，而且以集装箱运输货物为主。此航线也是集装箱船的贸易繁华区，所以未来贸易格局将急剧需要一批适应此航线的极地集装箱船舶。所以，对于北极航线集装箱船通航可行性的研究对于我国的国家战略和我国的航运企业更具现实意义。2、同时，中国是轻工业品出口大国，从1978年至2010年，我国港口外贸进出口货运量从5,000多万吨，增加到20.78亿吨，承担了75%以上的外贸货运。其中集装箱吞吐量从当时的1.8万标准箱，增加到2010年的近1.4亿标准箱，增长7,778倍。适用于极地航行的集装箱船在大量减少海上运输成本的同时，也将降低和分担途径马六甲海峡、巴拿马运河、索马里海域和苏伊士运河等高敏感区所带来的政治风险和经济成本。3、目前进入北极地区水域的船舶主要有：油船、散货船、多用途船等普通商业船舶，以及军用舰艇、破冰船和科考船等特种船舶。对于极地集装箱船，俄、韩等国家已经开发出此类船型：韩国STX集团于前不久宣布，开发大型冰区加强集装箱船和极地破冰穿梭LNG船。三星重工已将冰区加强船舶作为其新技术研发的重要方向，将大力开发北极钻井船、破冰LNG船、破冰集装箱船。3/84、作为国家海运主力船队的中远集团，已经从前瞻性、战略性的视角来考虑北极航道带来的机遇，正在加紧实施试水北极航道计划，争取2013年首次通航成功。目前中远集团旗下船舶只能在渤海湾漂流浮冰海况下航行，均不涉及极地地区。随着北极通航计划的实施，中远集团将来很可能制定相关的船舶建造计划。我国在高等级冰区加强船关键技术研究方面，刚刚开始着手油轮（2012年工信部立项）和LNG船的前期研发，处于起步阶段。对极地集装箱船的开发还从未涉及。从国家层面，截止到现在也还没有集装箱船的立项。所以，要提升我国极地船综合技术水平，争取使我国在冰区加强船舶技术储备上占有优势，尽快启动极地集装箱船的技术研究是很有必要的。我国与国际先进水平的差距及需要进一步研究的关键技术虽然我国已经可以称为是一个世界造船大国，但是我国冰区加强船舶的研发和建造技术还相当薄弱，特别是在高等级冰区加强船舶的研发和建造方面从未涉及，自破冰型运输船舶的研发也还处于完全空白的状态。1、从建造经验上讲：我国造船企业仅仅承建了寥寥可数的一些冰区加强船舶，如广船国际的冰区加强型5.18万载重吨化学品/成品油轮、江东船厂的冰区加强型1036TEU集装箱船、南通道达重工冰区加强型3.5万载重吨散货船等。而国外产品涉及油船、散货船、多用途船等普通商业船舶，以及军用舰艇、破冰船和科考船等特种船舶，目前正在向核动力破冰船、北极钻井船、破冰LNG船、破冰集装箱船、破冰FPSO等新概念船进军。2、从技术条件上讲：船舶的航行性能和安全性能在非常大的程度要通过船舶流体力学来解释，但由于船体流体力学的复杂性，目前往往是采用理论分析与实验相结合的方法相互补充和验证，特别是在考虑在有冰存在的情况下，单纯的理论分析就更加困难了。然而截止到目前，我国尚无一座可供研究船舶航行性能的冰拖曳水池供研究人员使用，目前我国科研人员要开展相关的实验工作，只能到国外去进行，例如芬兰、德国去进行。3、欧洲不仅重视冰区加强船的研发和建造，而且还注重相关配套设备和相关标准的制定。如瑞典开发了适用于北极钻探船PureBallast2500压载水处理设备。挪威船级社开发了冰载荷监测系统，能为船舶操纵人员提供有关冰载荷对船体影响的实时信息，并能将冰层的卫星信息整合成电4/8子航行地图，挪威船级社还联合八个国家的十五家机构启动了北极地区海洋工程装置最佳实践标准的制定工作。而我国在该领域远远落后欧洲国家。4、从极地船的关键技术讲，目前欧洲正在开展，国内尚属空白的关键技术主要包括以下几点：冰载荷的模拟分析和冰池试验技术：对于海冰载荷的准确模拟分析，目前还处于探索研究阶段。有船级社正在组织展开冰载荷的模拟计算分析，作用于船体的冰载荷基于CFD计算内核耦合离散颗粒模型分析方法展开研究分析。冰载荷的研究结果还需要结合冰池试验结果进行验证，国内目前尚未针对此展开相应的研究。针对破冰船船体线型的研究：对于破冰船船体线型研究，已有船级社展开了破冰船船体线型的适航性分析研究，并对破冰船波激振动和颤振特性展开研究，制作分段拼装船体模型进行破冰工况下的波频耦合响应试验研究。国内研究机构对于波浪中航行船舶展开波激振动计算分析及模型试验有成功的经验，对于破冰工况环境下波频响应试验分析，尚未开展研究。螺旋桨轴系承受瞬间冰激响应分析和测量分析研究：有国外机构通过对螺旋桨轴系扭矩的时域响应分析，研究瞬间冰载荷响应特性。结合瞬间冰激振动下轴系扭矩的测量分析结果，和时域分析的结果进行对比研究，取得较好的一致验证。国内尚无研究。二、拟研究技术点说明技术点1研究目标：集装箱船北极环境的适航性关键技术研究背景说明：目前已知的北极浮冰最少的季节是8、9月，由于船舶在极地的通行期越长，带来的各项利益越大，现阶段需要考虑在已有能够商业通航的季节基础上，延长航行时间段。并结合对航线环境的分析，研究确定课题的冰级定位。同时考虑极地集装箱船航行特点，结合现代物流的特点和国际贸易形势，研究合适的船型。研究内容：5/8通过研究航线环境，结合航运公司需求，确定相应的冰级和集装箱船的适航季节；北极航区内水文气象航海保障信息研究，包括东北航路的危险源分布情况研究；公约、规则、规范研究，包括北极航区周边国家航运安全法规研究；通过对冰区和非冰区的航运特性分析，选择研究船型；总体方案设计与经济性分析研究。成果形式：完成集装箱船适航期分析报告，提出合适的船型区间。技术点2研究目标：船首破冰线型特征和高冰级螺旋桨、舵的设计技术研究背景说明：在极地航行需考虑一定的破冰能力，冰区航行的首部线型有独特规律，需对该线型规律进行研究。在冰区航行首部经常受到浮冰的不规律碰撞，船舶振动/摇晃与非冰区不同，需研究船舶适航性。冰区螺旋桨、舵的的加强设计是船舶适航极地的关键，并且要考虑到推进的安全性和机动性，同时非冰区螺旋桨的高效性和快速性也需要权衡考虑。研究内容：通过对设定冰级下的破冰和适航性分析，采用模拟计算和/或实验的方法，研究合适的首部线型。通过对特定冰级的分析，结合高速桨特性，确定螺旋桨的形式和材料，以及高冰级舵的设计技术。成果形式：开发首部破冰型线型，完成线型特征研究报告，确定螺旋桨、舵的强度设计和材料选定，得到船级社认可。技术点3研究目标：集装箱船体承受冰层载荷计算与耐冰船体结构设计优化关键技术研究背景说明：1）前期根据已有的离散颗粒模拟方法建立浮冰模型开展过船体驶入浮冰区浮冰对船体纵向载荷分析的研究，可以确定船体承受冰载荷和推进阻力。6/82）外板/舷侧纵骨/舷侧肋骨计算本来无需直接强度分析，相应规范计算公式一应俱全，直接强度分析一般仅确认平台大骨/横向肋板；但是，这里进行直接强度分析比较，也是为了深入了解纵骨架式/横骨架式应力分布，为优化技术提供技术基础。研究内容：针对设定冰情条件，建立船体及冰层碰擦模型，掌握船体承受冰层载荷的计算分析技术。对特征冰级的冰层载荷作用，进行集装箱船艏及舷侧船体结构直接强度计算及分析，比较典型结构型式耐冰载荷强度优缺点，掌握耐冰载荷船体结构设计优化技术。成果形式：完成冰载荷分析，对船体技术计算分析及优化技术取得船级确认。技术点4研究目标：北极航区集装箱船动力装置关键技术研究背景说明：冰区航行时主机工况多变，两种海况的主机运转工况存在差别，需要研究平衡不同工况下的推进装置的经济性等。研究内容：北极航区集装箱船舶主机多工况点选型及冗余负荷设计；北极航区集装箱船舶推进系统和动力匹配技术研究；北极航区集装箱船舶动力装置综合安全评价方法；冰区/非冰区复合工况主机节能技术研究；变距桨/大侧斜桨适用性研究。成果形式：技术研究报告。技术点5研究目标：冰区集装箱船液压甲板机械可靠性与适用性研究背景说明：冰区极端气象条件会大大降低舵机、锚绞机械和船舶克令吊等重要甲板机械液压系统的可靠性与生命力，影响船舶安全营运，因此在对冰区船舶甲板机械液压系统的状态监控和故障诊断技术尤其重要。研究内容：冰区极端气象条件下船舶甲板机械液压系统可靠性与适用性7/8研究，特征参数提取，多执行机构液压单元功率分配控制与故障诊断技术研究。成果形式：技术研究报告。技术点6研究目标：污染排放控制关键技术研究背景说明：极地环境脆弱，全球重点关注，极地航行船舶排放问题研究迫在眉睫，并要重点研究，形成有效的控制系统方案。研究内容：通过对极地环境保护规则的调查，研究制定全船污染物(废气、废水、废油)排放控制的系统性技术；北极航区集装箱船舶绿色电力\双燃料推进关键技术研究。成果形式：技术研究报告。技术点7研究目标：极地环境下水舱及管路防冻关键技术研究背景说明：在极地低温环境下，水舱及管路内液体结冰后，会影响系统正常工作。研究内容：提出舱内防水面冻结措施，并开展少压载水水舱技术研究；管路防冻系统关键性技术。成果形式：形成低温下水舱设计及管路系统关键技术。技术点8研究目标：极地环境救生、消防可靠性技术研究及船舶失去自航能力后应急响应研究背景说明：由于极地环境条件恶劣，常规救生、消防设备的设计及布置很难正常使用。同