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中国首制“探极神器”正式交付!恭喜“雪龙”号,终于脱单!
发布时间:2019-07-12 15:22:45 | 来源:中国船舶新闻网 | 作者:李俨儿
    7月11日,是第15个中国航海日,我国新一代极地科考破冰船——“雪龙2”号在这一天正式交付。拥有更强破冰及科考性能的“雪龙2”号,将与“雪龙”号组队为我国极地科考事业“开冰拓海”。对造船人而言,成功设计、建造“雪龙2”号也是一次过程刺激、结果美好的“探极”之旅。

“稳”了!

    今年5月23日,“雪龙2”号总设计师、中国船舶工业集团有限公司第七〇八研究所科考船设计专家吴刚与芬兰阿克北极公司设计师Lars站在中船集团所属江南造船(集团)有限责任公司的码头边等待着“雪龙2”号倾斜试验的结果。吴刚回忆,Lars当时看起来有点紧张。倾斜试验计算的是船舶实际重量和重心高度,从而据此判断船舶稳性的好坏。“雪龙2”号究竟造得如何,这是相关参与建造方要过的第一关。
    摄像机记录下了宝贵的画面——“比我想象的好这么多啊!”看到漂亮的测试数据,吴刚又惊又喜地对“雪龙2”号船长赵延平说道。“哇!太好了!太好了!”赵延平、吴刚、“雪龙2”号总建造师陈建新、“雪龙2”号总工艺师赵振华等人欣喜万分,驾驶室里顿时沸腾。倾斜试验的结果显示,雪龙2”号的重量与重心位置比初设预估状态更好,为该船的安全运营提供了保障;空船重量甚至比前期设计预估减轻400余吨,续航力将随之增加4800多海里,这为更好调配船舶浮态、增加有效使用空间、提高装载能力奠定了基础。
    “雪龙2”号要经受西风带的考验、要直面冰层的碰撞,船舶安全性是吴刚最关心的。设计阶段,七〇八所与阿克北极公司的设计师就针对船舶的破舱稳性、抗风稳性进行了加强设计。空船重量重心的有效控制不仅体现在设计预估的准确性上,也离不开建造过程中对钢板公差、电缆托架、阻尼敷料、管系、铁舾件、舱室内装等重量重心有效控制的成果。“雪龙2”号的“超重”物量使其重量重心控制的难度极大。据悉,该船的设备、材料、船体零件等数量多,分布散,全船管系达22000余根、电缆敷设近500公里、舾装件84000余件、设备总数达到421台套。“雪龙2”号总工艺师赵振华介绍,为确保重量重心指标得到有效控制,江南造船成立了专项小组,编制专项控制方案、实施细则以及超差处理程序,完成了近20份控制文件编制,形成各个阶段数据跟踪表库,并完成2400块钢板测厚及131个分段、200个主要设备称重。
    5月31日,倾斜试验结束后仅仅8天,手握“初试”优秀成绩单的“雪龙2”号就载着近240人进行常规性试航了。经过15天的海上操练,“雪龙2”号再次高分通过“二试”,其安全性、经济性、操纵性全面达到预设目标,振动噪声、总体布置综合考虑、抗风稳性及配载、电站负荷和油耗、动力系统可靠性以及生活环境舒适度均达到国际先进水平。
    试航接近尾声,Lars接受本报记者采访时表示,试验证明,船舶主要性能表现达到甚至超出预期,这让他长舒了一口气。

何为联合?

    吴刚与Lars因“雪龙2”号结下了深厚的友谊。2012年,Lars在北京争取“雪龙2”号的基本设计合同之时,吴刚就坐在他的对面,作为船东技术支撑单位的评标专家,研究、讨论着三家国外竞标公司的船型方案。
    2009年6月,国务院批准建造新一代极地科学考察破冰船,并确定了“国内外联合设计、国内建造”的原则。吴刚曾表示,十年前,确定“国内外联合设计”是英明的决定。当时,国内并无破冰船的设计经验,为招募到有丰富破冰船设计经验的“队友”,项目组面向国外设计公司招标,同时要求新船在入级中国船级社(CCS)的基本前提下还要入级一家拥有丰富的破冰船审图经验的国外船级社,获得双船级。
    “国内外联合设计”并不意味着买现成的图纸,也不是由国外公司提供基本设计后再“接力棒式”地交给国内公司进行详细设计。“从某一角度来看,七〇八所当时承接‘雪龙2’号前期技术支撑和后续设计工作意义深远。”吴刚对此感触最深。2010年2月,七〇八所被确定为“雪龙2”号项目技术支撑单位,与船东共同组织完成项目建议和可行性研究工作,重点是解决“到底需要一艘什么样的极地科考船”的问题。在经历了近2年的调研论证、船级社咨询甚至摸索着完成概念设计后,“雪龙2”号的需求轮廓逐步清晰,由七〇八所负责的中英文设计任务书编制完成,并提交专家组评审获得通过。
     2011年8月,CCS和英国劳氏船级社(LR)确定作为新船项目共同入级的船级社,为前期咨询和设计建造提供服务。
    2012年7月,芬兰阿克北极公司通过国际招标确定作为 “雪龙2”号联合设计的国外参与方。
    2012年10月,七〇八所正式签署新建极地破冰船的详细设计合同。
    芬兰阿克北极公司是设计破冰船的好手,全球运行的破冰船中近七成出自该公司,但科考船并不算其强项。联合设计的关键之处就是发挥各自优势,芬兰阿克北极公司在冰池预报和破冰性能方面经验丰富,承担了主要的基本设计;七〇八所则在敞水性能、科考设计、智能设计方面发挥了主导作用,同时代表船东承担了基本设计的技术审图以及获得双船级认证通过的详细设计,并配合船厂进行大量的生产设计和配建工作。
    有一个例子可以很好地体现中外设计公司的合作日常。吴刚介绍,“雪龙2”号的船底安装了重要声学设备,很容易受到气泡和碎冰的影响。为此,七〇八所专门设计了下沉式龙骨的船底结构。“芬兰阿克北极公司向我们反馈,这个设计不仅解决了下泄碎冰干扰的问题,船舶航行的经济性也没有受到很大影响。”
    阿克北极公司后来将“雪龙2”号的科考设计委托给了七〇八所。七〇八所将在“向阳红”“东方红”“实验”和“科学”等系列科考船设计中积累的深厚底蕴延续到了“雪龙2”号上。“七〇八所与阿克北极公司通过共有开发、共有设计,共享包括‘雪龙2’号船型在内的知识产权,不再是简单的技术转移。”吴刚强调。

科考力MAX

    组成“双龙探极”的科考编队后,“雪龙2”号的功能将更侧重于科考。“雪龙2”号政委王硕仁介绍,相比于“雪龙”号,“雪龙2”号的破冰和科考能力均得到了增强,特别是在水体和海底探测能力方面得到了显著提升,将大幅提高我国在极地海洋调查研究方面的能力。
    “雪龙2”号的科考设备齐全,同时还要满足极地航行的需求,“雪龙2”号舾装专业主任设计师黄维坦言,设计之初他本人对此也很“头大”。比如,艉部A架、舷侧π架、重力取样装置、科考吊机等诸多大设备需要布置在艉部600平方米的空间,设备布置的难度很大,为此他与设备商、船东等方召开了多次技术协调会。
    2015年年初,黄维曾与吴刚一同随“雪龙”号出征南极,进行了一次深度体验。两人均表示,此次南极行让他们更能理解、对接船东的需求。
    “雪龙2”号科考设备方面的一大亮点,就是月池。月池是船舯的一个直通船底的井道,配备垂直收放系统,主要用于冰区以及恶劣海况下的科考作业。此前,“雪龙”号受船型限制,科考作业方式相对落后。例如,进行CTD采水要动用很多人力,舷侧π架与绞车配合,工作环境和作业安全性较差,价格昂贵的设备在拉拽的过程中也容易受损。“雪龙2“号的月池系统解决了上述问题。
    在冰区或恶劣海况情况下,科考人员操作垂直收放系统就可以将科考设备通过月池直通海底进行作业,人员与设备安全都能有效保障,科考作业效率也能大幅提升。月池车间还在“雪龙2”号的右舷设置了一个包含上下两部分的舷门,CTD吊可以通过舷门进行舷侧科考作业。当舷门下半部分关闭时,操作人员可以通过舷门上的小窗观察舷外的作业情况。为避免出现其他极地船舶在冰区时出现的因较为严重的碎冰积累导致月池无法正常使用的情况,七〇八所创新地将月池底部封盖设计为水密形式,这样一来,在底盖关闭后配合抽水系统和加热防冰、除冰措施就能有效保证“雪龙2”号月池在极地冰区内正常使用。
    “雪龙2”号的另一个设计巧思,则是吴刚“摔”出来的。2015年年初的“南极行”期间,吴刚曾在“雪龙2”号的斜梯上打滑摔了一跤。这一摔,摔出了斜梯防滑设计。为了解决斜梯易结冰的问题,“雪龙2”号上部分室外斜梯、扶手配备了电伴热、伴热电缆等加热设备;对于未设置电伴热的斜梯、踏步则由花纹钢板改为格栅形式,以便增加在冰雪天气下的防滑效果。
    “雪龙2”号月池车间与艉部作业区都铺设了木地板。黄维介绍,之所以选择木地板,主要是为了保障设备的安全,船上科考设备昂贵,木地板相较钢板有更好的缓冲作用。在艉部作业甲板上,还布置了大量埋入式地脚螺栓,用于固定部分科考设备及科学家自带的临时上船设备。

“霜刃”霍霍

    6月15日,“雪龙2”号试航归来后便马不停蹄地进行了系柱拉力试验,试验数据显示实船螺旋桨转速和推力匹配合理,部分数据优于船模系柱试验数据。通过该试验,“雪龙2”号的破冰能力得到初步验证。不过,该船实际破冰、科考能力,还有待交船后的破冰试航、科考航次来进一步验证。7月11日交船当天,自然资源部极地考察办公室主任秦为稼登上 “雪龙2”号时感叹:“十年磨一剑,霜刃未曾试。”
    “雪龙2”号的“霜刃”虽尚未小试,但在冰区结构设计建造、低温服役钢材焊接、冬化环境设计技术等方面,各方建造者们“磨刀霍霍”已久。
    江南造船是于2016年12月同船东签订新船建造合同的。随即,江南造船就从极地破冰、大洋科考以及总体要求三个方面进行关键技术分解,组建了冰区结构设计建造、低温服役钢材加工及焊接工艺研究、电磁兼容与抗谐波干扰工艺研究等17个关键技术团队,开展技术攻关、精准设计,制订解决方案,保障生产建造有序运行。赵振华所在的团队引入数字样船的构建、人机工学体验设计和舱室VR体验设计等先进生产设计理念,在三维生产设计过程中将基本设计和详细设计方案逐步细化落实;同时在船舶建造过程中时刻跟进,确保图纸落实到实物过程中毫无失误。回顾整个建造历程,赵振华表示:“可以说,每位团队成员都将创新、严谨融入设计和建造的工序中。通过无数个日日夜夜,完成了本船17项关键技术的研究与应用,完成7891份设计图纸编制、287份技术协议与70多份专项工艺材料撰写。”
    “雪龙2”号满足PC3要求,能在1.5米厚冰层上以2~3节的破冰速度作业,配备全回转电力推进系统,具有艏艉双向破冰能力。为实现上述破冰能力,“雪龙2”号配备了国内最大功率的电力推进系统,采用两套全回转吊舱式推进器,每台推进电机功率为7500千瓦;同时配备4台中速主发电机和1台停泊发电机,为该船在极地破冰状况下提供了良好的动力输出。“破冰型全回转机舱是当前国际最先进的设备,我还是头回接触,感到非常兴奋,这两年的工作主要就扑在它身上了。”“雪龙2”号副总建造师张文龙说。
    要破1.5米厚冰层, “雪龙2”号底盘一定得稳,这需要过硬的结构、钢板及焊接质量。根据“雪龙2”号船体强度要求,该船在船艏、船艉和船底内部都需要进行冰区结构加强;为满足破冰需要,船艏冰刀、船艉2个分水舯都与冰区结构相连;为保证重要声学设备使用,船底还采用了箱型龙骨设计。“雪龙2”号冰区结构的结构密度非常高,肋位距离仅350毫米左右,仅为普通船舶的一半。该船冰区结构使用的钢材板厚、线性曲率大,加上焊材的特殊性,对焊接工艺要求极高。据介绍,该船艏部冰刀区域板厚达到了100毫米,相比之下,21000TEU超大型集装箱船最厚的板也就85毫米。“这艘船冰区结构的特点导致现场施工难度极大,而这又可能会影响施工质量。”“雪龙2”号总质量师杜晔浩说。
    在低温钢焊接方面,江南造船虽然通过建造超大型液化气船(VLGC)已积累了丰富经验,但在低气温环境下服役钢材的焊材适配、焊接技术应用上并无基础。据“雪龙2”号总建造师陈建新介绍,为保障焊缝低温冲击韧性和力学性能,江南造船打破常规及船级社规范要求,选用更高等级焊材去适配;通过参考特种钢焊接工艺研究方法,进行了42项焊接摸底试验,遴选出适配焊材;通过46项覆盖全船焊接方法和节点的正式焊接工艺评定试验,形成WPS工艺文件指导现场生产;在跟踪现场生产过程中补充了包括吊舱焊接工艺、吊舱角焊缝大间隙处理工艺、返修、艏柱冰刀打磨等8项工艺文件后,最终形成了一套完整的焊接指导工艺文件。
    “雪龙2”号的防寒防冻设计对七〇八所、江南造船而言也是头一次遇到。面对两极海域极低温环境,“雪龙2”号的甲板机械、救生设备、消防设备、舱面属具、轮机系统、电气装置、舱室环境以及全船通风等各方面均需配备相应主动或被动防寒措施;同时还需装备智能化防寒集成控制系统,以具备环境感知、信息传输、系统处理、分区控制能力,从而通过外部环境温度探测分区控制防寒措施起停,确保安全性与节能性。
    七〇八所轮机专业主任设计师刘志兵介绍,在极地作业时,船外零下20多摄氏度的空气如果长时间直接送风至柴油机或设备及管路上,设备及管路会由于低温而造成冰冻,从而直接导致柴油机等由于缺少冷却水的供应而带来高温报警甚至停机,严重的会导致船舶失去动力而停航。因此,在极地等寒冷天气水域,需要通过采取新风预热或热回风与新风混合等技术措施,确保送风系统起到供应新风的同时不会对船舶带来危害。极地寒区航行除了送风系统的特殊设计外,还包括船舷液舱的防冻设计、防冰堵海水门的特殊设计、舷侧排放口的防冰堵设计、作业区域的防冰及积雪的加热设计等。七〇八所在阿克北极公司提供的指导大纲外,对通风计算、蒸汽耗量计算、加热系统及设备选型等方面进行了深化研究,经过一系列的论证、调研及课题攻关,在船东、科研院所、设备厂家及船级社的大力支持下,成功地为“雪龙2”号配备了合理、可靠的动力及辅助保障系统和设备,确保“雪龙2”号能够畅游五大洋、破冰南北极,为实现我国的极地海洋科考目标砥砺前行。
    从国务院正式批复至今,“雪龙2”号从报告、图纸到实船交付走过了整整十年的时间。今日交付,造船人的十年“探极”之旅暂告一段落,“雪龙2”号的辉煌“探极”之旅才刚刚开始……

 

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