我们经常看到一些巨大的、大型的和中小型的船舶在海面上行驶,但你有没有想过一艘船舶是如何建造的?其实,建造一艘大型船舶的过程十分复杂,所以过去的我国一度不会造大型船舶。船舶作为一片流动的国土,相当于一个微缩的、完整的海上城镇,在船上不但要实现各种专业化的作业功能,还要保证船员的各项生活需求。与船舶建造产业链相关的行业有很多,如各种钢材、合金材料以及特殊材料等的制造,基础设计、详细设计、建造规范等理论支持及必要的水池模拟,船舶动力设备、船用电力电气设备、甲板机械、船用通信导航设备、船舶自动化设备、舱室设备、船用舾装设备等船舶配套行业,船用泵和管系、压载水系统、污水污油处理系统、消防设施等专用设备……缺一不可。

笔者作为一名航海工作者,一直想写一篇介绍船舶如何建造的科普文章,苦于搜集资料的难度和工作的局限性,今天只能介绍美国在2004年建造一艘大型油轮“Alaskan Frontier”(现翻译为“阿拉斯加边境”)号的过程。由于该油轮被誉为当时最先进和环保型船舶,还是四艘阿拉斯加型油轮中的第一艘,还可能是美国建造数量不多的大型油轮之一,有媒体记者、摄影爱好者等拍摄了大量该油轮建造过程及运营的照片,笔者根据照片内容和自己的理解,增加了一些文字说明作为科普文章向大家进行介绍,供爱好者参考,这是写作的初衷。美国的造船历史较短,在此希望专业人士介绍当今我国先进的造船技术。

美国1920年实施《商船法》的第27条是《琼斯法案》,《琼斯法案》的主要内容是:所有在美国境内港口之间航行的船舶必须由美国制造、并在美国登记注册、由美国公民或常住居民拥有和运营。或者船舶的所有权至少有75%是美国公民所控制;船员必须是美国公民。《琼斯法案》限制了货物的海上运输方式,最初旨在作为支持具有重要战略意义航运业的一项措施,现在被认为是保护本国造船业、航运业、船员就业等的典型例子。

美国有从位于北美大陆西北端阿拉斯加开采的石油运送到位于华盛顿州和洛杉矶等西海岸炼油厂的需求,根据《琼斯法案》必须由自己造船和运输、本国公民操作。2003年,位于加利福尼亚州圣地亚哥的国家钢铁和造船公司(National Steel and Shipbuilding Company)获得了建造这四艘18.5万载重吨的双壳油轮合同。油轮船长287米、船宽50米、满载吃水18.8米,双主机、双螺旋桨和双舵,船速15.8节,舱容130万桶/21万m³(约可容纳18.5万吨石油)。2004年8月完成了其中第一艘油轮的建造工作并交付给船东——阿拉斯加油轮公司(Alaska Tanker Company,LLC)。

1.造船厂根据自己船坞的尺度、造船的能力等决定是否参加某一艘新船的招投标活动。想中标的造船厂必须有一个合适的船坞用于造船,一般是船舶的尺度小于船坞的尺度。

船坞是指修造船用的坞式建筑物,灌水后可让船舶进出,排干水后能方便在坞中修造船舶。下图分别是国家钢铁和造船公司(以下称造船厂)一个准备就绪造新船的船坞和一个正在建造新军舰的老船坞,用一道坞门将海水拦在船坞外。

2.造船厂根据船舶设计图纸的要求,将钢材制成船体的构件。部分船体构件不一定是造船厂自己建造的,可能来自几百公里外的分厂或其他的造船厂,然后通过各种交通工具运输到造船厂进行组装。

所建造的油轮通常有货油舱、压载舱、燃油舱、污油舱、润滑油舱、淡水舱、机舱、上层建筑、烟囱等组成,这些舱是船体构件的一部分,往往是在船坞外面制造。

一般油轮是左右舷各一个货油舱,这船可能是比较宽的原因,是并排三个货油舱。下图分别是“阿拉斯加边境”号油轮的各舱分布图、该轮在建的船体构件或分段。

3.造船厂将根据厂内龙门吊等起重设备的能力,制成相对较大的船体构件,这样可以提高造船效率。

4.造船厂将制成的船体构件按照顺序要求吊入船坞内。

5.将吊入船坞内的船体构件焊接在一起。

6.将较大的船体构件吊入船坞内并进行焊接。

7.将油舱中的各类管路提前安装进去,这需要事前有全盘的考虑。

8.继续将船体构件吊入船坞内并且焊接在一起。现在要求所有油轮必须有双层底和双层外壳。一旦发生搁浅或触礁、碰撞,可大大减少事故后的石油泄漏和环境污染。

9.继续将船体构件吊入船坞内并焊接在一起。

10.继续将船体构件吊入船坞内并且焊接在一起,船体在变长。可以看到船坞外还有很多船体构件等待吊入船坞中。

11.继续将船体构件吊入船坞内并且焊接在一起。

12.继续将船体构件吊入船坞内并且焊接在一起,货油舱在变高;边舱的舱壁也在同时焊接。

13.吊来船舶的两台主机。因为该轮较宽,使用两台主机可使机舱的占的空间相对小一些,有利于增加货油舱的舱容。

14.吊来船舶的四台发电机。

15.将船尾的构件、机舱设备等吊入船坞内。由于该油轮采用双主机、双螺旋桨和双舵结构,其船尾的形状与单桨单舵船不一样。

16.将船尾的构件吊入船坞内并焊接在一起,同时也吊入油轮边舱的构件,安装与货油泵连接的相关管路。

17.在油轮的主甲板上安装甲板机械和管路。

18.继续安装机舱设备和油舱的船体构件。

19.吊入机舱的外围船体构件。

20.吊入机舱的外围船体构件并焊接在一起。

21.继续安装机舱的设备。

22.吊入船尾的船体构件并焊接在一起。

23.继续吊入船尾的船体构件。

24.精准吊入的船尾船体构件到指定的位置,便于同时焊接。

25.焊接在一起的船体构件,使得油轮初具规模。

26.即将安装和已经安装的两根主轴及螺旋桨。目前的商船多数使用一根主轴及一个螺旋桨,少量特种船使用三根主轴及三个螺旋桨或更多。关于螺旋桨,一般是三个叶片到六个叶片。螺旋桨的正确选择与船舶吨位、尺度、船体水线以下形状、航行速度、螺旋桨转速、想要的船舶操纵性能等有关,主要目的是使得主机的燃油效率最大化。螺旋桨一般按其直径进行分类,它可以很小,也可以很大;较小的螺旋桨用于较快的船舶,较大的螺旋桨用于较慢的船舶。螺旋桨转速较高的用于船速较快的船舶,螺旋桨转速较低的用于船速较慢的船舶。目前,用在船长399米、船宽56米的超大型集装箱船“艾玛·马士基”(Emma Maersk)号的船舶螺旋桨是最大的之一,竟重达131吨。

27.安装甲板上的输油、消防等管路和设备。

28.大部分船舶壳体已经焊接在一起,接着安装四台发电机。

29.吊入部分船员居住的上层建筑。可能是造船厂的起重设备起吊能力不够强大,只吊起了上层建筑的一小部分。现在我国的部分船厂往往是整个上层建筑一次起吊,造船效率进一步提高。

30.吊入的部分上层建筑与主甲板焊接在一起。上面的“NO SMOKING”不仅仅是“禁止吸烟”,而是“禁止一切可能产生烟火的行为”,如油轮装卸货时严禁烟火,对油轮爆炸危险区域和火灾危险区域内检查、维修及保养设备时应使用防爆工具,在油轮甲板上临时动火、临时用电等要符合安全规定,船员在油轮甲板上工作时应着防止产生静电的工作服,严禁穿有钉子的鞋等。

31.继续吊入上层建筑的旁边部分。

32.继续吊入的其他部分上层建筑,并与主甲板等焊接在一起。最上层则是船舶驾驶台,担心驾驶台的玻璃窗被喷上油漆,一般用布或纸保护玻璃,直到船舶要出海试航时才撤下保护的布或纸。

驾驶台是船长、驾驶员、引航员控制船舶航行和操纵的场所,是船舶的指挥中心,安装了必备的航行和通信导航以及其他的辅助设备,如车钟、舵轮、雷达、罗经、望远镜、测深仪、气象传真机、航警电传、自动识别系统、甚高频无线电话、全球定位系统、电子海图、汽笛、船舶数据记录仪(船用黑匣子)、海事卫星船站、货舱各类报警系统、烟雾探测及报警系统、各类仪表和指示器、航行灯及信号灯控制箱等。

33.安装甲板机械、管路、专用通道等。甲板专用通道是为了船员从生活区到船首和主甲板的行走安全。

34.为减少油轮航行时的兴波阻力,在船首安装了球鼻艏,可达到提高燃料效率和船舶航行速度的目的。

球鼻艏产生的波谷与船首产生的波峰相互叠加,减弱了船首处的波浪高度。波浪高度减小了,船舶航行消耗的能量就减小了,可以理解成兴波阻力减小了。不同的额定航行速度、不同的船体水线下形状等搭配不同的球鼻艏。

35.在船首安装船体构件。

36.继续在船首安装船体构件,上面的圆筒是锚链孔。

37.在船首安装最上面有舷墙的船体构件,包括船名的书写已经在制作船体构件时完成。

38.在船尾安装舵叶。

39.待船体基本建造完毕后,计算船舶的稳性高度必须符合要求,确保船舶下水后像“不倒翁”一样不会侧翻;检查焊缝质量,确保船体不会漏水;对船体及上层建筑钢板内外表面和安装的部分设备基座等进行除锈、涂敷各种涂料,以减缓船体外壳、设备基座等的锈蚀速度;标识船舶的吃水标志等。一切正常和工作完成后,船坞才可以开始注水。

40.船坞中继续注水,直到油轮正常浮在船坞中。船坞内的水位与船坞外一致后才可以打开坞门。

41.船舶移出船坞。可以看到其船籍港是PORTLAND,OR(波特兰,美国西海岸俄勒冈州的商港),满足《琼斯法案》中“在美国登记注册”的要求。

42. 舾装作业。出船坞后,大量的舾装作业一般是靠在码头上进行,主要是继续将各种船用设备、仪器、装置、设施等安装到船上,也包括船舶各类房间的装修。腾出来的船坞将用于造或修其他船舶。

现阶段船舶的建造工作被划分为船体建造、舾装和涂装三大部分,船体建造工作是搭了船舶的框架,涂装工作是给船舶穿上了外衣,舾装工作则是各类装置、设施、设备的安装和调试、集成等,涵盖了船装、机装、电装、动力装置、控制装置、管路等。船舶作为可移动的水上建筑物,其内部舾装工作远比其外观看上去复杂的多,涉及到结构、机械、电力、通信、水声、传感、无线电、自动化、系统集成等300多个专业。这些技术复杂的系统支撑了整个船舶的正常运转,涉及的零部件名目繁多,是现代造船模式的中心环节,具体由机舱内各种装置、系统和属具舾装,船上控制船舶运动方向各种设备和系统舾装,保证航行安全和营运作业所需要的各种设备和用具舾装等三大类组成。如果是豪华邮轮、航空母舰,则舾装工作要复杂很多。

43.船舶交付前的海上试航。进行海上试航,就是为了发现问题,并且给予及时解决。船舶试航主要是测试船体、设备设施以及船舶操纵性能等是否满足相关的法律法规规定。船舶试航作业主要分为两个阶段,一是系泊试验,是船舶在码头靠泊期间开展测试,用来验证船舶是否具备航行试验条件;二是航行试验,是船舶通过在试航水域航行来对船舶性能进行更加全面的测试,主要检查船舶在航行状态下主机、发电机以及各种机电设备和系统的使用性能。通常有空载试航和压载试航。在航行试验中测定船舶的航速、主机功率以及操纵性、回转性、航向稳定性、惯性和指定航区的适航性等。

44.对船舶的各类管路进行测试。

45.对驾驶台设备进行各类调试。

解决了海上试航中发现的所有问题后,试验结果还需要经验船机构和船东验收合格后,船舶才可以交付给船东,还要求在合同期内完成。船东立即配备合格的船员去接船,接着给其加燃料油和上物料等,油轮处于运营状态,开始其航行和装卸货的“职业生涯”。

46.船东马上安排“阿拉斯加边境”号油轮航行去阿拉斯加装石油。

47.“阿拉斯加边境”号油轮在阿拉斯加的码头上装石油。

48.满载石油的“阿拉斯加边境”号和其在加利福尼亚州长滩港卸石油。

49.空载的“阿拉斯加边境”号通过金门大桥,离开旧金山,继续去阿拉斯加装石油。

由于阿拉斯加的环境相对比较恶劣,大型油轮“埃克森·瓦尔迪兹”(Exxon Valdez)号曾经在阿拉斯加泄漏超过27万桶的石油,成为美国历史上最大的油污染事件,油轮“阿拉斯加边境”号船体的双壳结构设计寿命为35年,甲板结构的使用寿命为50年——这种坚固的配置是为了应对阿拉斯加海域严酷的气候环境。尽管美国航运公司有《琼斯法案》保护,但是较高的运营成本敌不过市场竞争,在运营13年后的2017年,有传言“阿拉斯加边境”号将退役(船舶平均的运营年限可是25年左右);在自动识别系统(AIS)中最后一次监测到的是2018年,空载航行在南中国海;2019年,有人在马来西亚的一海湾中看到该轮锚泊中,似乎是在等待处理;2020年,公司重组,该轮仍然在马来西亚的海湾中锚泊;2023年10月,美国海外航运集团(Overseas Shipholding Group, Inc.,OSG)宣布购买油轮“阿拉斯加边境”号和其他的三艘姊妹船,然后对主机进行升级、安装压载水处理系统和其他必要的改进设备,预计用一年的时间,让该油轮重新启动。

这是美国人二十年前的造船工艺,和目前我国的造船工艺差别较大,如在船坞中,似乎是货油舱的中间舱分段全部贯通后,再焊接两边的货油舱构件,而我国多是一大分段货油舱、一大分段货油舱直接焊接在一起;大多数船厂一般是先装尾轴,再装上螺旋桨,“阿拉斯加边境”号是尾轴和螺旋桨安装完毕后再整体装进船去等,可能还有其他的不一样。

50.越造越大的船舶分段,造船速度也因此加快。随着船舶的大型化、专业化和多功能化,现代造船已经不是“刳木为舟”——挖空树木的部分成为独木舟那么简单,而是一项复杂、巨大的系统工程。尽管造船技术越来越复杂,但是涉及到设计、材料、加工、施工、安装、电子、机械、自动化、航行、调试等领域的工程师们根据总工程师的要求,精准把握错综复杂的现场管理和施工次序,确保新造船各项目总体推进有序,每个项目质量可控。

在传统的造船模式中,舾装主要在船舶下水后进行,不但作业工期长、环境差,而且效率低下。为缩短造船周期、控制成本、保证造船质量和生产安全,现代造船厂引入了先进舾装的概念,即将舾装前移至船体分段建造的各个阶段,分步进行预舾装。下图分别是造船工程师们在讨论设计图纸、建造新船的一般流程、准备安装在邮轮的构件和油轮的一个大分段。

媒体报道,扬子江船业集团建造15000TEU的超大型集装箱船“One Frontier”号(船长366米、船宽51米),2023年3月9日在船坞中吊入第一个船体结构分段,6月2日移出船坞,7月27日举行命名仪式并交付,被认为是同类型船舶建造时间最短之一。

人类历史上建造过最大的巨大型油轮是“海上巨人”(SEAWISE GIANT)号,始建于1976年12月,“加长”后于1981年9月交船,船长458米、船宽68.86米,载重吨56.4万吨,是人类造船史的杰作。2010年1月4日,该油轮在印度古杰拉特邦的亚兰市海滩上开始拆解。

通过我国造船工作者几十年的励精图治、奋起直追,现在的我国不仅能够建造全球最大的超大型集装箱船、油船、散货船等,还能建造大型液化天然气船(LNG)、邮轮和航空母舰——造船行业皇冠上的“三颗明珠”;不仅为本国的航运公司造船,更多为外国的航运公司造船;在国际造船市场的份额中连续多年位居世界第一,成为全球最大的造船国。