油船起源与油轮船队的发展（上）
油船起源与油轮船队的发展（上）
石油是全球能源体系的核心，是推动现代工业和交通发展的关键要素。从最初的木桶运输到现代大型油轮，油船的发展见证了人类对石油利用的不断进步。本文将带您了解油船的起源、发展及其技术演变。
石油被喻为“黑色的金子”“工业的血液”，是全球能源体系的核心，是推动现代工业和交通发展的关键要素。石油资源的稳定供应对于维持世界经济的繁荣与国际社会的稳定至关重要。英国石油公司(BP)发布的系列报告显示，中国已连续5年原油进口量位居全球之首，是名副其实的世界最大原油进口国。世界原油大批量、长距离运输中，用油船或油轮海运是最主要的运输方式，其中大型油轮(包括VLCC和ULCC)是海上原油运输的主力军，也是全球油轮制造业核心能力的体现。我国在这一领域从无到有逐步走向世界顶尖的造船发展历程彰显了高端制造业的大国实力，油船队的建设与发展也为保障全球能源运输稳定性和可持续性贡献了重要力量。
石油开采与海运需求的产生
石油的发现和利用具有多源性，不同文明都拥有其各自的早期记录。经考证的苏美尔文明最早出现了使用石油的记载，早在公元前4000年左右，位于美索不达米亚南部的古苏美尔人就会使用天然沥青进行建筑防水和舟船密封，现存的苏美尔绘画代表作“乌尔军旗”就是在刷有沥青的木版上绘制的。古埃及人也使用天然沥青作为防水材料和防腐剂，最知名的案例就是用于木乃伊制作的防腐材料。根据中国化工通史(古代卷)的记载，公元5世纪后，波斯帝国出现了人类手工挖成的石油井。随后，拜占庭人将引燃的石油用于战争。2000多年前中国人开始发现并使用石油。东汉时期班固所著的《汉书》中记载了中国发现、获取和使用未经精炼的原始状态石油的内容。宋朝的沈括在《梦溪笔谈》中首次把这种天然矿物称为“石油”。《元一统志》(元朝)中记述了中国正式手工挖井采油的史实。世界石油大会曾对石油下了一个较为官方的定义：石油主要由碳、氢两种元素组成，是多种化合物的混合物，是一种主要以气态和液态的形式贮存于地下岩石孔隙中的可燃矿物。
从人类发现并使用石油到石油海运需求的产生经历了漫长的岁月。根据大英百科全书的记录，石油第一次重要的商业开采要追溯到1850年，詹姆斯·杨(James Young)通过蒸馏石油制造石蜡(煤油)，并为这一制造工艺申请了专利。此后，石油开始从当时的英国殖民地缅甸用陶器运到河岸，后通过船舶运往英国。
1859年起，宾夕法尼亚州开始成为主要的石油供应地，这主要归功于埃德温·德雷克(Edwin Drake)钻探出了美国第一口油井，也是世界上第一口用现代技术开发的油井，标志着现代石油工业的开端，德雷克也因此被誉为“石油工业之父”。事情起源于1857年，宾夕法尼亚岩石油公司在泰塔斯维尔村租下了一块地面会渗出石油的土地，希望开采这些石油用于照明，于是请德雷克评估项目的可行性。德雷克与上述公司的股东成立了塞内卡石油公司，专门负责泰塔斯维尔油田的开发与运营。与传统的挖深坑等石油从地底渗出不同，德雷克设计了一项全新的技术，并建造了一台由蒸汽机和电力驱动的钻机，用钻机钻挖油井从地下深处直接抽取石油，开始了史上第一次石油钻探。经过几个月努力，在钻探到69英尺的深度时顺利发现了石油，为公司带来了丰厚的利润。这口油井建成的消息很快就传开了，迅速引发了石油钻探热潮，成群结队的勘探队纷纷效仿钻探。德雷克也并未藏私，大方地将他的钻探方法分享出来。然而，这些勘探队就没有德雷克那么好的运气了，个别企业钻探了超过4倍的深度也没发现油层。但经过不懈努力，最终他们也纷纷钻探到了石油。
在随后的几年里，宾夕法尼亚州的石油产量快速增长，使美国成为全球石油市场的一个主要参与者。然而，随着供给量的快速增加，新的矛盾出现了，产出的大量石油在满足本地需求后，越来越大的多余部分怎么办？因此，寻找新的海外市场和探索安全快速的石油海运方式成为了当务之急。
油船的起源
油船(Oil Tanker)，中国船级社的定义是建造或改造为主要在其装货处所装运散装油类的船舶，这些油类包括原油、燃油、油泥、油渣和炼制品(MARPOL公约附则II所规定的石油化学品除外)在内的任何形式的石油。进入蒸汽机动力推进船舶时代之后，油船也被称为油轮。
早期液体货物的海运是先将液体装入陶罐，然后再用普通货船运输盛装液体的陶罐，后来逐步发展成用木桶、铁桶盛装液体货物。有记载以来国际间的首次石油海上运输要追溯到1861年。对于前节所述宾夕法尼亚州的石油，先将其分装入木桶中，然后双桅横帆船“Elizabeth Watts”号(见图1)装载着这些木桶，从费城出发跨越大西洋运输到英国伦敦，实现了约224吨石油的国际海运。然而在这一运输过程中，由于木桶的重量、体积、成本等限制了装载石油的数量、增加了运输成本。因此迫切需要建造专门的“油船”来运输石油。
图1 双桅横帆船“Elizabeth Watts”号在美国费城用木桶装石油/中国航海学会官网
然而，直接将石油装入船舱内存在几处难点：一是货舱需要有严格的水、油或气密性，以防止液体货物泄漏；二是需要开发高效的泵和管道系统，用于油船的装卸；三是船上装载大量液体散货时，舱内液体会随船舶摇摆产生自由液面，导致船舶稳性变差，严重者可能导致倾覆。这些技术瓶颈限制了专用油船的出现，石油一直采用桶装的形式跨洋运输。
许多国家以多种方式尝试了散装石油的运输。比较成功的案例是托尔夫森(Tollefsen)设计的方案。1877年底开始在挪威船厂对双桅横帆船“Jan Mayn”号改装，将石油装入木质舱室中，但这一方案面临着石油溢出和海水渗入的风险。次年，首先通过尝试装运水，后改为装运石油，陆续取得了海上航行测试的成功，“Jan Mayn”号成为了世界上第一艘改装而成的油船。然而该船仅有200多总吨，由于装载量太小而无法盈利。同期改装的三桅帆船“LINDESNAES”号比较知名(见图2)。该船为674总吨，由托尔夫森本人担任船长，在跨大西洋航线运营多年。至此，人们已经不再用木桶装运石油，而是将石油直接装在货舱内运输。1878年，英国也改装了一艘“ZOROASTER”号油船，船长56米。1886年，托尔夫森新改装了多艘油船，其中“Rolf”号达到1200总吨，改装过程中，他开发了一个巧妙的泵和软管系统，有效处理了废油并分离出渗透到船舱内的海水。此后，木质舱室装油的改装帆船达到了鼎盛时期，美洲与欧洲之间的石油海上运输市场逐步形成，商业石油海上运输的历史就此拉开帷幕。
图2 “LINDESNAES”号运输散装石油/Tekmar会议资料
但很快，上述风帆船就被蒸汽动力油船所淘汰。1886年，英国船厂建造的“好运(Glückauf)”号油船成为了世界上第一艘专用的蒸汽驱动的远洋油船(见图3)。该船总吨位为2307，船长91米，船宽11米，型深7米。该船将货舱分隔成14个舱，用泵和管道系统连在一起，可以靠自身的泵和管道进行石油装卸，是第一艘可以将石油直接泵入船体的船舶，具有单层船壳和多个隔舱等现代油轮的基本特征，被认为是油船设计史上的重大突破。
图3 英国建造的第一艘现代油轮“好运”号/中国航海学会官网
油船的发展与船型特点
第一艘现代油轮诞生后，油轮的设计建造开始朝着大型化的方向发展。1913年，英国建造了蒸汽机油轮“SAN FRATERNO”号，该船载重量约1.2万吨、船长160.7米，成为当时世界上最大的油轮。随后几年，油轮的载重量虽然也在增长，但没有呈现出突破性的变化。直到1928年，德国建造的“C.O.STILLMAN”号油轮(见图4)，载重量为2.4万吨，船长178米，成为当时世界上最大的油轮。受多种因素的综合影响，油轮的大型化一时间未能再有突破，直到第二次世界大战结束，该轮仍保持着世界上最大油轮的纪录。
图4 “C.O.STILLMAN”号油轮/Bremer Vulkan船厂官网
此后，随着全球原油海运需求的快速增加，油轮的载重量开始快速地扩大起来。1953年，德国建造了“TINA ONASSIS”号油轮，该船载重量超过4.5万吨，成为当时最大的油轮。随后油轮载重量又快速增加到了5.6万吨。1956年苏伊士运河的封闭进一步刺激了各国竞相建造大型油轮，以获得规模经济效益。日本造船业在这场油轮快速大型化的竞赛中一马当先。1959年，日本建造了“UNIVERSE APOLLO”号，成为了全世界第一艘超过10万吨的油轮。此后仅7年时间，日本就将油轮的载重量突破到了20万吨，建造了“IDEMITSU MARU”号油轮(见图5)。该船长344.3米、宽48.8米、最大吃水17.7米。由此也诞生了一个新名字：VLCC(Very Large Crude Carrier)，即载重量20万吨以上的大型油轮。1968年，日本造船业再次突破，建造了载重量32.6万吨的“UNIVERSE IRELAND”号油轮，成为首艘超过30万吨的油轮。由此定义了20万～32万吨之间的油轮为大型油轮(VLCC)，32万吨以上的油轮为ULCC(Ultra LargeCrude Carrier，超大型油轮)。
图5 世界第一艘超过20万吨的VLCC“IDEMITSU MARU”号/Auke Visser网站
在接下来的10年时间里，油轮的最大载重量继续膨胀到37万吨、42万吨、55万吨。这段时间内的七十年代，日本以一国之力建造了全球一半以上的油轮，超大型油轮的比例更高。有史以来建造的最大油轮是“诺克·耐维斯(Knock Nevis)”号(见图6)。该船改装后载重量56.4万吨，船长458.45米，成了世界上最长的油轮，也是迄今为止世界上装载量最大的船舶。该船后来浮在海上作为大型储油与卸油的设施，于2010年拆解。
图6 有史以来建造的最大油轮“Knock Nevis”号/ShipSpotting网站
油轮大型化进程持续到20世纪70年代末基本结束。由于船舶吃水受到港口和航道水深的限制，油船并非越大经济性越好。实践表明，30万吨大型油船的综合经济效益最好，因此后期建造的大型油船基本在30万吨左右。
油轮大型化进程中，其设计也逐渐标准化，考虑到不同的航 程、运河等条件差异以及相应环境下的运输经济性，按载重吨由小到大逐渐归集、演变出了巴拿马型(Panamax)、阿芙拉型(Aframax)、苏伊士型(Suezmax)油船、VLCC、ULCC等(见表1)。
表1 Clarkson分类下的各型原油油轮载重量划分
在大型化发展进程中，因油船泄漏石油导致海洋污染的事故层出不穷。1967年，一艘油轮在英吉利海峡触礁断裂，导致11.5万吨石油泄漏；1972年，两艘油轮在南非海岸发生碰撞，溢油10万吨；1978年，一艘油轮在法国外海触礁搁浅，溢油22.5万吨。为有效应对油船船体破损溢油事故，美国率先颁布了《1990年油污法》(The Oil Pollution Act of 1990)，规定油轮必须具有双层船壳。双壳油船通过增强船体结构完整性有效降低了原油泄漏的风险，对海洋生态系统保护具有里程碑意义。次年，国际海事组织(IMO)迅速响应，通过了MEPC 52(32)决议案，规定新建油轮必须采用双壳或中层水平中隔舱结构。双壳油船在货油舱的底部和两侧设置了连续的双层壳体，不仅可以承载压载水，还能在搁浅、碰撞等事故中有效防止或减少油污染的发生。此外，2003年修订的《防止船舶污染国际公约》(The International Convention for the Prevention of Pollution from Ships)中规定了单壳油船达到限定时间后必须被淘汰。如载重2万吨及以上、运载原油、燃料油、重质柴油或润滑油的油船，以及载重3万吨及以上、运载其他油品的油船中，一些油船因不符合保护性隔离压载舱的要求，已于2005年被强制报废。
20世纪90年代初，双壳油轮正式进入市场，成为现代油轮设计的主流选择。1992年，丹麦的造船厂建造了世界上第一艘双壳超级油轮“ELEO MAERSK”号(见图7)。该船载重量30万吨，船长343.7米，型宽56.4米，吃水21.5米。双壳设计在船体货舱外部增加了一层额外的保护层，有效降低了漏油事故发生的风险，提高了长距离海运的安全性。
图7 “ELEO MAERSK”号油轮在鹿特丹卸货/ShipSpotting网站
经历了上述发展与优化，现代油船通常具有以下特点：
- 油船通常是单层甲板、双层底、双层舷侧、艉机型船舶。
- 油船的货舱是由多道纵向、横向油密的舱壁分隔而成，各油舱由铺在舱底的输油管连起来。油船的纵向舱壁不仅可以减少自由液面对稳性的影响，而且可以缓冲风浪天气由于船舶摇摆引起油液对舱壁的冲击力。也有船舱内设置制荡舱壁，可起到减少自由液面和货油对舱壁冲击的作用。
- 油船货舱舱口盖是油密的，其舱口的形状为椭圆形或圆形，舱口盖上设有测量孔和观察孔。每个油舱内设有固定的钢制扶梯，并在扶梯上设有休息平台。
- 油船因抗沉性能好，所以其干舷可以比一般干货船小。为了在大风浪天气中方便船员在甲板上行走，有些船在上层建筑之间设置具有一定高度且坚固的步桥，船上各种管系布置在步桥下面。现代大型油船，由于甲板宽敞，干舷也相对较高，能经常保持甲板无海水，可以不设步桥。
- 油船上设有复杂的管路及其设备系统。主要包括货油装卸系统、油船清舱系统、货油加热系统、油舱通气系统、油气驱除系统、洗舱系统、甲板洒水系统等。