寧波港集裝箱碼頭橋吊避讓的相關(guān)研究(上)

文/ 寧波引航站 楊東曉 宣曉東

1 前言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和一體化趨勢(shì)的加劇，世界海運(yùn)業(yè)，尤其是集裝箱運(yùn)輸業(yè)在最近的十來(lái)年里得到了空前的發(fā)展。港口的規(guī)模和接卸能力不斷擴(kuò)大，運(yùn)營(yíng)效率不斷提高。而集裝箱船舶的大型化正是各船公司降低營(yíng)運(yùn)成本,增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段。就寧波港而言，引領(lǐng)的大型集裝箱船在所引集裝箱船中的比重逐年增加，已達(dá)到了70%左右。

顯然，集裝箱船舶的大型化以及船型的特殊性，大大增加了船舶靠泊的難度和風(fēng)險(xiǎn)。目前超大型集裝箱船滿載吃水超過(guò)15米，載重超過(guò)15萬(wàn)噸，船側(cè)受風(fēng)面積可達(dá)一萬(wàn)平方米以上。雖然大型集裝箱船的主機(jī)馬力可達(dá)10萬(wàn)匹，但船舶的慣性也大大增加，受到風(fēng)、流等外力作用時(shí)，其影響更是呈幾何級(jí)數(shù)遞增。

為了增加裝卸效率，提高碼頭競(jìng)爭(zhēng)力，目前新建集裝箱碼頭通常是一個(gè)泊位配4臺(tái)橋吊，橋吊配置密度較高。在實(shí)際操作中，為了提高碼頭利用率，使船舶靠泊后盡早開始裝卸作業(yè)，或是不影響相鄰泊位的裝卸作業(yè)，多臺(tái)橋吊集中在一個(gè)泊位上等待大型集裝箱船靠泊的情況非常普遍。由于橋吊外側(cè)距船舷的距離僅有4～6米，如果一個(gè)泊位并排放置的橋吊過(guò)多，或是放置的位置不正確，那么靠泊船舶的船頭稍有伸入，便會(huì)與橋吊發(fā)生觸碰。

事實(shí)上，近年來(lái)各個(gè)港口大型集裝箱船舶觸碰橋吊的事故確是屢有發(fā)生，造成的損失也相當(dāng)大，港口生產(chǎn)安全面臨巨大的壓力。經(jīng)過(guò)深入調(diào)查，綜合眾多案例，可以看出該類事故的成因復(fù)雜、涉及面廣，各個(gè)港口案例的特點(diǎn)雖不盡相同，但也有其共性。其中，橋吊放置不科學(xué)則是最直接最關(guān)鍵的原因。本文希望通過(guò)對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行深入、系統(tǒng)的研究，找出相關(guān)規(guī)律，提出橋吊安全放置的原則和相應(yīng)的安全措施，為引航員、船長(zhǎng)等操船人員和碼頭管理者提供參考意見，確保大型集裝箱船舶的靠離泊安全。

2 相關(guān)定義和研究范圍、方法

2.1 大型集裝箱船舶的定義

從集裝箱船舶觸碰橋吊的的實(shí)際案例來(lái)看，事故和險(xiǎn)情主要發(fā)生在船長(zhǎng)200米以上的集裝箱船上，故本文將200米以上的集裝箱船定義為“大型集裝箱船舶”。

2.2 研究范圍

寧波港集裝箱碼頭眾多，自然條件復(fù)雜、多變，來(lái)港集裝箱船舶的船型豐富、齊全、數(shù)量多，具有一定的代表性，因此本文將寧波港作為研究區(qū)域。

另外，由于集裝箱船舶的靠泊風(fēng)險(xiǎn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于離泊風(fēng)險(xiǎn)，故本文將研究重點(diǎn)放在大型集裝箱船舶的安全靠泊上。

2.3 研究方法

通過(guò)調(diào)查法、觀測(cè)法等方法收集大量大型集裝箱船舶、各集裝箱碼頭及設(shè)施的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)大型集裝箱船舶與碼頭、橋吊的靜態(tài)空間關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)合引航實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行定量和定性的分析，找出相應(yīng)的規(guī)律，最終提出防止大型集裝箱船舶觸碰橋吊的相關(guān)觀點(diǎn)和安全措施。

3 大型集裝箱船舶的船型特點(diǎn)和危險(xiǎn)觸碰區(qū)

由于裝載和快速營(yíng)運(yùn)的需要，大型集裝箱船舶船體型線設(shè)計(jì)有其顯著的特點(diǎn)，全船細(xì)長(zhǎng)，艏艉尖瘦、底部削進(jìn)，平行中體極短，有的甚至無(wú)平行中體。具體有如下一些特點(diǎn)：

（1）船型狹長(zhǎng)，方型系數(shù)小，長(zhǎng)寬比（L/B）一般在7-8左右。

（2）船首、船尾部分船體的垂向弧線變化劇烈，呈現(xiàn)“V”型，主甲板寬，往下異常削進(jìn)。

（3）船體縱向平行水線長(zhǎng)度短。以船長(zhǎng)397米的“愛(ài)瑪·馬士基”為例，該船在空載狀態(tài)下平行水線長(zhǎng)度不足80米，真正能靠在碼頭上的部分不到船長(zhǎng)的五分之一 (見圖1) 。

（4）船體干舷高，主甲板高度普遍大于9米，遠(yuǎn)高過(guò)相應(yīng)的碼頭水平面。

圖1 “愛(ài)瑪·馬士基”系泊碼頭狀態(tài)

以上船型特點(diǎn)使得大型集裝箱船在靠泊時(shí)與碼頭不能有較大的角度，否則船身、特別是船頭主甲板以上船體部分極易伸入碼頭前沿內(nèi)，觸碰橋吊等碼頭設(shè)施。從已有案例來(lái)看，大型集裝箱船的船首肩部（shoulder）和船尾是船體的危險(xiǎn)觸碰區(qū)，這是大型集裝箱船舶的船型所決定的。

如圖2所示：船體B點(diǎn)處雖然已與碼頭碰墊接觸，但船首肩部主甲板以下部位A點(diǎn)處由于船體削進(jìn)，船體距離碰墊尚有一段距離，當(dāng)船舶與碼頭有一定的角度，或是船體有一定往里的轉(zhuǎn)頭角速度時(shí)，船首肩部便會(huì)深入碼頭垂直面，與碼頭上的橋吊發(fā)生擦碰。

圖2 大型集裝箱船舶的危險(xiǎn)觸碰區(qū)

由上可見，在靜態(tài)條件下，大型集裝箱船舶觸碰橋吊等碼頭設(shè)施與以下三個(gè)因素有關(guān)：

（1）船舶靠泊角度

（2）船型

（3）碼頭橋吊的位置

以上三個(gè)因素之間是互相影響，互相制約的。

從理論上來(lái)講，只要每次都做到平行靠泊，大型集裝箱船舶觸碰橋吊的事故就不會(huì)發(fā)生。但是船舶操縱會(huì)受到風(fēng)、流、拖輪配合等各種內(nèi)外因素的影響和制約，存在著種種困難，因此在貼攏碼頭的瞬間通常很難完全平行，往往存在著一個(gè)靠泊角度。在有效靠泊長(zhǎng)度很短的情況下，由于存在靠泊角度，因此船頭（或船尾）部分的船體也必往碼頭方向探進(jìn)一定的幅度，存在碰撞橋吊的危險(xiǎn)。因此，這種靠泊角度應(yīng)該控制在一定的安全范圍內(nèi)。據(jù)相關(guān)資料顯示，在各個(gè)碼頭的設(shè)計(jì)規(guī)范中允許靠泊角度小于5度。我們?cè)谝蟛俅咛岣卟倏v技術(shù)盡可能平行靠泊的同時(shí)，更是要根據(jù)不同船型在靠泊前合理放置集裝箱橋吊，為安全靠泊創(chuàng)造良好條件。

4 大型集裝箱船舶的平行水線和靠泊平行線

平行水線較短是大型集裝箱船舶與礦船、油輪等船舶在船型上最大的區(qū)別。從船舶靠泊操縱的要求出發(fā)，船舶的平行水線越長(zhǎng)越好。因?yàn)槠叫兴€越長(zhǎng)，船體同時(shí)靠上的碰墊就多，吸收的船體動(dòng)能就更均勻，減少船體對(duì)碼頭的沖擊力，也更有利于穩(wěn)泊。

另外一個(gè)更重要的原因是：船舶平行水線越長(zhǎng)，船舶兩端舷側(cè)船殼貼靠碼頭碰墊的概率也就越高，受碰墊保護(hù)，防止觸碰事故的發(fā)生。如圖2，如果該船A點(diǎn)處船體是處于平行水線內(nèi)，則船體就會(huì)先接觸到碰墊，從而避免觸碰碼頭和橋吊。

在船舶資料里一般可以查到或測(cè)量出各種吃水情況下對(duì)應(yīng)的平行水線長(zhǎng)度，吃水越大，平行水線也就越長(zhǎng)。該“平行水線”往往位于碰墊以下，在大潮汛高潮時(shí)會(huì)接近或略微高于碰墊中心。對(duì)靠泊安全起重要作用的是“靠泊平行線”。“靠泊平行線”是在碰墊中心位置船體平行靠上碰墊的最大可能長(zhǎng)度，相當(dāng)于增大了相應(yīng)吃水的平行水線（當(dāng)碰墊中心在水線以下則相反）。低潮時(shí)的靠泊平行線要明顯長(zhǎng)于高潮時(shí)的靠泊平行線。而對(duì)靠泊真正有效的則是船舶實(shí)際靠上的碰墊間的最大距離，我們稱為“碰墊間有效靠泊長(zhǎng)度”。顯然，由于碰墊間距的存在使得“碰墊間有效靠泊長(zhǎng)度”要小于靠泊平行線的長(zhǎng)度。見圖3所示。

圖3 大型集裝箱船舶的平行水線和危險(xiǎn)觸碰區(qū)

4.1 滿載和壓載時(shí)的平行水線

以下是根據(jù)船方提供的相關(guān)圖紙和數(shù)據(jù)，通過(guò)相應(yīng)測(cè)量和計(jì)算收集的滿載和壓載時(shí)的平行水線資料：

表1 各種船型的滿載和壓載時(shí)平行水線資料

根據(jù)以上收集的船舶資料，通過(guò)分析，可見平行水線部分占船長(zhǎng)的比例甚小，并且船舶壓載時(shí)與滿載時(shí)的差異非常大，壓載時(shí)大型集裝箱船舶的平行水線長(zhǎng)度不到船長(zhǎng)的1/4，而滿載時(shí)可以接近船長(zhǎng)的1/2，兩者取平均值，即：(46.77%+21.30%)/2=34.03%，約等于船長(zhǎng)的1/3。根據(jù)研究對(duì)象船長(zhǎng)分布，我們大致可以認(rèn)為大型集裝箱船舶的平行水線長(zhǎng)度其模糊平均值約等于船長(zhǎng)的1/3。同時(shí)，就上表中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)我們也可以看出很多集裝箱船在壓載時(shí)平行水線長(zhǎng)度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)要小于滿載時(shí)的平行水線長(zhǎng)度，兩者比例最小的連1/4都不到，通過(guò)計(jì)算平均為46.09%，不到1/2。

4.2 實(shí)測(cè)時(shí)平行水線長(zhǎng)度與碰墊間有效靠泊長(zhǎng)度

由于集裝箱碼頭的碰墊距離水線往往有一定的高度，因此，船舶的靠泊平行線要高于并長(zhǎng)于平行水線，但碰墊間有效靠泊長(zhǎng)度通常要比平行水線小。

以下是通過(guò)實(shí)船靠泊時(shí)收集的平行水線和測(cè)量的碰墊間有效靠泊長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，如表2所示：

表2 實(shí)測(cè)時(shí)碰墊間有效靠泊長(zhǎng)度表

上表中大部分?jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)實(shí)際觀測(cè)得到，觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)在碰墊上邊緣，而碰墊上邊緣到碰墊中心以及碰墊中心到水線都存在著一定的距離，另外當(dāng)碰墊跟船體實(shí)際尚未靠上，但間距已很小時(shí)，我們就當(dāng)已靠上碰墊來(lái)進(jìn)行處理，因此部分通過(guò)目測(cè)得到的平行水線和碰墊間有效靠泊長(zhǎng)度會(huì)大于實(shí)際值。因此，同樣的船舶同樣的裝載若在大潮汛高潮時(shí)靠泊，有效靠泊長(zhǎng)度將明顯小于上表的統(tǒng)計(jì)值。所以，該表中大型集裝箱船舶的平均平行水線長(zhǎng)度占船長(zhǎng)的百分比（43.52%），雖然要大于平均碰墊間有效靠泊長(zhǎng)度占船長(zhǎng)的百分比（41.19%），但二者均要大于之前得到的平行水線長(zhǎng)度占船長(zhǎng)百分比的模糊平均值34.03%。

5 有效靠泊橫距

船舶與碼頭集裝箱橋吊之間的橫距是大型集裝箱船舶安全靠泊的重要的靜態(tài)空間關(guān)系之一。從船舶操縱的角度出發(fā)，橫距越大，船舶觸碰橋吊的幾率就越小，船舶和橋吊就越安全。靠泊橫距與碼頭結(jié)構(gòu)、橋吊部件和碰墊相關(guān)。如圖4所示：

圖4 碼頭及橋吊側(cè)面示意圖

圖中的字母分別表示以下意義：

A: 橋吊舷側(cè)垂直部分高度

B: 內(nèi)傾角

C: 橋吊軌道中心至碼頭前沿距離

D: 碰墊中心至碼頭平臺(tái)頂面距離

E: 碰墊厚度

F: 電纜及其支架外側(cè)至橋吊軌道中心距離

G: 碼頭標(biāo)高(吳淞高程)

寧波港各集裝箱公司碼頭的相關(guān)數(shù)據(jù)如下表3：

表3 寧波港各集裝箱公司碼頭、橋吊、碰墊數(shù)據(jù) 單位：米

碰墊間隔13 16 20 20 18碰墊受力變形參數(shù)吸能764KN. m 52.5%變形反力1392Kn吸能1192KN. m 52.5%變形反力1872Kn吸能1250KN. m 52.5%變形反力1675Kn吸能1250KN. m 52.5%變形反力1675Kn吸能1552KN. m 52.5%變形反力2430Kn

大型集裝箱船舶靠攏碼頭后，船體靠碼頭一側(cè)距集裝箱橋吊的距離，也就是靜態(tài)的靠泊橫距，設(shè)為W0，則W0=C+E-F。由于風(fēng)流的存在和大風(fēng)浪惡劣天氣作業(yè)的困難以及拖輪配合不到位等等危險(xiǎn)因素的存在，使得集裝箱船舶在貼攏碼頭的時(shí)候速度可能較快，這時(shí)在碰墊的阻擋作用以及船體運(yùn)動(dòng)的慣性和吹攏風(fēng)的共同作用下產(chǎn)生一個(gè)船體內(nèi)傾的力矩，使得碰墊以上船體橫傾壓向碼頭吊機(jī)方向，在一定高度上可以達(dá)到較大的幅度。同時(shí)，由于碰墊是有彈性的，故在大船有一定速度貼靠時(shí)碰墊還存在一定的壓縮進(jìn)位。因此要研究大型集裝箱船觸碰橋吊問(wèn)題還應(yīng)考慮到以下兩個(gè)因素：

（1）船舶貼攏碼頭時(shí)對(duì)碰墊的作用力，使碰墊出現(xiàn)一定的壓縮進(jìn)位。

由于考慮存在靠泊角度而碰墊間又存在一定間距，則極可能是某一個(gè)碰墊先受力并受力達(dá)到最大，因此碰墊的壓縮進(jìn)位可能會(huì)接近極值。表3中有碰墊受力變形參數(shù)，是以變形52.5%為參考點(diǎn)。我們不妨取50%和40%作為壓縮的幅度。這樣，各個(gè)碼頭碰墊壓縮進(jìn)位分別為：

表4 各碼頭碰墊壓縮進(jìn)位 單位：米

若以靠泊角為3度和5度進(jìn)行簡(jiǎn)單估算，假設(shè)在第一個(gè)碰墊受到壓縮后船體基本保持該角度并能碰到第二個(gè)碰墊時(shí)，需壓縮進(jìn)位K（θ）米，則：

表5 K（θ）表 單位：米

可見各個(gè)K(5)值均遠(yuǎn)大于對(duì)應(yīng)的50%和40%的壓縮進(jìn)位；而K(3)值基本接近對(duì)應(yīng)的50%的壓縮進(jìn)位（除招商明顯偏低些），但K(3)值均已大于40%的壓縮進(jìn)位，所以我們?cè)仍O(shè)定“這第一個(gè)碰墊先受力并受力達(dá)到最大，而碰墊的壓縮進(jìn)位可能會(huì)接近極值”完全是成立的。

考慮到實(shí)際靠泊時(shí)船體在碰墊壓縮進(jìn)位的瞬時(shí)一方面存在碰墊的反彈力矩但另一方面可能還存在著流等外力造成的較強(qiáng)轉(zhuǎn)船力矩，并且兩個(gè)力矩方向完全可能相反（如頂風(fēng)順流靠泊），也可能船體本身還存在著偏轉(zhuǎn)的慣性，所以在碰墊壓縮的瞬間船體如何偏轉(zhuǎn)很難確定；若角度較小，則第二個(gè)碰墊也將發(fā)揮一定的作用，所以在這里我們綜合考慮，取方便并有利于問(wèn)題研究的合適值，即40%的壓縮進(jìn)位。

（2）由于存在慣性，加之大型集裝箱船舶的干舷較高，船體貼攏碰墊時(shí)往往會(huì)存在一個(gè)向里的內(nèi)傾角。當(dāng)空船和裝箱重心較高時(shí)，這種現(xiàn)象尤為明顯。

由表3可知各個(gè)碼頭碰墊中心高程（G－D）分別為：

表6 各碼頭碰墊中心高程 單位：米

按照寧波港各碼頭大潮汛高潮時(shí)潮高基本4米左右來(lái)看，碰墊中心平時(shí)基本都應(yīng)該在水線之上，但最高水位基本接近或略微高于碰墊中心。由于大型集裝箱船舶壓載時(shí)干舷較高，而裝箱時(shí)箱位很高。圖4中A>15m，D值范圍為（2.3～3.2）米，則（A+D）>(17.3～18.2)米。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，大型集裝箱船干舷大多低于此值，350米長(zhǎng)度以上船型在壓載時(shí)會(huì)超過(guò)但也接近于此值。詳細(xì)分析如下，

表7 型深表 單位：米

根據(jù)上表7對(duì)若干船型的型深統(tǒng)計(jì)：考慮到不同船型在壓載時(shí)吃水也各不相同，但總體隨船型的增大而增大，若憑經(jīng)驗(yàn)取一均值7米計(jì)，則平均干舷高度大約為24.25－7=17.25（米）。

若干舷低于此位置，由于往往上部有裝箱則高度也超過(guò)此位置。若干舷高于此位置，則由于內(nèi)傾的存在而位置越高壓進(jìn)幅度越大，但相應(yīng)由于吊機(jī)腳架在這個(gè)位置以上的內(nèi)傾角B≥ 5°，也基本可以抵消船體可能內(nèi)傾的角度。所以，綜合大型集裝箱船舶的型深數(shù)據(jù)和吃水情況，我們?yōu)榉奖阊芯坑?jì)算，可以統(tǒng)一選取A+D這個(gè)高度并取值18米作為一個(gè)危險(xiǎn)碰撞點(diǎn)進(jìn)行研究。

大型集裝箱船舶在貼攏碰墊時(shí)由于慣性和不平衡力矩的存在而造成的內(nèi)傾幅度有大有小，以輕載和裝箱重心較高時(shí)為大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，我們不妨取一個(gè)適中值1.5度進(jìn)行研究，設(shè)在橋吊A+D為18米這個(gè)危險(xiǎn)位置船體內(nèi)傾幅度為N，則：

大型集裝箱船舶發(fā)生觸碰橋吊事故時(shí)往往有著較大的靠泊角度和橫移速度，上述這些因素對(duì)安全橫距所造成的影響是完全有可能的。從安全、保險(xiǎn)的角度出發(fā)，在研究時(shí)應(yīng)該把上述影響考慮在內(nèi)，即在靜態(tài)的橫距數(shù)據(jù)中將相關(guān)的損失減去，得到各碼頭最終的有效靠泊橫距W=C+60%E－F－N，具體如下表8：

表8 寧波港各集裝箱碼頭的有效靠泊橫距 單位：米

6 橋吊距船首、船尾的安全距離

從各大集裝箱港口的經(jīng)驗(yàn)和普遍做法來(lái)看，大型集裝箱靠泊碼頭時(shí)，將橋吊從擬靠泊位的船首、船尾處移至船舶中部已成為避免船舶觸碰橋吊的有效方法。但橋吊距船首、船尾多少米才是安全距離，尚未有統(tǒng)一的定論。

6.1 橋吊距船首、船尾安全距離的考慮因素

確定橋吊距船首、船尾安全距離應(yīng)綜合考慮以下因素：

（1）大型集裝箱船舶的靠泊角度θ

從大型船舶靠泊的普遍安全規(guī)范來(lái)看，船舶靠攏角度 5°被認(rèn)為是可以接受的極限角度。如果靠泊角度大于5°且有一定的橫移速度，那么碰撞被認(rèn)為幾乎是不可避免的，在這種情況下，船舶不是碰橋吊，就是碰碼頭。因此，本研究以5°為限，將5°以內(nèi)的角度作為正?？坎唇嵌?，并分別取值3°、4°、5°展開研究。

（2）船首、船尾距有效碰墊的距離P

由于寧波港各集裝箱碼頭的碰墊之間有13～20米不等的間隔，因此船舶實(shí)際平行水線的端點(diǎn)很可能不是正好在碰墊上，而是位于兩個(gè)碰墊之間。為了方便研究，取平均值8米作為可能損失的實(shí)際靠泊平行線長(zhǎng)度。因此，船首、船尾離有效碰墊可能距離：

P=船首（尾）離平行水線距離+8（米）。

（3）有效靠泊橫距W

寧波港各集裝箱碼頭的有效靠泊橫距如表8所示。