冰期船舶擠冰和扇冰操縱

楊炳棟（黃驊港引航站 河北滄州 061113）

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冰期船舶擠冰和扇冰操縱

楊炳棟
（黃驊港引航站 河北滄州 061113）

摘要：擠冰和扇冰是冰期船舶靠泊中較為常用的兩種操縱方式，由于不同階段冰體會呈現(xiàn)出不同的破碎模式和效果，且船舶靠攏速度過快易導(dǎo)致碼頭和船體受損，因此這兩種方式存在著一定的操縱難度。文中采用經(jīng)驗公式就靠岸法向速度對碼頭的影響進行了深入分析，并針對不同階段冰體的破碎模式、效果、分散情況及船舶排出流對冰體的作用，詳細介紹了船舶擠冰、扇冰的操縱方法，提出了相應(yīng)的注意事項。實踐證明這兩種操縱方式是安全、有效、可行的，操縱的注意事項也可為解決實際情況中出現(xiàn)的問題提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：船舶 操縱 擠冰 扇冰 破碎 能量

0　引言

我國渤海和黃海北部是季節(jié)性結(jié)冰海域，同時也是全球緯度最低的結(jié)冰海域之一，每年冰情差別較大。冬季受寒潮侵襲時，許多港口會出現(xiàn)海冰在碼頭附近大量聚集的現(xiàn)象，常規(guī)的船舶操縱將無法完成靠泊，要達到靠泊要求可能需要采取一系列特殊的冰期靠泊操縱方式，擠冰、扇冰就是其中較為常用的兩種操縱方式。

1　擠冰操縱

冰期靠泊中船舶首尾都無法靠攏時，可以將船舶平行拖出，然后首尾拖輪快速頂推，使船舶獲得較快的攏速，利用船體的動能給靠泊舷一側(cè)冰體一個較大的撞擊力，這個操縱過程習(xí)慣上稱為擠冰或者撞冰。擠冰過程操縱時間短，擠冰效果明顯，但擠冰時，船體受損風(fēng)險較大，擠冰過度還會造成碼頭的損傷。

破冰是船舶進行擠冰操縱的首要條件，船舶靠泊前要派拖輪在所靠泊位進行破冰。大塊冰體被破碎成小塊冰體，可為擠冰操縱創(chuàng)造有利條件，可減小碼頭、船體受損的風(fēng)險。大塊冰體在破碎之前的瞬間可以認為是剛體，當(dāng)內(nèi)部應(yīng)力達到破斷壓力時則立刻失效，引起碰撞力的突然卸載。［1］所以，如果靠泊舷一側(cè)存在大塊冰體，不利于控制船舶平行擠冰，增加碼頭受損的風(fēng)險。另外，如果冰體的尺寸較大，被推到碼頭外沿的大塊冰體或者原來就貼靠在碼頭外沿的大塊冰體處于約束狀態(tài)，船-冰碰撞時，沒有緩沖，冰體夾在船體與碼頭之間，碰撞作用力大，船體局部受力大，使船體受損的風(fēng)險增加。

船舶擠冰操縱時，以平行拖開1/3-2/3倍船寬的橫距為宜，過寬的橫距會讓首尾之外的冰體擁進靠泊舷一側(cè)，增加冰量；過窄的橫距不利于調(diào)節(jié)首尾攏速使船舶保持與碼頭平行擠冰。擠冰操縱，冰體隨著船舶的橫移發(fā)生疊加、破碎、壓縮、分散，其過程可分為四個階段。

第一階段，疊冰散落階段。船舶被平行拖出，在重力勢能、浮力勢能、彈性勢能和水流的共同作用下，疊加壓縮的冰體散落，會產(chǎn)生彎曲、拉伸等破碎模式，但冰體破碎程度不大。

第二階段，船位調(diào)整階段。船舶被拖出預(yù)期的橫距后，拖輪由拖曳轉(zhuǎn)換為準備頂推，調(diào)整船舶的姿態(tài)使船舶平行于碼頭。此時多數(shù)冰體處于沒有疊加的散落漂浮分布狀態(tài)。

第三階段，冰體疊加階段。船舶在拖輪頂推力的作用下，快速橫移靠攏，冰體逐漸疊加，處于自由狀態(tài)的冰體開始爬升和下潛，冰體間產(chǎn)生不規(guī)則的擠壓破壞、屈曲破壞、剪切破壞、彎曲破壞和沖擊破壞等［2］，冰體破碎程度大。隨著冰體疊加厚度的增加，船舶受到的阻力也不斷增加，橫移速度減慢。

第四階段，冰體擠壓分散階段。受到碼頭邊界束縛的冰體隨著船體的擠壓逐漸壓縮，船舶橫移停止時壓縮達到最大，壓縮過程中冰體內(nèi)部的壓力出現(xiàn)峰值。冰體在極高壓力作用下破碎的同時，產(chǎn)生向上、向下、向船首、向船尾、向碼頭下面的空隙（高樁式碼頭）和船底分散，見圖1-1。

圖1-1　擠冰操縱冰體分散示意圖（高樁式碼頭）

冰體擠壓分散階段，船體與冰體之間壓力巨大。在船體與冰體接觸的高壓區(qū)域中有剪切發(fā)生，從而導(dǎo)致冰內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。［3］這種改變微觀結(jié)構(gòu)的材料與未經(jīng)破壞的完整冰相比，在順應(yīng)性方面有明顯的提高。當(dāng)載荷達到某一水平時，整個碎冰層變得非常松軟，而碎冰也被頻繁地擠出［4］。重復(fù)擠冰過程，會發(fā)現(xiàn)船舶拖開時，船體與冰體接觸的高壓區(qū)域冰體會變成對靠泊沒有影響的松軟碎末。

2　擠冰操縱對碼頭的影響

船舶擠冰操縱中，船舶的動能會轉(zhuǎn)變?yōu)楸w的重力勢能、浮力勢能、彈性勢能、冰體破損變形吸收的能量、碼頭吸收的能量、船體吸收的能量等。《港口工程荷載規(guī)范》（JTS 114-1-2010）中指出無冰情況下，碼頭有效撞擊能量計算公式為：

式（1）中E0 為船舶的有效撞擊能量（kJ）；

ρ 為有效動能系數(shù)，取0．7～0．8；

m為船舶質(zhì)量（t），按排水量計算；

Vn 為船舶靠岸法向速度（m/s）。

操縱船舶快速靠攏時，對于碼頭結(jié)構(gòu)而言，冰體相當(dāng)于延長了護舷和碰墊的作用距離，使船舶動能緩慢釋放。如果動能過大，船體擠走冰體直接碰到碼頭或者冰體被壓縮到極限，剩余的動能就會被碼頭吸收，超過碼頭的承受能力時，會造成碼頭結(jié)構(gòu)的損傷。由公式可以看出，E0與Vn成平方關(guān)系，所以船舶擠冰操縱中，應(yīng)先使用較小Vn試探性擠冰，再根據(jù)冰力反饋情況，逐漸增加Vn，操縱中需要重復(fù)多次擠冰，不可追求一次完成。另外，E0還與m有關(guān)，滿載船舶因為m值較大，所以控制Vn要比空船小。

對于高樁式碼頭，《港口工程荷載規(guī)范》（JTS 114—1—2010）中指出，自由冰體在直立樁前擠碎時，產(chǎn)生的極限破碎擠壓冰力計算公式為：

式（2）中Fi—極限擠壓冰力標(biāo)準值（kN）；

I—冰的局部擠壓系數(shù)；

m—樁迎冰面形狀系數(shù)；

k—冰和樁之間的接觸條件系數(shù)；

B—樁迎冰面投影寬度（m）；

H—單層平整冰計算冰厚（m）；

σc—冰的單軸抗壓強度標(biāo)準值（kPa）。

該公式計算的冰力是單層冰體在水流和風(fēng)驅(qū)動下對直立樁的極限破碎擠壓冰力，在船舶擠冰操縱中，作用在前沿直立樁上的冰體是疊加多層的，且冰速較快，所以直立樁所受到的冰壓力要更大，但碎冰在群樁間堵塞使群樁變成實體可以同時抵抗冰力，對前沿直立樁起到了保護作用。盛冰初期，碼頭下沒有碎冰堵塞時，要注意擠冰給前沿直立樁帶來的極限擠壓冰力。泊位設(shè)計時，考慮冰期船舶操縱的需要，前沿直立樁迎冰面宜做成圓弧形、多邊形或棱角形，降低m系數(shù)值從而減小直立樁所受的冰力。

3　擠冰操縱對船體的影響

《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》（2015）中指出中國北方冬季沿海航行的船舶要有B級冰級加強。B1*、B1、B2、B3級加強的船體冰帶是由首部區(qū)、中部區(qū)、尾部區(qū)組成，形成前后貫通的加強冰帶區(qū)，而B級加強的冰帶只有首部區(qū)。B級冰帶外板加強，其縱向范圍，從首柱向后至滿載水線最大寬度處，但不超過0．2L；其垂直范圍，夏季淡水載重線吃水以上0．5m至船首最小吃水以下0．5m，冰帶外板厚度逐漸過渡。B級冰帶肋骨與縱骨加強，在從首尖艙或首柱向后至滿載水線最大寬度處，但不超過0．2L的范圍，見圖3-1。擠冰過程，靠泊舷船體會受到較大的壓力，壓力集中在船體平直的舷側(cè)中部區(qū)，對于B級冰級的船舶該部位沒有加強，在船舶擠冰操縱中要引起充分的注意。

圖3-1　B級冰級加強的船體冰帶示意圖

船舶橫移速度決定了擠冰的效果，橫移速度增加，船體對冰體的破壞力增大，會提高將冰體破碎的效果，同時引起船體與冰體接觸區(qū)應(yīng)力也迅速增大，船體受損的風(fēng)險增加；如果橫移速度減慢，則又降低了擠冰的效果。因此，在選擇橫移速度時，需要綜合考慮擠冰的效果與船體承受能力兩個方面，在不同的情況下合理地選擇速度是船舶擠冰操縱的關(guān)鍵。

溫度在-24℃以上時，海冰斷裂韌度與冰溫有密切關(guān)系，海冰溫度愈低，海冰的韌度愈大。［5］溫度較低時，船舶擠冰操縱宜輕，特殊情況下，靠泊應(yīng)該安排在氣溫較高的白天進行。對于一些船體強度特別差的老舊船舶、沙灘船和船體有過損傷的船舶，不適于使用擠冰操縱的方式靠泊。

4　扇冰操縱

冰期靠泊中如果船首靠攏，船尾無法靠攏，可以將首纜、首倒纜帶好，適當(dāng)收緊，船首拖輪適當(dāng)頂推，船尾拖輪頂拖與車舵配合，讓船尾一張一合擠冰，同時進車排冰，這個操縱的過程習(xí)慣上稱為扇冰。扇冰與擠冰類似，都有利用船體動能將冰體破碎的過程，不同的是船舶扇冰操縱能夠?qū)⒋蟛糠制扑楸w排出靠泊舷一側(cè)之外?？坎辞暗钠票?，也是船舶扇冰操縱的首要條件，大塊冰體破碎成小塊冰體，可以減小碼頭和靠泊舷中后部船體受損的風(fēng)險，并有利于排冰。

船舶扇冰操縱時，選擇船尾張開幅度的大小，考慮的因素有船首線型、碰墊大小、靠泊舷船首冰體的壓力、碼頭設(shè)施（如裝卸設(shè)備）等。如果碼頭用鼓式碰墊，可以調(diào)整船位，使船首在一個比較有利的位置，這個位置是當(dāng)船尾張開到預(yù)期最大幅度時，船首線型的突出部位恰好能頂在一個鼓式碰墊上，這個突出部位一般在首部線型初始稍向前的位置。

控制船尾張開幅度時，可以通過船尾拖輪和船舶的車舵進行控制。拖輪的力量較大，效果明顯，使船尾的運動狀態(tài)變化較快，頂拖轉(zhuǎn)換需要的時間也較長，容易造成船尾張開幅度過大而使船首發(fā)生危險。車舵的使用更加靈活，并且相對較為精確，用內(nèi)外舷舵調(diào)整，即可以控制本船的張開幅度，又有利于排出船尾的碎冰。進車時，如果船舶有向前運動的趨勢，應(yīng)該立即減車或者停車。

使船尾向碼頭靠攏時，拖輪頂推、進車施外舷舵，都可以產(chǎn)生船尾向岸的靠攏力，如不能準確判定船尾冰體堆積的厚度和所能承受的壓力，可以先施以較小的靠攏力進行試探。船尾靠攏時，可以將靠泊舷一側(cè)部分冰體擠碎，少數(shù)冰體會同船舶擠冰操縱時一樣，被擠壓分散到其他空間。操作船尾張開動作時，拖輪減車或者停車，船舶進車施內(nèi)舷舵，通過操控舵角的大小和拖輪頂推力，控制船尾張開速度和幅度。船尾張開時，受力擠壓的冰體，受到螺旋槳排出流拉伸力和其他力的共同作用，因為海冰具有SD效應(yīng)，其抗拉強度遠遠小于抗壓強度，［6］所以冰體容易被破碎成細小的冰塊，隨螺旋槳排出流，排出靠泊舷一側(cè)。船尾張開到預(yù)期最大幅度時，操縱拖輪頂推，控制船尾橫距不變，進車施內(nèi)舷滿舵繼續(xù)排冰，在船舶不會前沖的前提下，可以適當(dāng)加車，以增加船尾的排出流，加強排冰效果。

在扇冰操縱中，船尾反復(fù)的一張一合，可以將靠泊舷一側(cè)船中以后的冰體破碎排出，最終使船舶靠攏碼頭。操縱中，要控制好船首位置、張開幅度和船尾攏速，利用排出流排冰是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。扇冰操縱，動能對船體、碼頭的沖擊影響要遠遠小于船舶擠冰操縱，是一種較為安全的船舶冰期靠泊操縱方式。

5　結(jié)束語

船舶擠冰、扇冰操縱中，要根據(jù)泊位冰況和船舶的排水量、尺度、載態(tài)、操縱性能等靈活掌握擠冰、扇冰的力度。經(jīng)過一次或者多次擠冰或扇冰操縱后，船舶與碼頭的橫距如能達到裝卸貨及其他的要求時，可以不再繼續(xù)進行擠冰或者扇冰操縱，避免操縱帶來的風(fēng)險。近年來的船-冰碰撞、海冰動力學(xué)等與海冰相關(guān)的研究成果，為船舶擠冰、扇冰操縱提供了一些理論上的依據(jù)。但我國的相關(guān)研究尚處于初級階段，而且研究方向大都是造船、海上結(jié)構(gòu)物、極地航行、黃渤海航行等方面的內(nèi)容，冰期船舶靠泊中的船-冰碰撞及碼頭受力的研究還處于空白?！陡劭诠こ毯奢d規(guī)范》（JTS 114-1-2010）和《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》（2015）中也缺少船舶冰期靠泊對碼頭、船體影響方面的內(nèi)容。希望未來能有此方面的研究成果和指導(dǎo)性規(guī)定，可以為船舶冰期靠泊操縱中正確的經(jīng)驗方法提供全面的理論依據(jù)和指導(dǎo)，同時排除因不當(dāng)操作或者野蠻操作給船舶、碼頭帶來的風(fēng)險隱患。

參考文獻

［1］張健，萬正權(quán)，陳聰.船-冰碰撞載荷下球鼻艏結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)研究［J］.船舶力學(xué)，2014，18（1-2）：106-114.

［2］劉星.極地破冰船的新型破冰結(jié)構(gòu)研究［D］.江蘇：江蘇科技大學(xué)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造，2014.

［3］李紫麟. 船舶在碎冰區(qū)航行的離散元模型及冰荷載分析［D］.大連：大連理工大學(xué)固體力學(xué)，2013.

［4］黃焱.冰棱海洋平臺振動的動力模型試驗研究［D］.天津：天津大學(xué)港口、海岸及近海工程，1994.

［5］張明元，楊國金. 遼東灣北岸海冰物理力學(xué)性質(zhì)［J］.中國海上油氣（工程），1999，11（4）：13-20.

［6］翟帥帥，李輝，王川，王金峰.不同本構(gòu)模型對船冰相互作用的影響［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2014，36（6）：20-25.