公務(wù)船海上靠幫碰墊選型淺析

徐陽光 湯清之 何夏茵

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011）

引 言

隨著社會的發(fā)展，人類進入了大規(guī)模開發(fā)利用海洋的時期，海洋在國家發(fā)展格局中的作用更加重要。我國是一個海洋大國，海洋強國是全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化強國的重要組成部分。當(dāng)前我國的經(jīng)濟已發(fā)展成為依賴海洋的外向型經(jīng)濟，對海洋資源、空間的依賴程度大幅提高，如何有效地對海洋資源進行開發(fā)，保護海洋生態(tài)環(huán)境，維護國家海洋權(quán)益成為急需解決的問題。作為維護國家主權(quán)及海洋權(quán)利的重要執(zhí)法力量的海警船和負責(zé)海上巡查執(zhí)法及交通管制的海事巡邏船，對我國海洋經(jīng)濟的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。本文中所提及的公務(wù)船即為上述海警船和海事巡邏船的統(tǒng)稱。

公務(wù)船在進行海上執(zhí)法和巡邏時，經(jīng)常會出現(xiàn)執(zhí)法人員和巡查人員需要換乘至被執(zhí)法船上進行執(zhí)法，以及偶爾出現(xiàn)的在航中進行物資補給的情況，兩船靠幫碰墊的選擇對靠幫時的安全起著重要作用。

查閱相關(guān)文獻，并沒有相關(guān)公務(wù)船的海上靠幫碰墊選型的研究，僅郭志明、劉嘉貴提到在靠泊和靠幫時碰墊的使用，本文將通過總結(jié)其他船型目前關(guān)于碰墊選型的計算和研究，根據(jù)公務(wù)船靠幫的特點，給出公務(wù)船碰墊的選型計算方法。

圖1 公務(wù)船靠幫

1 船舶靠幫碰墊選型研究現(xiàn)狀

關(guān)于船舶靠幫時碰墊的選型，國內(nèi)已經(jīng)存在較多類似的研究，馬曉陽、顧祖旭、謝家文和鄔曉強均對碰墊的選型進行詳細闡述。筆者認為，碰墊的選型主要是計算兩船靠幫時的碰撞能量。有關(guān)碰撞能量的計算方法，國內(nèi)也進行了較多研究，如：蔣豐和馮奇以及紀(jì)仁超利用數(shù)學(xué)模型試驗的方法對碰撞能量進行計算；匡曉峰等提到利用物理模型試驗方法對碰撞能量進行研究。

2 公務(wù)船靠幫碰墊的選型

2.1 公務(wù)船靠幫的特點

不同于液貨船在海上船對船過駁作業(yè)有專門的OCIMF規(guī)則進行詳細指導(dǎo)，而且在船對船靠泊前，會根據(jù)靠幫作業(yè)兩船的具體參數(shù)進行計算和充分的準(zhǔn)備，公務(wù)船在海上的靠幫具有以下特點：

（1）靠幫船舶的隨機性。公務(wù)船在執(zhí)法過程中，無法對靠幫船舶進行選擇，根據(jù)任務(wù)需要，隨時都可能會靠幫到其他船舶進行執(zhí)法，在靠幫過程中，執(zhí)法人員可能完全不知靠幫船舶的參數(shù)。

（2）靠幫海況的不確定性。公務(wù)船在執(zhí)法過程中，無法對海況進行選擇，那怕是海況不利于船舶靠幫，根據(jù)任務(wù)需要，也必須進行靠幫操作。

2.2 碰墊選型的計算方法

2.2.1 概 述

船舶靠幫時碰墊如何選型，主要關(guān)鍵點是計算靠幫時兩船之間的最大碰撞能量，目前關(guān)于碰撞能量的方法主要有5種，分別為統(tǒng)計學(xué)方法、物理模型試驗方法、數(shù)學(xué)模型試驗方法，動力學(xué)方法和經(jīng)驗公式法。

此5種方法在前文碰墊選型研究現(xiàn)狀中提及的研究中均有應(yīng)用，其各自的特點如下：統(tǒng)計學(xué)方法的特點是需要對大量的實船靠幫時的碰撞能量進行統(tǒng)計，耗時較長，但是結(jié)果更加貼近真實的靠幫情況；物理模型試驗方法和數(shù)量模型試驗方法特點類似，均是通過模型試驗的方法得出碰撞能量，結(jié)果比較接近實船靠幫的實際情況，但是需要預(yù)先知道靠幫船舶的所有總體和線型參數(shù)；動力學(xué)方法是利用能量守恒定律計算公式進行數(shù)學(xué)計算，計算方法簡單且較為精確，僅需要知道靠幫船舶的總體參數(shù)，不需要知道靠幫船舶的線型；經(jīng)驗公式法的特點是更加簡單直接，僅需要知道靠幫船舶的排水量即可快速得出碰墊的選型結(jié)果。

通過上述5種方法的特點可知，統(tǒng)計學(xué)方法僅適合在特定研究時進行應(yīng)用；物理模型試驗方法和數(shù)學(xué)模型試驗方法適合特定船型碰撞能量的計算；動力學(xué)公式法和經(jīng)驗公式法適合工程實例時碰撞能量的計算。所以到目前為止，利用動力學(xué)方法和經(jīng)驗公式法進行碰撞能量的計算仍是應(yīng)用最多的計算方法。

根據(jù)公務(wù)船靠幫的特點，并結(jié)合上述對5種碰撞能量計算方法各自特點的分析，本文采用動力學(xué)方法和經(jīng)驗公式法對公務(wù)船靠幫碰墊的選型進行研究。

2.2.2 動力學(xué)方法

動力學(xué)方法，究其原理就是能量守恒定理的簡單應(yīng)用，即是通過動力學(xué)公式計算靠幫時兩船之間的最大碰撞能量，碰撞能量基本表達式

E

=

mV

/2，

m

為船舶質(zhì)量，t；

V

為碰撞時的速度，m/s。

兩船靠幫時，假定把被靠幫船舶稱之為母船，靠幫船舶稱之為子船，考慮其他因素的影響，總結(jié)目前國內(nèi)利用動力學(xué)方法計算碰撞能量的算法，主要有《船舶設(shè)計實用手冊》和《港口工程載荷規(guī)范》中提及的2種算法，具體表達式分別如下：

（1）根據(jù)《船舶設(shè)計實用手冊》，碰撞能量的計算公式為。

式中：

E

為有效碰撞能量，kJ；

V

為兩船相對靠泊速度，m/s，

V

推薦取值見表1；

K

為集中系數(shù)，通常碰撞點在

L

/4處，

K

≈0.5；

W

為船舶與船舶靠泊時的假想質(zhì)量，t，見式（2）。

表1 不同排水量船舶的靠幫速度

式中：

W

、

W

為子，母船的假想質(zhì)量，t，其中

W

=

W

+

W

及

W

=

W

+

W

；

W

、

W

是 子，母船的滿載排水量，t；

W

、

W

分別是子船和母船的附加質(zhì)量，t。附加質(zhì)量

W

的表達式為：

式中：

ρ

為海水密度，1.025 t/m；

T

為船舶吃水，m；

L

為船長，m。

（2）根據(jù)《港口工程載荷規(guī)范》，將兩船靠幫假定為船舶與碼頭之間的靠泊，則碰撞能量的計算公式可表示為：

式中：

E

為有效碰撞能量，kJ；

ρ

為有效動能系數(shù)，一般取0.7~0.8；

M

為子船的質(zhì)量，t，按滿載排水量計算；

V

為子母船靠近速度，m/s。

如果考慮靠幫時更多的影響因素，即碰撞位置、船舶周圍水體的運動和船體變形的吸能對有效碰撞能量的影響，則式（4）可演變?yōu)槭剑?）：

式中：

M

和

V

意義同式（4）。

C

為子船水動力質(zhì)量系數(shù)，常用表達式為

C

= 1 + 2

T

/

B

；其中：

B

為船舶型寬，m；

T

意義同式（1），如無可靠資料時，該系數(shù)可取1.3~1.8。

C

為偏心系數(shù)，表達式為

C

=

r

/（

r

+

l

）；其中：

l

為從碰撞點至子船重心的距離在母船縱向軸的投影長度，m；

r

為子船的縱向回轉(zhuǎn)半徑，

r

=（0.19

C

+ 0.11）

L

，式中

C

為方形系數(shù)；

L

為船長，m；

r

通常在0.2

L

~0.25

L

之間，一般取0.25

L

。船舶靠幫碰撞點示意見圖2。

圖2 船舶靠幫碰撞點示意

C

為柔性系數(shù)，意義為碰撞時因船體或碼頭變形吸收的能量，一般取0.8~1.0。

C

為泊位系數(shù)，一般取1.0。

根據(jù)上述兩種算法計算出碰撞能量，然后根據(jù)下頁表3配置合適規(guī)格和數(shù)量的碰墊。

2.2.3 經(jīng)驗公式法

經(jīng)驗公式法有多種不同的表達式，目前應(yīng)用最廣且被業(yè)內(nèi)普遍接受的碰墊選型經(jīng)驗公式為OCIMF推薦的原油船海上靠幫時確定碰墊規(guī)格和數(shù)量的方法，表達式見式（6）：

式中：

C

為當(dāng)量排水量，t；

W

為

A

船排水量，t；

W

為

B

船的排水量，t。計算出當(dāng)量排水量

C

后，參照表2便可選取所需碰墊的規(guī)格和數(shù)量。

表2 根據(jù)當(dāng)量排水量選取碰墊

2.3 碰墊的種類及特點

碰墊主要有固定式碰墊和漂浮式碰墊兩種形式。根據(jù)目前的應(yīng)用情況，船舶靠幫主要采用漂浮式碰墊，本章節(jié)主要對漂浮式碰墊的種類及特點進行分析和描述。漂浮式碰墊的種類主要有兩種：一種是充氣橡膠碰墊，另一種是實心泡沫碰墊。

（1）充氣橡膠碰墊，又稱充氣護舷，是以壓縮空氣為緩沖介質(zhì)，可以用于碼頭靠泊和海上靠幫時的安全緩沖裝置。使用時，將其安裝在碼頭與船舶或兩船之間的空隙中，用以吸收船舶與碼頭或者船舶與船舶之間碰撞產(chǎn)生的能量。

充氣橡膠碰墊按外部型式不同可以分為無護套式（見下頁圖3）和有護套式（見下頁圖4），主要區(qū)別是：有護套的充氣橡膠碰墊在碰墊主體外部設(shè)有一層輪胎繩網(wǎng)或輪胎鏈條保護套，該層護套可以減少碰墊主體磨損，延長碰墊的使用壽命。

圖3 無護套充氣橡膠碰墊

圖4 有護套充氣橡膠碰墊

充氣式橡膠碰墊的特點：

● 優(yōu)點

質(zhì)量輕、彈性好，不會在壓縮的作用下產(chǎn)生永久變形；相較于普通的碼頭護舷，充氣式橡膠碰墊吸收沖擊能量大，對船舶反作用力??；可根據(jù)使用需求選擇有護套式以增加碰墊的使用壽命。

● 缺點

需遠離熱源，不能與油脂、酸、堿和有機溶劑接觸；需定期檢查碰墊有無老化、損傷，并需經(jīng)常進行維護保養(yǎng)，以延長其使用壽命；使用時會因過度擠壓爆裂而發(fā)生危險事故。

充氣橡膠碰墊的性能可以參見國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 21482-2008船舶與海上技術(shù)充氣橡膠靠球》，該標(biāo)準(zhǔn)中充氣橡膠碰墊的規(guī)格和性能見表3。

表3 充氣橡膠護舷規(guī)格和性能對照表

續(xù)表3

（2）實心泡沫碰墊，又稱高分子碰墊，是利用高彈泡沫（EVA或聚乙烯）作為緩沖介質(zhì)。該材料具有良好的緩沖、抗震、隔熱、防潮、抗化學(xué)腐蝕、無毒和不吸水等優(yōu)點，外層噴涂聚脲，能夠防紫外線，防腐防水，同樣可以用于船舶碼頭靠泊和海上兩船靠幫時的緩沖吸能，減少船舶的反沖力。

實心泡沫碰墊按照外部型式也可以分為無護套式（見圖5）和有護套式（見圖6），區(qū)別同充氣橡膠碰墊。

圖5 無護套式實心泡沫碰墊

圖6 有護套式實心泡沫碰墊

實心泡沫碰墊的特點：

● 優(yōu)點

因其型式和材料特性，該類型碰墊防磨損，堅固耐用，無需充氣和經(jīng)常維護；與充氣橡膠碰墊相比具有更好的吸能和更低的反作用力，慢回彈，更有利于船舶的緩沖；制作時無需模具，可以根據(jù)需求定制任意規(guī)格，也可以選擇增加護套而更一步延長使用壽命；過度擠壓時不會爆裂而產(chǎn)生危險事故。

● 缺點

高分子實心材料，較重且成本較高；長期使用后會因擠壓而產(chǎn)生永久變形。

實心泡沫碰墊是最近幾年出現(xiàn)的新型產(chǎn)品，尚無國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并且該形式的碰墊因其材料特性，可以根據(jù)需要的性能指標(biāo)進行個性化定制，所以在具體選擇時可以根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的規(guī)格性能表進行選擇。下頁表4為某廠家提供的實心泡沫碰墊的尺寸和規(guī)格對照表。

表4 充氣橡膠護舷規(guī)格和性能對照表

3 碰墊選型實例

本節(jié)分別以某型1 000 t船（

a

船）與某型5 000 t船（

b

船）靠幫，以及兩艘相同型號5 000 t船（

b

）靠幫為例，進行碰墊的選型。

兩型靠幫船舶的船型參數(shù)見表5。

表5 船型參數(shù)

3.1 a船與b船靠幫

3.1.1 動力學(xué)方法碰墊選型

利用前文中式（1）進行計算：

根據(jù)上表船型參數(shù)：

則式（7）中：

V

取0.4 m/s，

K

取0.5，計算碰撞能量為：

利用前文中式（5）進行計算：

根據(jù)表中船型參數(shù)，

a

船和

b

船噸位相差較大。選

b

船為被靠幫船，

a

為靠幫船，式中

M

取

a

船排水量，則

M

= 1 035 t；

V

取0.4 m/s；

C

、

C

此處均取1.0；假設(shè)靠幫碰撞點在船首0.25

L

處，回轉(zhuǎn)半徑為0.25

L

，則

C

= 0.5。根據(jù)

C

計算式，

C

= 1+πT

Lρ

/（4

M

）=1+π3.353.6

ρ

/（4×1 035）= 1.454，計算碰撞能量為：

根據(jù)以上計算，兩種計算結(jié)果相差不大。根據(jù)公務(wù)船靠幫的特點，考慮靠幫時的安全，此時

a

船和

b

船碰撞能量選大者為60.196 kJ。

根據(jù)表3中碰墊性能參數(shù)，考慮2倍的安全系數(shù)，則可以選擇2個1 200×2 000的低壓碰墊，或2個1 000×2 000的高壓碰墊，也可根據(jù)碰撞能量需求定制實心泡沫碰墊。

3.1.2 當(dāng)量排水量法碰墊選型

根據(jù)前文公式（6）：

式中：

W

為1 035 t，

W

為5 200 t，則計算的當(dāng)量排水量

C

= 1 726 t。

參照表2后得出，需要配置3個1 000×2 000低壓碰墊。

3.2 b船與b船靠幫

3.2.1 動力學(xué)方法碰墊選型

利用前文中式（1）進行計算：

根據(jù)表5的船型參數(shù)：

則式（14）中：

V

取0.3 m/s，

K

取0.5，計算碰撞能量為：

利用前文中式（5）進行計算：

根據(jù)以上計算，兩種計算方法所得碰撞能量相差較大，主要原因是式（1）通過假想質(zhì)量的計算，考慮到兩船舶碰撞時動能的折減，式（5）是將母船等效為碼頭，認為子船所有的動能均轉(zhuǎn)換為碰撞能量，而該算例是兩個噸位相同的船舶進行靠幫，根據(jù)物體碰撞原理，子船靠幫時的初始動能并不能完全轉(zhuǎn)化為碰撞能量，所以該算例兩船的碰撞能量選為82.395 kJ。

根據(jù)表3中碰墊性能參數(shù)，考慮2倍的安全系數(shù)，則可以選擇2個1 350×2 500的碰墊，或2個1 200×2 000的高壓碰墊，也可根據(jù)碰撞能量需求進行實心泡沫碰墊的定制。

3.2.2 當(dāng)量排水量法碰墊選型

根據(jù)前文式（6）：

式中：

W

和

W

均為5 200 t，則計算的當(dāng)量排水量

C

= 5 200 t，查表2后得出，需要配置3個1 500× 3 000低壓碰墊。

3.3 兩種碰墊選型方法比較

通過以上兩個計算實例，可以得出，動力學(xué)方法和當(dāng)量排水量法選取的碰墊規(guī)格上稍有區(qū)別，但是比較兩種計算方法所選取碰墊總的吸收能量卻相差不大。筆者認為主要原因是：當(dāng)量排水量法選取碰墊是OCIMF推薦的快速選擇碰墊的方法，無法對碰墊的規(guī)格選取進行詳細的劃分，算取當(dāng)量排水量后只能從表格中選擇對應(yīng)的固定的碰墊規(guī)格；而動力學(xué)方法是通過計算碰撞能量，再根據(jù)碰墊性能標(biāo)準(zhǔn)進行選擇，這樣碰墊的規(guī)格就可以進行多種選擇，既可以選擇大規(guī)格少數(shù)量的碰墊，也可以選擇小規(guī)格多數(shù)量的碰墊，能根據(jù)不同的設(shè)計需求靈活地選擇碰墊規(guī)格和數(shù)量。

4 結(jié) 語

本文通過分析研究常用的靠幫碰墊計算和選型方法，根據(jù)文中提到的公務(wù)船靠幫時的特點，并結(jié)合計算實例得出：對于公務(wù)船，若僅知道兩船噸位，需要進行碰墊初步選型配置時，建議采用經(jīng)驗公式計算和選型的方法；若需對靠幫碰墊選型進行更詳細的分析時，建議采用碰撞能量公式計算和選型的方法。

最后，筆者根據(jù)自己對碰墊選型和不同情況下碰撞能量計算的理解，給出實際應(yīng)用時碰墊選型及碰撞能量兩個動力學(xué)計算公式選擇以下建議：

（1）當(dāng)靠幫兩船載重噸位相差較大時，式（5）計算出碰撞能量較大，根據(jù)公務(wù)船靠幫時海況的隨機性，出于安全考慮，建議選擇式（5）進行碰撞能量的計算。

（2）當(dāng)靠幫兩船載重噸位相差不大時，根據(jù)物體碰撞原理，兩船靠幫時，子船的動能并不能完全轉(zhuǎn)化為碰撞能量，不必不切實際地選擇式（5）進行碰撞能量的計算，所以建議選擇式（1）進行碰撞能量的計算。

（3） 當(dāng)公務(wù)船在海上進行緊急靠幫執(zhí)法時，因目標(biāo)靠幫船型參數(shù)未知，此時建議根據(jù)經(jīng)驗公式當(dāng)量排水量法進行碰墊的快速選型計算。

（4） 根據(jù)充氣橡膠碰墊和實心泡沫碰墊的特點，建議公務(wù)船的碰墊盡量選擇實心泡沫碰墊；根據(jù)公務(wù)船靠幫船型的隨機性，如果空間允許，建議公務(wù)船配置多種不同規(guī)格的實心泡沫碰墊以供選擇。