海上橫向補(bǔ)給安全要點(diǎn)分析

張宇辰，孫國亮，丁 浩

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431）

0 引言

海上補(bǔ)給是指船舶由于較長時(shí)間遠(yuǎn)海作業(yè)，以致自身所攜帶的燃油、淡水、食品、備件等物資消耗較大，從而需要利用各型設(shè)備在海上對船舶實(shí)施物資補(bǔ)給和人員換乘的作業(yè)方式。在未來航海領(lǐng)域中，海上補(bǔ)給能力至關(guān)重要，因此，海上補(bǔ)給性能的優(yōu)劣性已然成為衡量海上船舶執(zhí)行任務(wù)及高速機(jī)動能力的重要標(biāo)志。同時(shí)，海上補(bǔ)給在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中被廣泛使用，已成為針對遠(yuǎn)洋船舶日漸成熟的補(bǔ)給模式。

1 發(fā)展歷程

國外海上補(bǔ)給最早出現(xiàn)在19世紀(jì)末20世紀(jì)初，歐美一些海洋強(qiáng)國首先在遠(yuǎn)洋船舶上進(jìn)行海上補(bǔ)給實(shí)驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行物料補(bǔ)充及油料補(bǔ)充。19世紀(jì)40年代，有的國家組建了自己的海上補(bǔ)給運(yùn)輸船隊(duì)，隨后各國開始研制專門的海上補(bǔ)給裝置及海上補(bǔ)給船，海上補(bǔ)給從設(shè)備到操作都上升了一個(gè)新臺階。國內(nèi)海上補(bǔ)給發(fā)展較晚，1970年前后，我國第一代大型遠(yuǎn)洋補(bǔ)給船905型應(yīng)運(yùn)而生。

補(bǔ)給方式按形式可分為橫向補(bǔ)給、縱向補(bǔ)給、航行垂直補(bǔ)給、靠幫補(bǔ)給4種，其優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 補(bǔ)給方式及其優(yōu)缺點(diǎn)

1.1 橫向補(bǔ)給

橫向補(bǔ)給可以在海況環(huán)境較復(fù)雜情況下進(jìn)行補(bǔ)給作業(yè)，其補(bǔ)給品類多，補(bǔ)給效率高，因此在所有補(bǔ)給模式中使用率最高，占據(jù)主導(dǎo)地位。在現(xiàn)代船舶上均帶有現(xiàn)代化補(bǔ)給裝置，可在兩舷同時(shí)開展作業(yè)，并通過專用補(bǔ)給站，進(jìn)行快速高效的補(bǔ)給作業(yè)。

1.2 縱向補(bǔ)給

縱向補(bǔ)給是較為普遍使用的一種補(bǔ)給模式，具有可操作性高、技術(shù)要求低等特點(diǎn)，但是這種補(bǔ)給方式所補(bǔ)給的貨品較為單一，效率不高，在實(shí)際應(yīng)用中較為受限。自1925年起，美國拖帶膠管研制成功，成為縱向補(bǔ)給方式的首創(chuàng)者。

1.3 垂直補(bǔ)給

垂直補(bǔ)給是指利用直升機(jī)或航空器進(jìn)行補(bǔ)給的作業(yè)模式，被公認(rèn)為是最迅速且有效的補(bǔ)給方式。在現(xiàn)實(shí)作業(yè)中應(yīng)用廣泛。1959年，美國首次利用直升機(jī)將應(yīng)急物資快速運(yùn)轉(zhuǎn)傳達(dá)，開創(chuàng)了垂直補(bǔ)給的先河。這種補(bǔ)給方式雖然成本較高，但是其可操作性較強(qiáng)，對環(huán)境海況的要求較低，因此在實(shí)際應(yīng)用中也占有較大比例。

1.4 靠幫補(bǔ)給

靠幫補(bǔ)給是最古老、歷史最悠久的補(bǔ)給模式，是指在漂航或者系泊狀態(tài)下利用簡單的補(bǔ)給工具，進(jìn)行補(bǔ)給。這種補(bǔ)給方式雖然可靠性高，安全性強(qiáng)，補(bǔ)給貨品種類多，但是在復(fù)雜海域中難以控制，機(jī)動性不強(qiáng)。

2 海上補(bǔ)給過程中的安全注意事項(xiàng)

2.1 進(jìn)入補(bǔ)給海域

國內(nèi)針對航行編組的單船運(yùn)動模式、耐波運(yùn)動模型、航行間距離測算、兩船漸近模型等內(nèi)容進(jìn)行研究。

李嘉寧等[1]構(gòu)建了船舶編組的耐波性運(yùn)動模型，通過分析編組船舶在規(guī)則波中的運(yùn)動響應(yīng)，以及多船間水動力干擾效應(yīng)和不同運(yùn)動模式下的交叉影響，求解得出船舶編組在12個(gè)不同維度下的耦合頻率運(yùn)動方程。同時(shí)構(gòu)建船舶編組的航態(tài)決策模型，利用三維頻域格林函數(shù)法對某一航態(tài)下的補(bǔ)給編組的耐波性進(jìn)行預(yù)報(bào)，得出在不同參數(shù)情況下的優(yōu)選航向航速。

孫靈遠(yuǎn)等[2]在對編組船舶航行距離測算時(shí)，通過激光測距技術(shù)實(shí)現(xiàn)對兩船相對位置的持續(xù)性自動化跟蹤測距。利用穩(wěn)定云臺，通過調(diào)整云臺方位角、俯仰角精度等計(jì)算兩船舶的實(shí)際距離。在海上實(shí)船試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，證明該系統(tǒng)不僅能完成目標(biāo)的距離測量，還可獲得補(bǔ)給狀態(tài)下兩船的水平速度。相對位置的自動化跟蹤測距為橫向補(bǔ)給作業(yè)和船舶的編組航態(tài)決策提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

何瑤[3]在海上橫向補(bǔ)給中船艇接近自動化控制中構(gòu)建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，利用航跡PID控制器，輸出方向舵令指示，角度控制器輸出速度控制指令，分析得出在不同速度階段下船艇航速示意圖，以及距離PID控制器控制效果示意圖。建立了基于PID控制理論的船艇航跡、角度距離自動化控制模塊，從而更好地實(shí)現(xiàn)海上補(bǔ)給過程中兩船的同向同速。

2.2 形成補(bǔ)給條件

在兩船逐漸靠近，形成補(bǔ)給條件過程中，要注意船間效應(yīng)的產(chǎn)生，一旦操作不當(dāng)，容易產(chǎn)生碰撞的危險(xiǎn)，合理規(guī)避并采取正確的措施來減少船間效應(yīng)對兩船的影響。

高孝日等[4]曾對船間效應(yīng)影響的船舶運(yùn)動數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，提出了船體水動力計(jì)算模型、螺旋槳計(jì)算模型、舵力計(jì)算模型、舵機(jī)計(jì)算模型以及船間效應(yīng)力及力矩計(jì)算模型。仿真結(jié)果表明，船間效應(yīng)力與力矩足夠改變船舶運(yùn)動狀態(tài)，并且在一定距離下用舵可控制船舶運(yùn)動狀態(tài)，相應(yīng)地使用控制舵角，可以達(dá)到抵消船間作用力的目的。

谷元全等[5]將船舶運(yùn)動模型與船間效應(yīng)模型結(jié)合起來，將船間效應(yīng)添加到兩船的運(yùn)動方程中，從而得出在不同船間距下兩船軌跡圖。該運(yùn)動方程可根據(jù)不同的船間距離，模擬出不同的局面，從而得出某一特定型號船舶在某一特定距離時(shí)船間效應(yīng)最大。由此運(yùn)動方程在實(shí)踐中加以應(yīng)用，輸入不同運(yùn)動狀態(tài)下的船舶航行參數(shù)值，得出安全距離。

泰勒通過對船長相同的兩船并航實(shí)驗(yàn)，得出兩船并航時(shí)橫向吸力最大，其計(jì)算公式為：

式中：Fs為橫向吸力，L為船長，f為兩船橫向間距，R為船舶阻力。

假設(shè)有補(bǔ)給船A和接收船B，如表2所示。船長均約為220 m，推進(jìn)系數(shù)0.5～0.7，航速10 kn，有效主機(jī)功率為14 MW，船間距為66 m，噸位均約為30000 t。在此假定情景下，依據(jù)泰勒所做試驗(yàn)得出公式可得兩船橫向吸力約為73 t。

表2 補(bǔ)給船與受補(bǔ)船船型參數(shù)

2.3 補(bǔ)給作業(yè)實(shí)施

1）設(shè)備使用前檢查。設(shè)備使用前，應(yīng)對其進(jìn)行安全檢查，干貨主要包括高架索、纜繩、貨柜，對補(bǔ)給裝置動力配電等進(jìn)行檢查，液貨還應(yīng)包括對液體輸送管系密性進(jìn)行檢查，確保作業(yè)安全。

2）補(bǔ)給作業(yè)的實(shí)施。在補(bǔ)給作業(yè)實(shí)施過程中，要注意兩船保持同向同速，并且兩船現(xiàn)場調(diào)度員與值班駕駛員保持甚高頻通話，依據(jù)實(shí)際情況調(diào)整兩船的航行姿態(tài)。干貨補(bǔ)給采用通索法架設(shè)高架索，在實(shí)際操作中兩船間距在不影響船舶保向能力的前提下，應(yīng)采取較大的保向舵角進(jìn)行保向，在操舵時(shí)，務(wù)必做到早用舵，早回舵，并且要注意減小興波。液體貨補(bǔ)給采用軟管進(jìn)行液體貨的輸送，在實(shí)際操作中使用跨索連接軟管，使得軟管在作業(yè)時(shí)，全程不接觸海面。

3）補(bǔ)給設(shè)備注意事項(xiàng)。高架索補(bǔ)給連接是指采用1根高架索將補(bǔ)給船與受補(bǔ)給船相連接，并承載補(bǔ)給物資載荷，并且由牽引索控制物資在補(bǔ)給物資在高架索上的運(yùn)動軌跡，高架索補(bǔ)給法是目前最為常見的海上補(bǔ)給方式。由于船舶在波浪作用下會產(chǎn)生不同維度的運(yùn)動，其索道張力也會隨之變化。在實(shí)際操作中索道張力變化與船舶運(yùn)動狀態(tài)、海況等因素有關(guān)。任愛娣等[6]基于力學(xué)基本原理并借助Mathematic軟件，建立靜態(tài)情況下干貨補(bǔ)給高架索受力方程，通過對張力參數(shù)的變化進(jìn)行分析，得到了影響索道張力變化的主要參數(shù)。因此可根據(jù)得出拖點(diǎn)所能承受的最大張力值，通過計(jì)算出的最大張力，加以配載操作及船舶操控，最終達(dá)到避免拖曳過程中臍帶纜索斷裂的目的。何學(xué)軍等[7]曾建立高架索撓度方程，通過對基本方程的建立及求解，對高架索最大撓度及相關(guān)參數(shù)和貨物運(yùn)行軌跡及集中載荷點(diǎn)撓度進(jìn)行分析。從靜力學(xué)角度對高架索進(jìn)行分段分析，得到高架索撓度在貨物實(shí)際運(yùn)行中的張力及臨界點(diǎn)影響，用以計(jì)算高架索最大受力，避免斷裂。

2.4 兩船駛離補(bǔ)給海域

作業(yè)結(jié)束后，應(yīng)先停止設(shè)備，進(jìn)行停機(jī)檢查，包括對裝置本身以及高架索等索纜的檢查，確認(rèn)其外觀無明顯損傷后回收補(bǔ)給裝置，在裝置回收時(shí)要注意導(dǎo)纜索、高架索不要觸碰到海面。

3 補(bǔ)給接收裝置的操作使用與安全要求

3.1 補(bǔ)給接收裝置操作流程

補(bǔ)給接收裝置的使用，其操作流程大致有設(shè)備開機(jī)、架設(shè)索纜、接收補(bǔ)給、解脫索纜、設(shè)備關(guān)機(jī)等步驟。

橫向干貨補(bǔ)給作業(yè)中索纜的架設(shè)步驟可細(xì)分為導(dǎo)纜繩的收放、高架索的架設(shè)與張緊、外牽索繩傳送與張緊外牽索。索道的解脫應(yīng)先解除外牽索張力并回收外牽索及導(dǎo)輪架在解除高架索張力并解脫回收高架索。在接收補(bǔ)給的過程中先由接收頭上升，在傳送過程中傳送貨物至接收船，接收頭下降并卸貨完成一次補(bǔ)給傳遞作業(yè)。接收完貨物后，將空框上升小車傳送回補(bǔ)給船，進(jìn)行第2次補(bǔ)給，直到補(bǔ)給結(jié)束。

橫向液貨補(bǔ)給過程與橫向干貨補(bǔ)給過程的區(qū)別在于索道架設(shè)、接收補(bǔ)給、解脫索道3個(gè)過程，索道架設(shè)過程基本一致，區(qū)別在于由補(bǔ)給船釋放加油探頭，加油探頭與受油頭接觸并鎖住，連接快速接頭。在接收補(bǔ)給過程中首先進(jìn)行輸送前掃線，再進(jìn)行油料與淡水的輸送，最后在輸送完畢后再進(jìn)行掃線。解脫索道過程可按快速接頭、加油探頭的順序進(jìn)行解脫，解脫完成后回收油水輸送軟管與跨索。

3.2 補(bǔ)給接收裝置安全要求

1）設(shè)備功能性能要求

①高架索具有額定最大張力，并配備合適的安全銷。

②橫向干貨接收裝置所具備的整體抗拉強(qiáng)度應(yīng)在出廠前進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并保證大于補(bǔ)給索道最大破斷力。

③橫向液貨補(bǔ)給裝置應(yīng)有較高的密性要求，且設(shè)備連接可以實(shí)現(xiàn)快速掛脫。

④電氣設(shè)備應(yīng)有接地保護(hù)、聯(lián)鎖功能、過載保護(hù)等，應(yīng)設(shè)置自動觸動行程開關(guān)。

2）設(shè)備操作過程注意事項(xiàng)

①所有位于甲板上的操作人員須佩戴安全帽和救生衣，對于作業(yè)禁區(qū)設(shè)置安全提示。

②在接收撇纜操作時(shí)，甲板上作業(yè)人員須隱蔽至安全位置，防止被撇纜槍打中后發(fā)生危險(xiǎn)。

③必須在高架索連接確認(rèn)好之后，才可以發(fā)出通知張緊索道。

④補(bǔ)給索道進(jìn)行施加張力或者去除張力時(shí)，人員須避開，防止索道斷裂造成人員誤傷。

4 結(jié)語

本文分析航行時(shí)橫向補(bǔ)給的兩船溝通、船間位置、設(shè)備保護(hù)、安全操作等方面的注意事項(xiàng)。結(jié)論如下：

1）橫向補(bǔ)給要注意船間效應(yīng)及船位選擇。注意在兩船實(shí)時(shí)溝通，根據(jù)實(shí)時(shí)船距、橫向、航速、位錯(cuò)角等信息，及時(shí)協(xié)調(diào)船位。

2）補(bǔ)給操作過程中要注意補(bǔ)給接收裝置的使用及高架索的架設(shè)使用與脫鉤。補(bǔ)給作業(yè)流程及安全操作應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范流程要求。