關(guān)于5米燈浮標(biāo)被撞易翻覆問題解決方案的探討

◎ 張永輝 廣州航標(biāo)處

?

關(guān)于5米燈浮標(biāo)被撞易翻覆問題解決方案的探討

◎ 張永輝 廣州航標(biāo)處

摘 要：隨著珠江口航運(yùn)業(yè)的快速發(fā)展，通航環(huán)境更加復(fù)雜，在南沙港和廣州港兩個(gè)航道交匯處布設(shè)5米燈浮標(biāo)給來往船舶提供醒目的助航服務(wù)是非常必要的，由于該水域來往船舶較多，通航密度大，無形中增加了燈浮標(biāo)被撞事件的發(fā)生，本文通過查看該類型燈浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)參數(shù)，分析了其被撞易傾覆的原因，制定了增加尾筒和提高配重并行的改造方案以期提高其穩(wěn)性，通過理論計(jì)算分析，改造后的燈浮標(biāo)的穩(wěn)性參數(shù)，如初穩(wěn)性高度、重心高度等均有較大改善，說明這個(gè)改造方案是有效、可行的。

關(guān)鍵詞：燈浮標(biāo) 傾覆 改造 穩(wěn)性參數(shù) 改善

1.廣州港42號(hào)燈浮標(biāo)被船舶碰撞后傾覆的研究背景

近幾年來，隨著珠江口兩岸港口建設(shè)的快速發(fā)展，進(jìn)出珠江口水域船舶流量逐年增加，同時(shí)伴隨著船舶大型化、快速化的迅猛發(fā)展，珠江口水域燈浮標(biāo)被過往船舶碰撞后變形、進(jìn)水后傾斜時(shí)有發(fā)生，但像廣州港42號(hào)燈浮標(biāo)這樣被過往船舶碰撞后翻覆的事故并不多見。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年至2015年兩年間，廣州港42號(hào)燈浮標(biāo)被過往船舶碰撞后傾覆高達(dá)2次。由于該類型的浮體體型較大，凈重有18.5噸，需要雇用社會(huì)上的大型工程船舶進(jìn)行吊換作業(yè)，不但費(fèi)用高，而且短時(shí)間內(nèi)難以租用到適用的工程船舶到該水域進(jìn)行浮標(biāo)吊換作業(yè)，傾覆的大型浮標(biāo)給過往船舶的安全航行帶來了很大的隱患，給轄區(qū)航標(biāo)管理機(jī)關(guān)的航標(biāo)管理工作帶來了較大的壓力。

2.廣州港42號(hào)燈浮標(biāo)的布設(shè)情況

廣州港42號(hào)燈浮標(biāo)布設(shè)于廣州港和南沙港兩個(gè)航道的交匯處，是一個(gè)重要的水上助航標(biāo)志，所以該位置需要投放一座外形特別醒目的助航標(biāo)志，而珠江口水域使用較多的直徑為2.4米的鋼質(zhì)浮標(biāo)就不能滿足需要，原因有二：一是2.4米鋼質(zhì)浮標(biāo)直徑較小，從視覺效果上難以突出兩個(gè)港口交匯點(diǎn)的重要性，二是該位置作為標(biāo)示廣州港和南沙港的航道分叉點(diǎn)，需要在外形尺寸上與附近水域常用的2.4米鋼質(zhì)浮標(biāo)有所區(qū)別，以便船舶駕駛員第一時(shí)間了解到船舶航行的位置。所以在該位置投放一座外形尺寸較大的直徑為5米的助航標(biāo)志是必要的，該燈浮標(biāo)自投放以來，多次被撞傾覆，2014年至2015年兩年間，被過往船舶碰撞后傾覆高達(dá)2次，分別是2014年12 月8日被不明船舶被撞傾覆和2015年6 月4日被某不明船舶被撞傾覆。

3.廣州港42號(hào)燈浮標(biāo)投放的5米浮體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

目前廣州港42號(hào)燈浮標(biāo)所投放的5米浮標(biāo)的主要性能參數(shù)如下：浮體吃水是1.1米，浮標(biāo)干舷1.0米，初穩(wěn)性高是1.35米，搖擺周期是4.75秒，重心高度0.8米，重量18.5噸。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看該浮體下封頭是圓臺(tái)形平底，沒有尾筒，且浮標(biāo)底部是較大面積的平底結(jié)構(gòu)，在被船舶碰撞時(shí)，平滑的底部在水中受到的水阻力很小，被撞極易傾覆。為改變?cè)摕舾?biāo)被船舶碰撞后易傾覆的現(xiàn)狀，為過往船舶提供質(zhì)量可靠的助航服務(wù)，避免助航標(biāo)志成為礙航物，應(yīng)對(duì)該浮體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。

4.燈浮標(biāo)改造設(shè)計(jì)方案

燈浮標(biāo)由浮身（浮筒、尾筒、配重）、燈架和發(fā)光系統(tǒng)組成，尾筒上有用鑄鐵制成的配重，整個(gè)燈浮標(biāo)可以通過尾筒和配重的調(diào)整來達(dá)到平衡，基于此，結(jié)構(gòu)改造采取的措施有兩個(gè)方面：一是增加鑄鐵配重，提高其吃水深度，根據(jù)燈浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其吃水深度從1100mm增加到1320mm，既達(dá)到通過調(diào)整吃水深度而增加穩(wěn)定性的目的，也不影響燈浮標(biāo)在海上的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)；二是增加尾筒結(jié)構(gòu)，以提高燈浮標(biāo)被撞時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)所受到的阻力，使其傾覆的可能性降低。考慮到燈浮標(biāo)的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和重量，尾筒結(jié)構(gòu)采用直徑為3000mm，高為1000mm，鋼板厚度為12mm的圓筒焊接在燈浮標(biāo)的下封頭上，尾筒與下封頭聯(lián)接處焊接加強(qiáng)肋板，鑄鐵配重通過螺栓均勻分布在尾筒的底部，改造效果圖見圖1。經(jīng)計(jì)算，達(dá)到燈浮標(biāo)改造要求所需增加配重為4230kg。

5.燈浮標(biāo)改造后穩(wěn)性參數(shù)的計(jì)算

5.1燈浮標(biāo)的重量重心估算

圖1. 燈浮標(biāo)改造設(shè)計(jì)效果圖

對(duì)于燈浮標(biāo)而言，除了航標(biāo)人員巡檢時(shí)短時(shí)停留在其上進(jìn)行航標(biāo)器材的檢查維護(hù)外，其上沒有可變壓載，所以只需計(jì)算燈浮標(biāo)在工作狀態(tài)下的重量重心。燈浮標(biāo)總重量由浮體、燈架、尾筒、配重和發(fā)光系統(tǒng)組成，本文在估算燈浮標(biāo)的重量重心是以改造前的浮標(biāo)重量為一個(gè)整體的前提下進(jìn)行的，燈浮標(biāo)各部分的重量和重心高度如下：改造前燈浮標(biāo)重量為18500kg，重心高度1800mm；尾筒重量839kg，重心高度500mm；燈器和太陽(yáng)能板重量345kg，重心高度9075mm；蓄電池重量240kg，重心高度3575mm，鑄鐵配重塊重量為4230kg，重心高度420mm。重心高度是從尾筒底部算起。

燈浮標(biāo)的重量重心CG：CG=M/W

M：燈浮標(biāo)各組成部分力矩的總和

W：燈浮標(biāo)各組成部分的總重量

計(jì)算可得：CG=1625mm，即改造后燈浮標(biāo)的重心位于尾筒底部上部1625mm處，與改造前相比，重心降低了175mm。降低重心是提高燈浮標(biāo)穩(wěn)性最有效的措施之一。這是由于重心降低，重量穩(wěn)性臂減小，使得靜穩(wěn)性臂增加，從而使得燈浮標(biāo)的穩(wěn)性增強(qiáng)。

5.2燈浮標(biāo)浮心計(jì)算

燈浮標(biāo)的浮心是整個(gè)浮標(biāo)排水體積的形心，燈浮標(biāo)漂浮在海水中會(huì)有一個(gè)相對(duì)固定水面，該水面與燈浮標(biāo)的相交會(huì)產(chǎn)生一個(gè)圓，該圓周線就是燈浮標(biāo)的浮標(biāo)水線，由燈浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，水線以下的部分是一個(gè)相對(duì)規(guī)則的形狀，這樣可以直接求得各部分的體積和形心。由改造后的燈浮標(biāo)外形輪廓可知，燈浮標(biāo)的排水體積有四部分組成，圓柱體、圓臺(tái)體、鑄鐵配重組成的環(huán)形體、尾筒的環(huán)形體，各部分的體積和形心高度（形心到燈浮標(biāo)尾筒底面距離）如下：①圓柱體：13.925m3，2.055m；②圓臺(tái)體：8.975 m3，1.467m；③鑄鐵配重：0.552 m3，0.420m；④尾筒：0.113 m3，0.500m。

燈浮標(biāo)浮心計(jì)算公式CB：CB= MB/V1

MB：燈浮標(biāo)水線以下部分排水體積力矩之和，即水線下各部分體積與該部分形心到燈浮標(biāo)尾筒底面距離的乘積之和；

V1：燈浮標(biāo)的排水體積，m3

V1=W/1025

W：燈浮標(biāo)的毛重，kg

1025：海水的比重，kg/m3

計(jì)算可得：V1=23.565m3，排水量為24154kg，燈浮標(biāo)水線位于距離燈浮標(biāo)圓柱體底面0.710m處。

計(jì)算可得：CB=1785mm

5.3燈浮標(biāo)初穩(wěn)性計(jì)算

初穩(wěn)性高度是衡量燈浮標(biāo)初穩(wěn)性的主要指標(biāo)，初穩(wěn)性高度過小常導(dǎo)致大傾角恢復(fù)力矩偏低。同時(shí)，初穩(wěn)性高度過小的燈浮標(biāo)，在不大的橫傾力矩作用下會(huì)發(fā)生較大的傾斜甚至導(dǎo)致傾覆，所以，在設(shè)計(jì)燈浮標(biāo)時(shí)，應(yīng)使其具有一定的初穩(wěn)性高度。

燈浮標(biāo)投放在水中發(fā)生小角度傾斜，其水線由原來的WV變?yōu)閃1V1，假設(shè)燈浮標(biāo)出水與入水體積相同，且繞兩水線面交線軸轉(zhuǎn)動(dòng)，浮心B以初穩(wěn)心M為圓心，以初穩(wěn)心半徑BM為半徑移動(dòng)，浮心作用線始終通過固定點(diǎn)M，則有：BM=I/ V1

其中I=3.14×D4/64，是燈浮標(biāo)水線截面的慣性特征，kg m2

D：在吃水面上的燈浮標(biāo)浮體直徑，m

V1：燈浮標(biāo)的排水體積，m3

計(jì)算可得：BM=1.249m。

燈浮標(biāo)的初穩(wěn)性高度即重心至定傾中心的距離：GM=BM+CBCG=1409mm，改造后的燈浮標(biāo)的初穩(wěn)性高度與未改造前相比增加了59mm，也就是改造后的燈浮標(biāo)的抗傾覆能力得到一定的加強(qiáng)。

5.4燈浮標(biāo)縱搖、橫搖固有周期

由于燈浮標(biāo)的浮體為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以燈浮標(biāo)的縱搖、橫搖固有周期是一致的，只需要計(jì)算橫搖固有周期即可，根據(jù)船舶耐波性理論，燈浮標(biāo)自由橫搖的近似固有周期TS為：

TS：燈浮標(biāo)自由橫搖固有周期，s

ns：燈浮標(biāo)自由橫搖固有頻率，rad/s

Jss：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kgm2

ΔJss：附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kgm2

K：排水量，kg

h：初穩(wěn)心高度，m

實(shí)踐證明，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)橫搖固有周期影響并不敏感，因此在實(shí)際計(jì)算時(shí)通常采用近似估算，根據(jù)霍夫哥德公式：

Jss+ΔJss=Kρ2s/g

g∶ 重力加速度，m/s2

ρs：燈浮標(biāo)質(zhì)量連同附加質(zhì)量在內(nèi)的相當(dāng)橫搖慣性半徑，ρs=CB，C為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，浮標(biāo)取為0.44，B為浮體直徑，此處取值為5。

代入計(jì)算可得：TS=3.72s

與改造前相比，改造后的燈浮標(biāo)的搖擺周期比改造前減少了1.03s。

6.小結(jié)

本文分析了南沙港和廣州港航道交匯處布設(shè)5米大型燈浮標(biāo)的必要性，分析了該浮標(biāo)投放后頻繁出現(xiàn)被來往船舶碰撞傾覆的原因，最終從燈浮標(biāo)結(jié)構(gòu)入手，制定了通過結(jié)構(gòu)改造以增加燈浮標(biāo)的穩(wěn)性參數(shù)的方案，并通過理論計(jì)算得到了這種結(jié)構(gòu)改造達(dá)到了提高燈浮標(biāo)的穩(wěn)性性能的目的。

參考文獻(xiàn)：

［1］日本協(xié)力基金事業(yè)團(tuán) 著.周壽椿 譯.狄偉，黃純 校.航標(biāo)教材.交通部安全監(jiān)督局.1996.4.

［2］王浩.深海浮標(biāo)的總體設(shè)計(jì)和計(jì)算分析 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)位論文.2012.