王永利+何扶文

摘要：本文對(duì)北海海區(qū)冰情進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，總結(jié)歸納了海冰對(duì)常規(guī)燈浮標(biāo)以及航標(biāo)管理工作的影響，在分析四季通用冰區(qū)燈浮標(biāo)的性能要求和現(xiàn)有冰標(biāo)的航標(biāo)效能現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，指出了四季通用冰區(qū)燈浮標(biāo)的研發(fā)思路和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：四季通用冰區(qū)燈浮標(biāo) 開發(fā) 應(yīng)用

1 前 言

我國(guó)北方的冰凍港口，如營(yíng)口港、秦皇島港、天津港等，受冬季海冰的影響，每年冬季冰期來臨前將常規(guī)燈浮標(biāo)撤除或更換為冰期燈浮標(biāo)，待春季冰期結(jié)束后，再重新設(shè)置或更換為常規(guī)燈浮標(biāo)。對(duì)于冰凍港口的航標(biāo)管理部門，每年春、冬兩季的換標(biāo)作業(yè)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。隨著振興東北老工業(yè)基地和發(fā)展天津?yàn)I海新區(qū)戰(zhàn)略的實(shí)施，遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶、山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)、黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)也相繼上升為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，河北省也提出了建設(shè)沿海經(jīng)濟(jì)強(qiáng)省的戰(zhàn)略目標(biāo)，以濱海新區(qū)為龍頭的環(huán)渤海地區(qū)開發(fā)開放進(jìn)入了新一輪的快速發(fā)展期，并已初步成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的第三極?！笆濉逼陂g，丹東海洋紅港區(qū)、大連長(zhǎng)興島港區(qū)、大連太平灣港區(qū)、盤錦港、錦州龍棲灣港區(qū)、葫蘆島石河港區(qū)、秦皇島山海關(guān)港區(qū)、唐山曹妃甸港區(qū)、天津南港港區(qū)、煙臺(tái)西港區(qū)、青島董家口港區(qū)、日照嵐山港區(qū)等十二大熱點(diǎn)區(qū)域有較大規(guī)模的港口建設(shè)規(guī)劃，“十二五”期間上述區(qū)域的規(guī)劃吞吐量增長(zhǎng)多數(shù)在億噸左右。環(huán)渤海港口飛速建設(shè)，航標(biāo)數(shù)量日益增加，春、冬季換標(biāo)作業(yè)的壓力也將成倍增長(zhǎng)。面對(duì)這一沉重的負(fù)擔(dān)，不能硬著頭皮走老路，而要在滿足港口發(fā)展需要的大前提下，轉(zhuǎn)變思想走出一條創(chuàng)新發(fā)展之路。當(dāng)務(wù)之急是依靠科技創(chuàng)新，研發(fā)一款具備足夠的導(dǎo)抗冰性能且能夠長(zhǎng)期持續(xù)發(fā)揮助航效能的通用燈浮標(biāo)，即四季通用冰區(qū)燈浮標(biāo)。這是擺在航標(biāo)人面前的一個(gè)新課題。

2 北海海區(qū)冰情簡(jiǎn)介

地球上各大洋海水平均鹽度為34.48‰，海水的冰點(diǎn)在-1.9℃左右。渤海及黃海北部地區(qū)恰好是北半球冰圈的最南端。整個(gè)黃渤海地區(qū)，遼東灣冰期最長(zhǎng)，冰情也最嚴(yán)重，渤海灣次之，萊州灣最輕。每年冰期通常在11月底到次年2月底。其中1月至2月上旬，冰情較重，稱“盛冰期”。冬季黃渤海地區(qū)最常出現(xiàn)的冰情狀況是常冰年。由于寒潮侵襲造成的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)低溫是我國(guó)近海海冰生成的主要原因，海冰形成后，伴隨著天氣回暖，氣溫和水溫上升，海冰也逐漸融解消失。因此，我國(guó)的海冰都是當(dāng)年度生消的，無“二冬冰”及“多年冰”。

3 海冰對(duì)航標(biāo)管理工作的影響

3.1 海冰對(duì)常規(guī)燈浮標(biāo)的影響

進(jìn)入冰期后，海面濺浪在燈浮標(biāo)的鼓面、燈浮標(biāo)架上積累凍結(jié)，浮標(biāo)上部加重，嚴(yán)重時(shí)造成大的傾斜角，使其浸沒在水中，并可能造成燈器及供電系統(tǒng)損壞。隨著冰情的加重，浮冰厚度和面積逐漸增大，隨著風(fēng)、潮流的影響來回移動(dòng)，將燈浮標(biāo)壓沒到水中，造成燈浮標(biāo)架、燈器及供電系統(tǒng)損毀。嚴(yán)重時(shí)，受浮冰撞擊、擠壓、拖曳等作用力，燈浮標(biāo)會(huì)發(fā)生移動(dòng)離位，并可能造成沉沒、漂失。

3.2 海冰對(duì)航標(biāo)管理工作的影響

由于自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，常規(guī)燈浮標(biāo)無法在冰期使用。因此，北海海區(qū)的冰凍港口在冰期來臨前普遍將常規(guī)燈浮標(biāo)撤除或更換為具有一定抗冰性能的冰期燈浮標(biāo)，俗稱冰標(biāo)。冰標(biāo)自2003年開始研制，2004年研制成功，后又歷經(jīng)多年的不斷改進(jìn)換代。目前，北海海區(qū)普遍應(yīng)用的是Φ1.4m鋼質(zhì)冰標(biāo)。主浮體采用鋼質(zhì)焊接結(jié)構(gòu)組成，成雙錐型，分4個(gè)浮室，配重全部?jī)?nèi)置于浮體尾部。燈器透鏡選用耐低溫、高強(qiáng)度、高透光率的優(yōu)質(zhì)PC材料，制作成扁平環(huán)狀結(jié)構(gòu)，從而提高透鏡抗碰撞能力。燈器底殼采用鑄銅外殼，不僅有很好的耐腐蝕性，而且還有極強(qiáng)的硬度和韌性，受到撞擊時(shí)僅僅是表面有輕微劃痕而不易破裂，比常規(guī)燈器使用的工程塑料等其他材料外殼更適合于冰標(biāo)。為解決冰標(biāo)的供電問題，冰標(biāo)使用鋰電池作為電源，其具有體積小、容量高、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，可以直接安裝在燈器下面的電池倉(cāng)內(nèi)，平均可持續(xù)供電約5個(gè)月。在冰情嚴(yán)重的遼東灣水域的營(yíng)口港、錦州港、葫蘆島港甚至僅將少量的常規(guī)燈浮標(biāo)更換為冰標(biāo)，剩余的大部分常規(guī)燈浮標(biāo)全部撤除。冰期結(jié)束后，再重新設(shè)置或更換為常規(guī)燈浮標(biāo)。

4 四季通用冰區(qū)燈浮標(biāo)的性能要求

在非冰凍港口，因航標(biāo)維護(hù)保養(yǎng)需要，常規(guī)燈浮標(biāo)一般2-3年更換一次。而在冰凍港口，每年春、冬兩季均需要進(jìn)行換標(biāo)作業(yè)，換標(biāo)作業(yè)頻率是非冰凍港口的4-6倍，極大地增加了航標(biāo)養(yǎng)護(hù)成本。如果能夠在現(xiàn)有冰標(biāo)的基礎(chǔ)上，研發(fā)一款具備足夠的抗冰性能、能夠長(zhǎng)期持續(xù)發(fā)揮助航效能的燈浮標(biāo)，就能最大限度地延長(zhǎng)凍港口的換標(biāo)周期，降低航標(biāo)養(yǎng)護(hù)成本。根據(jù)1996年發(fā)布的《海區(qū)航標(biāo)作業(yè)管理規(guī)則》要求，“標(biāo)位準(zhǔn)確、燈質(zhì)正常、涂色鮮明、結(jié)構(gòu)良好”是對(duì)視覺航標(biāo)效能的基本要求。因此，四季通用冰區(qū)燈浮標(biāo)的性能指標(biāo)要同時(shí)滿足以下要求：

一是錨系系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抓駐力，確保航標(biāo)的位置穩(wěn)定性。

二是燈器具有較高的強(qiáng)度和導(dǎo)抗冰能力，防止冰標(biāo)燈器損壞造成燈光熄滅。

三是供電系統(tǒng)要滿足長(zhǎng)期供電的要求，確保航標(biāo)燈器持續(xù)發(fā)光，理想情況是能夠提供2年以上的供電電量。

四是標(biāo)體的顏色能夠經(jīng)受流冰的摩擦和海水的侵蝕，并保證標(biāo)志原有的涂色特征。

五是標(biāo)體要具備較高的強(qiáng)度和導(dǎo)抗冰能力，確保標(biāo)體結(jié)構(gòu)的完好。

5 現(xiàn)有冰標(biāo)的航標(biāo)效能分析

當(dāng)前普遍使用的Φ1.4m鋼質(zhì)冰標(biāo)，根據(jù)近年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，從標(biāo)位、燈質(zhì)、涂色和結(jié)構(gòu)四個(gè)方面進(jìn)行分析，具體表現(xiàn)如下：

5.1 系留穩(wěn)定、標(biāo)位基本正常

冰標(biāo)系留系統(tǒng)普遍將傳統(tǒng)的4噸鋼筋混凝土沉石更換為重量更大、抓吸效果更好的5噸鑄鐵沉石，有效解決了冰標(biāo)移位問題。除海冰堆積嚴(yán)重位置的個(gè)別冰標(biāo)發(fā)生移位，絕大部分冰標(biāo)能夠保持在設(shè)計(jì)位置。

5.2 燈器及供電系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定

隨著冰標(biāo)燈器設(shè)計(jì)的日趨合理，導(dǎo)抗冰性能逐漸增強(qiáng)，燈器損壞率下降。燈器外表面無棱角設(shè)計(jì)，便于流冰滑過。縮小燈器透鏡直徑和高度，減小冰撞擊概率。將光源、主電路板、通訊、供電區(qū)域分開密封，提高燈器密封性能。對(duì)燈器底座及螺栓進(jìn)行了外形和強(qiáng)度改進(jìn)加強(qiáng)。endprint

采用低能耗的LED光源和具有較大容量的低溫鋰電池，能夠?yàn)楸鶚?biāo)燈器提供5個(gè)月的供電，滿足北海海區(qū)整個(gè)冰期使用，無法滿足四季通用的要求。

5.3 涂色變化、識(shí)別困難

由于冰標(biāo)采用鋼制結(jié)構(gòu)，表面涂刷油漆。受海冰的撞擊、摩擦以及海水的侵蝕，鋼質(zhì)冰標(biāo)存在油漆脫落，標(biāo)體銹蝕的現(xiàn)象。在冰情嚴(yán)重的遼東灣海域，在冰期結(jié)束后，冰標(biāo)油漆脫落殆盡、標(biāo)體嚴(yán)重銹蝕的現(xiàn)象十分普遍，航標(biāo)的涂色特征改變，無法滿足四季通用的要求。

同時(shí)，因海冰覆蓋，存在無法觀測(cè)識(shí)別冰標(biāo)的問題問題。尤其是在冰情嚴(yán)重的遼東灣海域，進(jìn)入盛冰期，海冰逐漸形成大面積的連片冰，冰標(biāo)易被冰覆蓋，無法識(shí)別觀測(cè)，失去助航作用。一旦船舶偏離航道，還可能與船體發(fā)生碰撞或造成錨鏈攪?yán)p螺旋槳，影響船舶航行安全。

5.4 導(dǎo)冰性能提升，結(jié)構(gòu)基本正常

由于冰標(biāo)標(biāo)體的強(qiáng)化處理以及局部結(jié)構(gòu)的平滑處理，使得冰標(biāo)的導(dǎo)冰性能提升，更容易避開海冰的撞擊、擠壓，因此冰標(biāo)標(biāo)體無嚴(yán)重?fù)p壞的現(xiàn)象，基本滿足四季通用的要求。

6 四季通用冰區(qū)燈浮標(biāo)的研發(fā)思路

根據(jù)現(xiàn)有冰標(biāo)的航標(biāo)效能情況，為滿足四季通用的要求，仍需要解決以下問題：

6.1 解決鋼質(zhì)冰標(biāo)油漆脫落的問題，確保航標(biāo)的涂色特征

從目前的油漆產(chǎn)品和涂刷工藝看，經(jīng)受海冰的撞擊和反復(fù)摩擦后，難免不發(fā)生脫落，造成航標(biāo)顏色特征改變。因此，為保持航標(biāo)的涂色特征，不能采用油漆涂刷工藝。2007年以來，北海海區(qū)引進(jìn)了聚乙烯材質(zhì)的芬蘭進(jìn)口冰標(biāo)，在營(yíng)口港、秦皇島港和天津港進(jìn)行了試用，從應(yīng)用效果看，該冰標(biāo)標(biāo)體強(qiáng)度大、結(jié)構(gòu)合理，導(dǎo)抗冰性能突出，且經(jīng)歷整個(gè)冰期仍能夠保持顏色持久不褪色。借鑒進(jìn)口芬蘭冰標(biāo)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)冰標(biāo)外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，采用高分子聚乙烯材料，材料配方自帶顏色，可保證不褪色，通過滾塑成型工藝，使標(biāo)體強(qiáng)度提高，增加抗冰能力。

6.2 解決供電周期短的問題，確保航標(biāo)效能持續(xù)發(fā)揮

目前，冰標(biāo)鋰電池的設(shè)計(jì)供電周期為5個(gè)月。要達(dá)到2年的供電周期，一種方案是加大電池的容量，接近原有容量的5倍，并對(duì)冰標(biāo)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和配重進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);另一種方案是對(duì)在冰標(biāo)上設(shè)計(jì)充電接口，在冰期結(jié)束后加裝太陽(yáng)能極板。

7 四季通用冰區(qū)燈浮標(biāo)的應(yīng)用前景

在非冰凍港口，因航標(biāo)維護(hù)保養(yǎng)需要，常規(guī)燈浮標(biāo)一般2-3年更換一次。而在冰凍港口，每年春、冬兩季均需要進(jìn)行換標(biāo)作業(yè)，換標(biāo)作業(yè)頻率是非冰凍港口的4-6倍，極大地增加了航標(biāo)養(yǎng)護(hù)的成本。隨著四季通用冰區(qū)燈浮標(biāo)的研發(fā)成功，冰凍港口的換標(biāo)周期也將大大延長(zhǎng)，航標(biāo)養(yǎng)護(hù)成本也將隨之降低。因此四季通用冰區(qū)燈浮標(biāo)具有廣泛的應(yīng)用前景。

對(duì)于冰情較弱的萊州灣水域，包括東營(yíng)港、濰坊港、萊州港等港口，四季通用冰區(qū)燈浮標(biāo)可滿足標(biāo)位準(zhǔn)確、燈質(zhì)正常、涂色鮮明、結(jié)構(gòu)良好的管理要求，因此適宜全面推廣。在冰情較嚴(yán)重的秦皇島港、唐山港、天津港、黃驊港、莊河港，近年來采取水上標(biāo)志數(shù)量不變、全部更換為冰期浮標(biāo)的布標(biāo)方案。四季通用冰區(qū)燈浮標(biāo)也適宜全面推廣，但不可避免地會(huì)在部分流冰嚴(yán)重或海冰易堆積的區(qū)域發(fā)生冰損。因此，應(yīng)同時(shí)做好應(yīng)急反應(yīng)的充分準(zhǔn)備工作。

在冰情嚴(yán)重的遼東灣水域，包括營(yíng)口港、錦州港、盤錦港、葫蘆島港，由于冰期特點(diǎn)，浮標(biāo)因浮冰碰撞、擠壓等而損毀，或被流冰覆蓋，造成可觀測(cè)助航時(shí)間有限，因此必須重視損毀后和不可觀測(cè)時(shí)段助航設(shè)施對(duì)船舶航行帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，可根據(jù)當(dāng)?shù)馗劭谥叫枰?、海冰特征和以往的冰損經(jīng)驗(yàn)，選取航道的關(guān)鍵點(diǎn)位和海冰對(duì)航標(biāo)影響較小的標(biāo)位設(shè)置四季通用冰區(qū)燈浮標(biāo)，剩余位置的燈浮標(biāo)仍需要撤除，并同時(shí)做好應(yīng)急反應(yīng)的充分準(zhǔn)備工作。endprint