徐陽光 湯清之 何夏茵

（中國船舶及海洋工程設計研究院 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社會主義現(xiàn)代化強國的重要組成部分。當前我國的經(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，維護國家海洋權益成為急需解決的問題。作為維護國家主權及海洋權利的重要執(zhí)法力量的海警船和負責海上巡查執(zhí)法及交通管制的海事巡邏船，對我國海洋經(jīng)濟的發(fā)展起著至關重要的作用。本文中所提及的公務船即為上述海警船和海事巡邏船的統(tǒng)稱。

公務船在進行海上執(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。

查閱相關文獻，并沒有相關公務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，本文將通過總結其他船型目前關于碰墊選型的計算和研究，根據(jù)公務船靠幫的特點，給出公務船碰墊的選型計算方法。

圖1 公務船靠幫

1 船舶靠幫碰墊選型研究現(xiàn)狀

關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：蔣豐和馮奇以及紀仁超利用數(shù)學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 公務船靠幫碰墊的選型

2.1 公務船靠幫的特點

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，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備，公務船在海上的靠幫具有以下特點：

（1）靠幫船舶的隨機性。公務船在執(zhí)法過程中，無法對靠幫船舶進行選擇，根據(jù)任務需要，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，主要關鍵點是計算靠幫時兩船之間的最大碰撞能量，目前關于碰撞能量的方法主要有5種，分別為統(tǒng)計學方法、物理模型試驗方法、數(shù)學模型試驗方法，動力學方法和經(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用，其各自的特點如下：統(tǒng)計學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，結果比較接近實船靠幫的實際情況，但是需要預先知道靠幫船舶的所有總體和線型參數(shù)；動力學方法是利用能量守恒定律計算公式進行數(shù)學計算，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果。

通過上述5種方法的特點可知，統(tǒng)計學方法僅適合在特定研究時進行應用；物理模型試驗方法和數(shù)學模型試驗方法適合特定船型碰撞能量的計算；動力學公式法和經(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，利用動力學方法和經(jīng)驗公式法進行碰撞能量的計算仍是應用最多的計算方法。

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

2.2.2 動力學方法

動力學方法，究其原理就是能量守恒定理的簡單應用，即是通過動力學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，總結目前國內(nèi)利用動力學方法計算碰撞能量的算法，主要有《船舶設計實用手冊》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，對船舶反作用力小；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準《GB/T 21482-2008船舶與海上技術充氣橡膠靠球》，該標準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，尚無國家標準及行業(yè)標準，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，兩種計算結果相差不大。根據(jù)公務船靠幫的特點，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，動力學方法和當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，算取當量排水量后只能從表格中選擇對應的固定的碰墊規(guī)格；而動力學方法是通過計算碰撞能量，再根據(jù)碰墊性能標準進行選擇，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)不同的設計需求靈活地選擇碰墊規(guī)格和數(shù)量。

4 結 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)文中提到的公務船靠幫時的特點，并結合計算實例得出：對于公務船，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，給出實際應用時碰墊選型及碰撞能量兩個動力學計算公式選擇以下建議：

（1）當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） 當公務船在海上進行緊急靠幫執(zhí)法時，因目標靠幫船型參數(shù)未知，此時建議根據(jù)經(jīng)驗公式當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，建議公務船的碰墊盡量選擇實心泡沫碰墊；根據(jù)公務船靠幫船型的隨機性，如果空間允許，建議公務船配置多種不同規(guī)格的實心泡沫碰墊以供選擇。