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        關(guān)于5米燈浮標(biāo)被撞易翻覆問(wèn)題解決方案的探討

        2016-08-05 02:33:26張永輝廣州航標(biāo)處
        珠江水運(yùn) 2016年11期
        關(guān)鍵詞:改善改造

        ◎ 張永輝 廣州航標(biāo)處

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        關(guān)于5米燈浮標(biāo)被撞易翻覆問(wèn)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(lái)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(lái)往船舶較多,通航密度大,無(wú)形中增加了燈浮標(biāo)被撞事件的發(fā)生,本文通過(guò)查看該類(lèi)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(guò)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(shuō)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(lái),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(guò)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(guò)往船舶碰撞后翻覆的事故并不多見(jiàn)。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(guò)往船舶碰撞后傾覆高達(dá)2次。由于該類(lèi)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(guò)往船舶的安全航行帶來(lái)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(lái)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(mǎn)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(jué)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(lái),多次被撞傾覆,2014年至2015年兩年間,被過(guò)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(méi)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(guò)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(guò)尾筒和配重的調(diào)整來(lái)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(guò)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??紤]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(guò)螺栓均勻分布在尾筒的底部,改造效果圖見(jiàn)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(méi)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(xiàn)就是燈浮標(biāo)的浮標(biāo)水線(xiàn),由燈浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知,水線(xiàn)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(xiàn)以下部分排水體積力矩之和,即水線(xiàn)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(xiàn)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(guò)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(guò)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(xiàn)由原來(lái)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(xiàn)面交線(xiàn)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(xiàn)始終通過(guò)固定點(diǎn)M,則有:BM=I/ V1

        其中I=3.14×D4/64,是燈浮標(biāo)水線(xiàn)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(chēng)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(lái)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(guò)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(guò)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.

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