宁波港集装箱码头桥吊避让的相关研究(上)

文/ 宁波引航站 杨东晓 宣晓东

1 前言

随着全球经济的快速发展和一体化趋势的加剧，世界海运业，尤其是集装箱运输业在最近的十来年里得到了空前的发展。港口的规模和接卸能力不断扩大，运营效率不断提高。而集装箱船舶的大型化正是各船公司降低营运成本,增强竞争力的重要手段。就宁波港而言，引领的大型集装箱船在所引集装箱船中的比重逐年增加，已达到了70%左右。

显然，集装箱船舶的大型化以及船型的特殊性，大大增加了船舶靠泊的难度和风险。目前超大型集装箱船满载吃水超过15米，载重超过15万吨，船侧受风面积可达一万平方米以上。虽然大型集装箱船的主机马力可达10万匹，但船舶的惯性也大大增加，受到风、流等外力作用时，其影响更是呈几何级数递增。

为了增加装卸效率，提高码头竞争力，目前新建集装箱码头通常是一个泊位配4台桥吊，桥吊配置密度较高。在实际操作中，为了提高码头利用率，使船舶靠泊后尽早开始装卸作业，或是不影响相邻泊位的装卸作业，多台桥吊集中在一个泊位上等待大型集装箱船靠泊的情况非常普遍。由于桥吊外侧距船舷的距离仅有4～6米，如果一个泊位并排放置的桥吊过多，或是放置的位置不正确，那么靠泊船舶的船头稍有伸入，便会与桥吊发生触碰。

事实上，近年来各个港口大型集装箱船舶触碰桥吊的事故确是屡有发生，造成的损失也相当大，港口生产安全面临巨大的压力。经过深入调查，综合众多案例，可以看出该类事故的成因复杂、涉及面广，各个港口案例的特点虽不尽相同，但也有其共性。其中，桥吊放置不科学则是最直接最关键的原因。本文希望通过对这一问题进行深入、系统的研究，找出相关规律，提出桥吊安全放置的原则和相应的安全措施，为引航员、船长等操船人员和码头管理者提供参考意见，确保大型集装箱船舶的靠离泊安全。

2 相关定义和研究范围、方法

2.1 大型集装箱船舶的定义

从集装箱船舶触碰桥吊的的实际案例来看，事故和险情主要发生在船长200米以上的集装箱船上，故本文将200米以上的集装箱船定义为“大型集装箱船舶”。

2.2 研究范围

宁波港集装箱码头众多，自然条件复杂、多变，来港集装箱船舶的船型丰富、齐全、数量多，具有一定的代表性，因此本文将宁波港作为研究区域。

另外，由于集装箱船舶的靠泊风险要远远大于离泊风险，故本文将研究重点放在大型集装箱船舶的安全靠泊上。

2.3 研究方法

通过调查法、观测法等方法收集大量大型集装箱船舶、各集装箱码头及设施的相关数据，对大型集装箱船舶与码头、桥吊的静态空间关系进行研究，结合引航实践经验，进行定量和定性的分析，找出相应的规律，最终提出防止大型集装箱船舶触碰桥吊的相关观点和安全措施。

3 大型集装箱船舶的船型特点和危险触碰区

由于装载和快速营运的需要，大型集装箱船舶船体型线设计有其显著的特点，全船细长，艏艉尖瘦、底部削进，平行中体极短，有的甚至无平行中体。具体有如下一些特点：

（1）船型狭长，方型系数小，长宽比（L/B）一般在7-8左右。

（2）船首、船尾部分船体的垂向弧线变化剧烈，呈现“V”型，主甲板宽，往下异常削进。

（3）船体纵向平行水线长度短。以船长397米的“爱玛·马士基”为例，该船在空载状态下平行水线长度不足80米，真正能靠在码头上的部分不到船长的五分之一 (见图1) 。

（4）船体干舷高，主甲板高度普遍大于9米，远高过相应的码头水平面。

图1 “爱玛·马士基”系泊码头状态

以上船型特点使得大型集装箱船在靠泊时与码头不能有较大的角度，否则船身、特别是船头主甲板以上船体部分极易伸入码头前沿内，触碰桥吊等码头设施。从已有案例来看，大型集装箱船的船首肩部（shoulder）和船尾是船体的危险触碰区，这是大型集装箱船舶的船型所决定的。

如图2所示：船体B点处虽然已与码头碰垫接触，但船首肩部主甲板以下部位A点处由于船体削进，船体距离碰垫尚有一段距离，当船舶与码头有一定的角度，或是船体有一定往里的转头角速度时，船首肩部便会深入码头垂直面，与码头上的桥吊发生擦碰。

图2 大型集装箱船舶的危险触碰区

由上可见，在静态条件下，大型集装箱船舶触碰桥吊等码头设施与以下三个因素有关：

（1）船舶靠泊角度

（2）船型

（3）码头桥吊的位置

以上三个因素之间是互相影响，互相制约的。

从理论上来讲，只要每次都做到平行靠泊，大型集装箱船舶触碰桥吊的事故就不会发生。但是船舶操纵会受到风、流、拖轮配合等各种内外因素的影响和制约，存在着种种困难，因此在贴拢码头的瞬间通常很难完全平行，往往存在着一个靠泊角度。在有效靠泊长度很短的情况下，由于存在靠泊角度，因此船头（或船尾）部分的船体也必往码头方向探进一定的幅度，存在碰撞桥吊的危险。因此，这种靠泊角度应该控制在一定的安全范围内。据相关资料显示，在各个码头的设计规范中允许靠泊角度小于5度。我们在要求操船者提高操纵技术尽可能平行靠泊的同时，更是要根据不同船型在靠泊前合理放置集装箱桥吊，为安全靠泊创造良好条件。

4 大型集装箱船舶的平行水线和靠泊平行线

平行水线较短是大型集装箱船舶与矿船、油轮等船舶在船型上最大的区别。从船舶靠泊操纵的要求出发，船舶的平行水线越长越好。因为平行水线越长，船体同时靠上的碰垫就多，吸收的船体动能就更均匀，减少船体对码头的冲击力，也更有利于稳泊。

另外一个更重要的原因是：船舶平行水线越长，船舶两端舷侧船壳贴靠码头碰垫的概率也就越高，受碰垫保护，防止触碰事故的发生。如图2，如果该船A点处船体是处于平行水线内，则船体就会先接触到碰垫，从而避免触碰码头和桥吊。

在船舶资料里一般可以查到或测量出各种吃水情况下对应的平行水线长度，吃水越大，平行水线也就越长。该“平行水线”往往位于碰垫以下，在大潮汛高潮时会接近或略微高于碰垫中心。对靠泊安全起重要作用的是“靠泊平行线”。“靠泊平行线”是在碰垫中心位置船体平行靠上碰垫的最大可能长度，相当于增大了相应吃水的平行水线（当碰垫中心在水线以下则相反）。低潮时的靠泊平行线要明显长于高潮时的靠泊平行线。而对靠泊真正有效的则是船舶实际靠上的碰垫间的最大距离，我们称为“碰垫间有效靠泊长度”。显然，由于碰垫间距的存在使得“碰垫间有效靠泊长度”要小于靠泊平行线的长度。见图3所示。

图3 大型集装箱船舶的平行水线和危险触碰区

4.1 满载和压载时的平行水线

以下是根据船方提供的相关图纸和数据，通过相应测量和计算收集的满载和压载时的平行水线资料：

表1 各种船型的满载和压载时平行水线资料

根据以上收集的船舶资料，通过分析，可见平行水线部分占船长的比例甚小，并且船舶压载时与满载时的差异非常大，压载时大型集装箱船舶的平行水线长度不到船长的1/4，而满载时可以接近船长的1/2，两者取平均值，即：(46.77%+21.30%)/2=34.03%，约等于船长的1/3。根据研究对象船长分布，我们大致可以认为大型集装箱船舶的平行水线长度其模糊平均值约等于船长的1/3。同时，就上表中的统计数据我们也可以看出很多集装箱船在压载时平行水线长度都远远要小于满载时的平行水线长度，两者比例最小的连1/4都不到，通过计算平均为46.09%，不到1/2。

4.2 实测时平行水线长度与碰垫间有效靠泊长度

由于集装箱码头的碰垫距离水线往往有一定的高度，因此，船舶的靠泊平行线要高于并长于平行水线，但碰垫间有效靠泊长度通常要比平行水线小。

以下是通过实船靠泊时收集的平行水线和测量的碰垫间有效靠泊长度数据，如表2所示：

表2 实测时碰垫间有效靠泊长度表

上表中大部分数据通过实际观测得到，观测基准点在碰垫上边缘，而碰垫上边缘到碰垫中心以及碰垫中心到水线都存在着一定的距离，另外当碰垫跟船体实际尚未靠上，但间距已很小时，我们就当已靠上碰垫来进行处理，因此部分通过目测得到的平行水线和碰垫间有效靠泊长度会大于实际值。因此，同样的船舶同样的装载若在大潮汛高潮时靠泊，有效靠泊长度将明显小于上表的统计值。所以，该表中大型集装箱船舶的平均平行水线长度占船长的百分比（43.52%），虽然要大于平均碰垫间有效靠泊长度占船长的百分比（41.19%），但二者均要大于之前得到的平行水线长度占船长百分比的模糊平均值34.03%。

5 有效靠泊横距

船舶与码头集装箱桥吊之间的横距是大型集装箱船舶安全靠泊的重要的静态空间关系之一。从船舶操纵的角度出发，横距越大，船舶触碰桥吊的几率就越小，船舶和桥吊就越安全。靠泊横距与码头结构、桥吊部件和碰垫相关。如图4所示：

图4 码头及桥吊侧面示意图

图中的字母分别表示以下意义：

A: 桥吊舷侧垂直部分高度

B: 内倾角

C: 桥吊轨道中心至码头前沿距离

D: 碰垫中心至码头平台顶面距离

E: 碰垫厚度

F: 电缆及其支架外侧至桥吊轨道中心距离

G: 码头标高(吴淞高程)

宁波港各集装箱公司码头的相关数据如下表3：

表3 宁波港各集装箱公司码头、桥吊、碰垫数据 单位：米

碰垫间隔13 16 20 20 18碰垫受力变形参数吸能764KN. m 52.5%变形反力1392Kn吸能1192KN. m 52.5%变形反力1872Kn吸能1250KN. m 52.5%变形反力1675Kn吸能1250KN. m 52.5%变形反力1675Kn吸能1552KN. m 52.5%变形反力2430Kn

大型集装箱船舶靠拢码头后，船体靠码头一侧距集装箱桥吊的距离，也就是静态的靠泊横距，设为W0，则W0=C+E-F。由于风流的存在和大风浪恶劣天气作业的困难以及拖轮配合不到位等等危险因素的存在，使得集装箱船舶在贴拢码头的时候速度可能较快，这时在碰垫的阻挡作用以及船体运动的惯性和吹拢风的共同作用下产生一个船体内倾的力矩，使得碰垫以上船体横倾压向码头吊机方向，在一定高度上可以达到较大的幅度。同时，由于碰垫是有弹性的，故在大船有一定速度贴靠时碰垫还存在一定的压缩进位。因此要研究大型集装箱船触碰桥吊问题还应考虑到以下两个因素：

（1）船舶贴拢码头时对碰垫的作用力，使碰垫出现一定的压缩进位。

由于考虑存在靠泊角度而碰垫间又存在一定间距，则极可能是某一个碰垫先受力并受力达到最大，因此碰垫的压缩进位可能会接近极值。表3中有碰垫受力变形参数，是以变形52.5%为参考点。我们不妨取50%和40%作为压缩的幅度。这样，各个码头碰垫压缩进位分别为：

表4 各码头碰垫压缩进位 单位：米

若以靠泊角为3度和5度进行简单估算，假设在第一个碰垫受到压缩后船体基本保持该角度并能碰到第二个碰垫时，需压缩进位K（θ）米，则：

表5 K（θ）表 单位：米

可见各个K(5)值均远大于对应的50%和40%的压缩进位；而K(3)值基本接近对应的50%的压缩进位（除招商明显偏低些），但K(3)值均已大于40%的压缩进位，所以我们原先设定“这第一个碰垫先受力并受力达到最大，而碰垫的压缩进位可能会接近极值”完全是成立的。

考虑到实际靠泊时船体在碰垫压缩进位的瞬时一方面存在碰垫的反弹力矩但另一方面可能还存在着流等外力造成的较强转船力矩，并且两个力矩方向完全可能相反（如顶风顺流靠泊），也可能船体本身还存在着偏转的惯性，所以在碰垫压缩的瞬间船体如何偏转很难确定；若角度较小，则第二个碰垫也将发挥一定的作用，所以在这里我们综合考虑，取方便并有利于问题研究的合适值，即40%的压缩进位。

（2）由于存在惯性，加之大型集装箱船舶的干舷较高，船体贴拢碰垫时往往会存在一个向里的内倾角。当空船和装箱重心较高时，这种现象尤为明显。

由表3可知各个码头碰垫中心高程（G－D）分别为：

表6 各码头碰垫中心高程 单位：米

按照宁波港各码头大潮汛高潮时潮高基本4米左右来看，碰垫中心平时基本都应该在水线之上，但最高水位基本接近或略微高于碰垫中心。由于大型集装箱船舶压载时干舷较高，而装箱时箱位很高。图4中A>15m，D值范围为（2.3～3.2）米，则（A+D）>(17.3～18.2)米。根据统计，大型集装箱船干舷大多低于此值，350米长度以上船型在压载时会超过但也接近于此值。详细分析如下，

表7 型深表 单位：米

根据上表7对若干船型的型深统计：考虑到不同船型在压载时吃水也各不相同，但总体随船型的增大而增大，若凭经验取一均值7米计，则平均干舷高度大约为24.25－7=17.25（米）。

若干舷低于此位置，由于往往上部有装箱则高度也超过此位置。若干舷高于此位置，则由于内倾的存在而位置越高压进幅度越大，但相应由于吊机脚架在这个位置以上的内倾角B≥ 5°，也基本可以抵消船体可能内倾的角度。所以，综合大型集装箱船舶的型深数据和吃水情况，我们为方便研究计算，可以统一选取A+D这个高度并取值18米作为一个危险碰撞点进行研究。

大型集装箱船舶在贴拢碰垫时由于惯性和不平衡力矩的存在而造成的内倾幅度有大有小，以轻载和装箱重心较高时为大。根据经验，我们不妨取一个适中值1.5度进行研究，设在桥吊A+D为18米这个危险位置船体内倾幅度为N，则：

大型集装箱船舶发生触碰桥吊事故时往往有着较大的靠泊角度和横移速度，上述这些因素对安全横距所造成的影响是完全有可能的。从安全、保险的角度出发，在研究时应该把上述影响考虑在内，即在静态的横距数据中将相关的损失减去，得到各码头最终的有效靠泊横距W=C+60%E－F－N，具体如下表8：

表8 宁波港各集装箱码头的有效靠泊横距 单位：米

6 桥吊距船首、船尾的安全距离

从各大集装箱港口的经验和普遍做法来看，大型集装箱靠泊码头时，将桥吊从拟靠泊位的船首、船尾处移至船舶中部已成为避免船舶触碰桥吊的有效方法。但桥吊距船首、船尾多少米才是安全距离，尚未有统一的定论。

6.1 桥吊距船首、船尾安全距离的考虑因素

确定桥吊距船首、船尾安全距离应综合考虑以下因素：

（1）大型集装箱船舶的靠泊角度θ

从大型船舶靠泊的普遍安全规范来看，船舶靠拢角度 5°被认为是可以接受的极限角度。如果靠泊角度大于5°且有一定的横移速度，那么碰撞被认为几乎是不可避免的，在这种情况下，船舶不是碰桥吊，就是碰码头。因此，本研究以5°为限，将5°以内的角度作为正常靠泊角度，并分别取值3°、4°、5°展开研究。

（2）船首、船尾距有效碰垫的距离P

由于宁波港各集装箱码头的碰垫之间有13～20米不等的间隔，因此船舶实际平行水线的端点很可能不是正好在碰垫上，而是位于两个碰垫之间。为了方便研究，取平均值8米作为可能损失的实际靠泊平行线长度。因此，船首、船尾离有效碰垫可能距离：

P=船首（尾）离平行水线距离+8（米）。

（3）有效靠泊横距W

宁波港各集装箱码头的有效靠泊横距如表8所示。