减摇鳍、减摇水舱在恶劣海况救助中的应用

北海救助局 周元波



减摇鳍、减摇水舱在恶劣海况救助中的应用

北海救助局 周元波

摘要：针对恶劣海况对专业救助船舶迅速出动及现场作业的不利影响，结合实际救助作业体会，探讨新型救助船舶减摇鳍和减摇水舱的组合使用方法，创造相对平稳的救助作业环境，保证救助船舶快速抵达、安全作业，提高救助效率。以“北海救117”轮的减摇装置为例，分析装置的组成、工作原理和锚泊、航行、现场救助作业等几种状态下的船舶减摇方法和效果，以实现合理应用减摇鳍和减摇水舱，改善航行与救助作业环境，达到科学救助、安全救助的目的。

关键词：专业救助；减摇鳍；减摇水舱；科学救助

进入新世纪以来，我国海洋事业取得长足进步，生产方式日益丰富，船舶制造技术发展突飞猛进。海洋运输、油气勘探开发、海洋渔业、沿海养殖、私人游艇等涉海产业均呈现出井喷发展态势。与此同时海洋环境、海上生命财产所面临的风险也日益严峻。自2003年救捞体制改革以来，海上救助力量实现了跨越式发展，专业救助船舶基本实现了更新换代，在提高功率的同时也完善了装备，凸显了国家对保护海洋环境、保护海上生命财产安全的重视。新型专业救助船舶服役以来，经历了大风浪的考验，取得了卓有成效的成绩。

一、中国主力救助船舶减摇方式简介

（一）中国救捞系统主力救助船舶介绍

目前，9 000 kW专业救助船是我国救助系统中的主力船型，近10年来在海难救助当中发挥了重要作用，其性能得到充分的考验。该型救助船舶均装配有两台瓦锡兰9L32型主机、两台轴带发电机、三台艏艉侧推、双可变距螺旋桨、双舵机，配备了减摇鳍和减摇水舱，具有良好的耐波性和抗风浪能力。9 000 kW救助船舶自首制船到目前最新船舶，减摇鳍由前收式到后收式，减摇水舱由压缩空气控制到液压控制，型号有一定的变化，但原理基本 相同。

（二）“北海救117”轮减摇装置介绍

1.“北海救117”轮减摇鳍介绍

“北海救117”轮是新一代9 000 kW专用救助船舶的代表，该轮减摇鳍是中船704研究所生产的JQA-7型，属后收式减摇鳍装置。减摇鳍主要由机械设备、液压机组及控制系统等组成，如图1所示。

（1）减摇鳍结构组成。

①机械设备（含鳍箱、执行机构、鳍等）：机械设备主要由鳍箱、十字头、收放油缸、转鳍油缸、鳍轴和鳍组成，是具有相当精度的机械液压组合体；其功能是收放鳍、转鳍和反馈鳍角信号，将鳍上产生的升力传给船体。

②液压机组：由电机、液压泵、油箱、电液伺服阀和一些液压元器件等组成的高度集成化的液压动力源。主要功能是按控制信号的要求，快速响应，为转鳍油缸提供压力泊。主泵发生故障时，可用应急电动泵将鳍收进船内，全船失电时，还可用手摇泵收鳍。各一个）、控制箱、操作面板等组成。a.操作面板能操纵减摇鳍系统工作，具有鳍角、装置工况显示及综合报警功能；b.启动箱上有遥控选择开关、启停本机组的按钮，鳍角、装置工况显示，分项报警指示灯及蜂鸣器等，各分项报警信号及鳍角信号以通信方式（经隔离处理）送集控室；c.控制箱内有陀螺仪、可编程控制器（PLC）、电源模块、伺服放大模块、综合模块等元器件，它能检测船的横摇角速度信号，并处理、放大此信号，与反馈信号构成闭环自动控制系统，并能使减摇鳍系统按设定的程序工作。

（2）减摇鳍的工作原理。

本装置含一对收放式鳍，分别安装在船舯附近同一横剖面两舷的鳍箱内。船在航行时启动装置后，鳍从鳍箱内放出，当波浪力矩作用在船上时，船将产生横摇角，减摇鳍装置中的角速度陀螺仪测得横摇角速度，经处理形成转鳍指令信号，同时船的航速信号也被引入减摇鳍装置控制系统中，经处理输出鳍角指令，经由伺服放大器、电液伺服阀、柱塞变量泵、转鳍油缸和油泵反馈装置、鳍角发送器一起构成的转鳍伺服系统，控制鳍角随指令转动。在水流的作用下，左右鳍上产生大小基本相等、方向相反的升力，对船形成一个稳定力矩以抗衡波浪力矩，从而减小船的横摇角。不需减摇鳍工作时，鳍能收入两舷的鳍箱内（如图2、图3所示）。

图1 减摇鳍系统框图

图2 减摇鳍原理方框图

图3 减摇鳍功能流程图

（3）减摇鳍的功能和适用环境。

减摇效果和适用海况：该装置在6级海况、15 kn航速、横浪下工作时，船的平均剩余横摇角单幅值不大于5°；在9级海况下能安全使用。

自动保护功能：①该装置在不工作或发生故障时（非液压系统失压），鳍可自动归在±3°之内，并收鳍、锁紧、停机；②该装置在鳍角超限、油温过高时发出报警信号，自动归在±3°之内，并收鳍、锁紧、停机；③该装置在油箱油位过低、补油压力过低时立即自动停机，并发出报警信号；④船速降低到6 ±1 kn时，装置自动报警、收鳍、锁紧、停机；⑤电动机过载故障报警显示。

2.“北海救117”轮减摇水舱简介

“北海救117”轮的减摇水舱是由日本STABILO公司生产的可控被动式减摇装置。该型减摇水舱是有效利用水舱里的液体从高位流到低位的自然原理，以减少船舶横摇运动为目的而设置的装置。

（1）减摇水舱的组成。

减摇水舱（A.R.T.）主要由以下几部分组成，如图4所示。

（2）该型减摇水舱工作原理。

当船的横摇运动固有周期与重复碰上的波浪周期接近或相同时，船舶的摇摆角度将达到最大。这个原理和以下例子相同，在抗眩晕浪木上训练时，人员的前后摆动可以使静止的浪木摆动起来，相同频率节奏下，随着人员的持续动作，浪木的摆动幅度越来越大。相反，如果浪木上的人员动作时机比浪木的摆动周期岔开半个周期，浪木的摆动将会变小，甚至使浪木完全静止，这与荡秋千的原理也完全相同。可控被动式减摇水舱工作原理就是把上述的船上人员换作液体，巧妙地利用这种液体流动的时间和力矩，来减轻船的摇动。船的一次横摇周期用360°角度来表示时，船的摇动起始点总是比波浪遭遇点滞后90°的角度，这种现象的反复出现会加剧船的横摇。如果减摇水舱中液体的固有周期和船的横摇周期相同的话，减摇水舱中液体的移动起始点将一直比船的摇动起始点滞后90°的角度。这就意味着减摇水舱中的液体移动起始点总是比引起船舶横摇的波浪起始点滞后180°角度。因此，减摇水舱中的液体移动力矩和波浪力矩总是相反，互相抵销，所以船舶横摇得以减小，如图5、图6 所示。

可控被动式减摇水舱的最关键技术在于周期的调节，如何将减摇水舱的周期调至与船舶横摇周期一致是减摇水舱设计成败的决定因素，如果这两个周期不一致，减摇水舱的减摇效果很差，甚至还会产生增摇。目前，可控被动式减摇水舱的周期调节方式主要有两种：一种是气道控制式，道控制式。气道控制式，它是通过水舱顶部空气道控制水舱内可压缩性气体的流动，实现间接对舱内液体流动的控制；水道控制式是通过改变设置在底部液体通道中挡板的位置来改变液体通道的面积，从而改变减摇水舱的固有周期。由于空气的可压缩性，采用气道控制难以做到精细化调节，而水道控制式由于液体没有压缩性，可以做到精准控制。“北海救117”轮的减摇水舱兼具气道和水道控制，具有精准控制的能力。

（3）减摇水舱的功能及适用条件。

①本船减摇水舱适用航速0～7 kn，在7 kn以下航速时能达到40%～60%的减摇效果。

图4 减摇水舱布局及实物图

图5 减摇水舱作用原理曲线图

图6 减摇动作示意图

②当船舶的横摇周期和装置固有周期一致时，能发挥最佳减摇效果。对船舶的横摇周期，该装置会自动选择最适合装置的固有周期，在7.6～13.5 s的范围内发挥有效作用，装置保有5种水舱固有周期，如图7所示。

图7 固有周期表

③结合本船的平均横摇周期，能够随时得到最佳减摇效果。减摇装置能自动地从已设定的5种水舱固有周期内选择最合适的一个固有周期控制液体流动。

二、减摇鳍与减摇水舱在救助中的应用

1. 科学应用减摇鳍与减摇水舱

（1）恶劣天气锚泊待命时使用减摇水舱，能够有效减小船舶横摇，创造一个较为平稳的训练值班环境，为应对突发事件做好准备。

（2）海上救助往往要求船舶快速到达事故现场，并尽快展开救助作业，这就要求在航行途中做好救助准备工作。而海上事故险情往往是由恶劣海况导致，因此前往施救的船舶也经常处于恶劣的环境之中：横摇、纵摇、颠簸上浪……。综合各方面考虑，船舶可以在正常航行后开启减摇鳍，将横摇角度大幅度降低，在保证快速性的同时也可以实现救助准备工作的安全展开。

（3）现场救助作业期间启用减摇水舱可最大程度创造安全工作环境。海上救助作业，往往需要使用克令吊配合救生吊篮对难船人员进行转运、救助艇收放作业。如果船舶大幅度横摇，将给克令吊操作和吊篮定位造成困难，危及到被救人员，严重时甚至导致克令吊损坏。同样，船舶的横摇也对救助艇的安全收、放带来很大风险和困难。这种情况下开启减摇水舱能够有效降低横摇幅度，再结合船舶合理操纵，最大限度减小狂风巨浪的影响，对成功救助有至关重要的作用。

（4）减摇水舱与减摇鳍联合应用。根据特殊的作业环境，可以将减摇鳍与减摇水舱转到联合应用模式，在此模式下船舶根据航速等信号自动开启减摇水舱和减摇鳍，即在航速低于7 kn时开启减摇水舱，同时关闭减摇鳍，航速高于7 kn时则相反，在全航程交替使用减摇鳍与减摇水舱，使船舶得到良好的航行条件。

2. 减摇水舱在救助作业中的应用实例

（1）案例1：紧急救助受伤渔民。

海况：东北风7～8级，浪高4 m。

险情：渔民作业时腿被绞车卷入，导致骨折，急需救治。

我轮全速驶往现场。抵达后若我轮保持船首迎风浪以保持稳定，则渔船也必须迎风浪傍靠我轮。恶劣的气象条件和海况导致渔船上下颠簸，无法安全顺利转移伤员。我轮只有横风浪以提供一下风舷供其安全靠泊。但是受救助船舶结构特点（首部建筑多）和船舶尺度（船长不及百米）所限，我轮横风浪时本身横摇剧烈，也给被救船舶傍靠带来危险。这种情况下我轮充分利用减摇水舱的作用使船舶保持一个较小的横摇，保证了伤员的安全顺利 转移。

（2）案例2：翻扣渔船作业。

海况：受涌浪影响，船舶在低速航行状态时摇摆剧烈。

险情：渔船翻扣，内有幸存者。

某轮接救助指令，一渔船翻沉于连云港以东的南北航线附近。抵达现场后放艇登上翻扣渔船，探测到有幸存者。我船采取措施将其固定舷侧进行破拆船壳救人动作。当时东北风5～6级，风浪虽不大，但是受东南涌浪影响，我船横摇幅度较大，为救助作业带来危险。因此开启减摇水舱以减小横摇，保证作业安全。经全力抢救，成功救出困在舱内30多个小时的幸存者。

3. 减摇鳍与减摇水舱应用注意事项

（1）减摇水舱水量应严格按照设备规范要求添加，过多或过少都会影响减摇效果。

（2）在拖航作业时禁止使用减摇水舱。因为在该种作业情况下，船舶由于受到额外拉力作用的影响，摇晃会偏离设定的控制范围，有可能造成摇晃叠加，起到负面作用。

（3）在复杂海区，如养殖区、渔网较多的区域航行，尽量不启用减摇鳍，防止发生缠绕等意外事故。

三、结束语

设备精良、技术精湛是时代的要求。海上救助险情复杂多样，在救助工作当中必须不断汲取教训，总结经验，摸索现场作业规律，让先进的设备发挥最大作用。坚持科学救助的理念，降低安全风险，提高救助成功率。

DOI：10.16176/j.cnki.21-1284.2016.02.008