公务船海上靠帮碰垫选型浅析

徐阳光 汤清之 何夏茵

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

引 言

随着社会的发展，人类进入了大规模开发利用海洋的时期，海洋在国家发展格局中的作用更加重要。我国是一个海洋大国，海洋强国是全面建设社会主义现代化强国的重要组成部分。当前我国的经济已发展成为依赖海洋的外向型经济，对海洋资源、空间的依赖程度大幅提高，如何有效地对海洋资源进行开发，保护海洋生态环境，维护国家海洋权益成为急需解决的问题。作为维护国家主权及海洋权利的重要执法力量的海警船和负责海上巡查执法及交通管制的海事巡逻船，对我国海洋经济的发展起着至关重要的作用。本文中所提及的公务船即为上述海警船和海事巡逻船的统称。

公务船在进行海上执法和巡逻时，经常会出现执法人员和巡查人员需要换乘至被执法船上进行执法，以及偶尔出现的在航中进行物资补给的情况，两船靠帮碰垫的选择对靠帮时的安全起着重要作用。

查阅相关文献，并没有相关公务船的海上靠帮碰垫选型的研究，仅郭志明、刘嘉贵提到在靠泊和靠帮时碰垫的使用，本文将通过总结其他船型目前关于碰垫选型的计算和研究，根据公务船靠帮的特点，给出公务船碰垫的选型计算方法。

图1 公务船靠帮

1 船舶靠帮碰垫选型研究现状

关于船舶靠帮时碰垫的选型，国内已经存在较多类似的研究，马晓阳、顾祖旭、谢家文和邬晓强均对碰垫的选型进行详细阐述。笔者认为，碰垫的选型主要是计算两船靠帮时的碰撞能量。有关碰撞能量的计算方法，国内也进行了较多研究，如：蒋丰和冯奇以及纪仁超利用数学模型试验的方法对碰撞能量进行计算；匡晓峰等提到利用物理模型试验方法对碰撞能量进行研究。

2 公务船靠帮碰垫的选型

2.1 公务船靠帮的特点

不同于液货船在海上船对船过驳作业有专门的OCIMF规则进行详细指导，而且在船对船靠泊前，会根据靠帮作业两船的具体参数进行计算和充分的准备，公务船在海上的靠帮具有以下特点：

（1）靠帮船舶的随机性。公务船在执法过程中，无法对靠帮船舶进行选择，根据任务需要，随时都可能会靠帮到其他船舶进行执法，在靠帮过程中，执法人员可能完全不知靠帮船舶的参数。

（2）靠帮海况的不确定性。公务船在执法过程中，无法对海况进行选择，那怕是海况不利于船舶靠帮，根据任务需要，也必须进行靠帮操作。

2.2 碰垫选型的计算方法

2.2.1 概 述

船舶靠帮时碰垫如何选型，主要关键点是计算靠帮时两船之间的最大碰撞能量，目前关于碰撞能量的方法主要有5种，分别为统计学方法、物理模型试验方法、数学模型试验方法，动力学方法和经验公式法。

此5种方法在前文碰垫选型研究现状中提及的研究中均有应用，其各自的特点如下：统计学方法的特点是需要对大量的实船靠帮时的碰撞能量进行统计，耗时较长，但是结果更加贴近真实的靠帮情况；物理模型试验方法和数量模型试验方法特点类似，均是通过模型试验的方法得出碰撞能量，结果比较接近实船靠帮的实际情况，但是需要预先知道靠帮船舶的所有总体和线型参数；动力学方法是利用能量守恒定律计算公式进行数学计算，计算方法简单且较为精确，仅需要知道靠帮船舶的总体参数，不需要知道靠帮船舶的线型；经验公式法的特点是更加简单直接，仅需要知道靠帮船舶的排水量即可快速得出碰垫的选型结果。

通过上述5种方法的特点可知，统计学方法仅适合在特定研究时进行应用；物理模型试验方法和数学模型试验方法适合特定船型碰撞能量的计算；动力学公式法和经验公式法适合工程实例时碰撞能量的计算。所以到目前为止，利用动力学方法和经验公式法进行碰撞能量的计算仍是应用最多的计算方法。

根据公务船靠帮的特点，并结合上述对5种碰撞能量计算方法各自特点的分析，本文采用动力学方法和经验公式法对公务船靠帮碰垫的选型进行研究。

2.2.2 动力学方法

动力学方法，究其原理就是能量守恒定理的简单应用，即是通过动力学公式计算靠帮时两船之间的最大碰撞能量，碰撞能量基本表达式

E

=

mV

/2，

m

为船舶质量，t；

V

为碰撞时的速度，m/s。

两船靠帮时，假定把被靠帮船舶称之为母船，靠帮船舶称之为子船，考虑其他因素的影响，总结目前国内利用动力学方法计算碰撞能量的算法，主要有《船舶设计实用手册》和《港口工程载荷规范》中提及的2种算法，具体表达式分别如下：

（1）根据《船舶设计实用手册》，碰撞能量的计算公式为。

式中：

E

为有效碰撞能量，kJ；

V

为两船相对靠泊速度，m/s，

V

推荐取值见表1；

K

为集中系数，通常碰撞点在

L

/4处，

K

≈0.5；

W

为船舶与船舶靠泊时的假想质量，t，见式（2）。

表1 不同排水量船舶的靠帮速度

式中：

W

、

W

为子，母船的假想质量，t，其中

W

=

W

+

W

及

W

=

W

+

W

；

W

、

W

是 子，母船的满载排水量，t；

W

、

W

分别是子船和母船的附加质量，t。附加质量

W

的表达式为：

式中：

ρ

为海水密度，1.025 t/m；

T

为船舶吃水，m；

L

为船长，m。

（2）根据《港口工程载荷规范》，将两船靠帮假定为船舶与码头之间的靠泊，则碰撞能量的计算公式可表示为：

式中：

E

为有效碰撞能量，kJ；

ρ

为有效动能系数，一般取0.7~0.8；

M

为子船的质量，t，按满载排水量计算；

V

为子母船靠近速度，m/s。

如果考虑靠帮时更多的影响因素，即碰撞位置、船舶周围水体的运动和船体变形的吸能对有效碰撞能量的影响，则式（4）可演变为式（5）：

式中：

M

和

V

意义同式（4）。

C

为子船水动力质量系数，常用表达式为

C

= 1 + 2

T

/

B

；其中：

B

为船舶型宽，m；

T

意义同式（1），如无可靠资料时，该系数可取1.3~1.8。

C

为偏心系数，表达式为

C

=

r

/（

r

+

l

）；其中：

l

为从碰撞点至子船重心的距离在母船纵向轴的投影长度，m；

r

为子船的纵向回转半径，

r

=（0.19

C

+ 0.11）

L

，式中

C

为方形系数；

L

为船长，m；

r

通常在0.2

L

~0.25

L

之间，一般取0.25

L

。船舶靠帮碰撞点示意见图2。

图2 船舶靠帮碰撞点示意

C

为柔性系数，意义为碰撞时因船体或码头变形吸收的能量，一般取0.8~1.0。

C

为泊位系数，一般取1.0。

根据上述两种算法计算出碰撞能量，然后根据下页表3配置合适规格和数量的碰垫。

2.2.3 经验公式法

经验公式法有多种不同的表达式，目前应用最广且被业内普遍接受的碰垫选型经验公式为OCIMF推荐的原油船海上靠帮时确定碰垫规格和数量的方法，表达式见式（6）：

式中：

C

为当量排水量，t；

W

为

A

船排水量，t；

W

为

B

船的排水量，t。计算出当量排水量

C

后，参照表2便可选取所需碰垫的规格和数量。

表2 根据当量排水量选取碰垫

2.3 碰垫的种类及特点

碰垫主要有固定式碰垫和漂浮式碰垫两种形式。根据目前的应用情况，船舶靠帮主要采用漂浮式碰垫，本章节主要对漂浮式碰垫的种类及特点进行分析和描述。漂浮式碰垫的种类主要有两种：一种是充气橡胶碰垫，另一种是实心泡沫碰垫。

（1）充气橡胶碰垫，又称充气护舷，是以压缩空气为缓冲介质，可以用于码头靠泊和海上靠帮时的安全缓冲装置。使用时，将其安装在码头与船舶或两船之间的空隙中，用以吸收船舶与码头或者船舶与船舶之间碰撞产生的能量。

充气橡胶碰垫按外部型式不同可以分为无护套式（见下页图3）和有护套式（见下页图4），主要区别是：有护套的充气橡胶碰垫在碰垫主体外部设有一层轮胎绳网或轮胎链条保护套，该层护套可以减少碰垫主体磨损，延长碰垫的使用寿命。

图3 无护套充气橡胶碰垫

图4 有护套充气橡胶碰垫

充气式橡胶碰垫的特点：

● 优点

质量轻、弹性好，不会在压缩的作用下产生永久变形；相较于普通的码头护舷，充气式橡胶碰垫吸收冲击能量大，对船舶反作用力小；可根据使用需求选择有护套式以增加碰垫的使用寿命。

● 缺点

需远离热源，不能与油脂、酸、碱和有机溶剂接触；需定期检查碰垫有无老化、损伤，并需经常进行维护保养，以延长其使用寿命；使用时会因过度挤压爆裂而发生危险事故。

充气橡胶碰垫的性能可以参见国家标准《GB/T 21482-2008船舶与海上技术充气橡胶靠球》，该标准中充气橡胶碰垫的规格和性能见表3。

表3 充气橡胶护舷规格和性能对照表

续表3

（2）实心泡沫碰垫，又称高分子碰垫，是利用高弹泡沫（EVA或聚乙烯）作为缓冲介质。该材料具有良好的缓冲、抗震、隔热、防潮、抗化学腐蚀、无毒和不吸水等优点，外层喷涂聚脲，能够防紫外线，防腐防水，同样可以用于船舶码头靠泊和海上两船靠帮时的缓冲吸能，减少船舶的反冲力。

实心泡沫碰垫按照外部型式也可以分为无护套式（见图5）和有护套式（见图6），区别同充气橡胶碰垫。

图5 无护套式实心泡沫碰垫

图6 有护套式实心泡沫碰垫

实心泡沫碰垫的特点：

● 优点

因其型式和材料特性，该类型碰垫防磨损，坚固耐用，无需充气和经常维护；与充气橡胶碰垫相比具有更好的吸能和更低的反作用力，慢回弹，更有利于船舶的缓冲；制作时无需模具，可以根据需求定制任意规格，也可以选择增加护套而更一步延长使用寿命；过度挤压时不会爆裂而产生危险事故。

● 缺点

高分子实心材料，较重且成本较高；长期使用后会因挤压而产生永久变形。

实心泡沫碰垫是最近几年出现的新型产品，尚无国家标准及行业标准，并且该形式的碰垫因其材料特性，可以根据需要的性能指标进行个性化定制，所以在具体选择时可以根据生产厂家提供的规格性能表进行选择。下页表4为某厂家提供的实心泡沫碰垫的尺寸和规格对照表。

表4 充气橡胶护舷规格和性能对照表

3 碰垫选型实例

本节分别以某型1 000 t船（

a

船）与某型5 000 t船（

b

船）靠帮，以及两艘相同型号5 000 t船（

b

）靠帮为例，进行碰垫的选型。

两型靠帮船舶的船型参数见表5。

表5 船型参数

3.1 a船与b船靠帮

3.1.1 动力学方法碰垫选型

利用前文中式（1）进行计算：

根据上表船型参数：

则式（7）中：

V

取0.4 m/s，

K

取0.5，计算碰撞能量为：

利用前文中式（5）进行计算：

根据表中船型参数，

a

船和

b

船吨位相差较大。选

b

船为被靠帮船，

a

为靠帮船，式中

M

取

a

船排水量，则

M

= 1 035 t；

V

取0.4 m/s；

C

、

C

此处均取1.0；假设靠帮碰撞点在船首0.25

L

处，回转半径为0.25

L

，则

C

= 0.5。根据

C

计算式，

C

= 1+πT

Lρ

/（4

M

）=1+π3.353.6

ρ

/（4×1 035）= 1.454，计算碰撞能量为：

根据以上计算，两种计算结果相差不大。根据公务船靠帮的特点，考虑靠帮时的安全，此时

a

船和

b

船碰撞能量选大者为60.196 kJ。

根据表3中碰垫性能参数，考虑2倍的安全系数，则可以选择2个1 200×2 000的低压碰垫，或2个1 000×2 000的高压碰垫，也可根据碰撞能量需求定制实心泡沫碰垫。

3.1.2 当量排水量法碰垫选型

根据前文公式（6）：

式中：

W

为1 035 t，

W

为5 200 t，则计算的当量排水量

C

= 1 726 t。

参照表2后得出，需要配置3个1 000×2 000低压碰垫。

3.2 b船与b船靠帮

3.2.1 动力学方法碰垫选型

利用前文中式（1）进行计算：

根据表5的船型参数：

则式（14）中：

V

取0.3 m/s，

K

取0.5，计算碰撞能量为：

利用前文中式（5）进行计算：

根据以上计算，两种计算方法所得碰撞能量相差较大，主要原因是式（1）通过假想质量的计算，考虑到两船舶碰撞时动能的折减，式（5）是将母船等效为码头，认为子船所有的动能均转换为碰撞能量，而该算例是两个吨位相同的船舶进行靠帮，根据物体碰撞原理，子船靠帮时的初始动能并不能完全转化为碰撞能量，所以该算例两船的碰撞能量选为82.395 kJ。

根据表3中碰垫性能参数，考虑2倍的安全系数，则可以选择2个1 350×2 500的碰垫，或2个1 200×2 000的高压碰垫，也可根据碰撞能量需求进行实心泡沫碰垫的定制。

3.2.2 当量排水量法碰垫选型

根据前文式（6）：

式中：

W

和

W

均为5 200 t，则计算的当量排水量

C

= 5 200 t，查表2后得出，需要配置3个1 500× 3 000低压碰垫。

3.3 两种碰垫选型方法比较

通过以上两个计算实例，可以得出，动力学方法和当量排水量法选取的碰垫规格上稍有区别，但是比较两种计算方法所选取碰垫总的吸收能量却相差不大。笔者认为主要原因是：当量排水量法选取碰垫是OCIMF推荐的快速选择碰垫的方法，无法对碰垫的规格选取进行详细的划分，算取当量排水量后只能从表格中选择对应的固定的碰垫规格；而动力学方法是通过计算碰撞能量，再根据碰垫性能标准进行选择，这样碰垫的规格就可以进行多种选择，既可以选择大规格少数量的碰垫，也可以选择小规格多数量的碰垫，能根据不同的设计需求灵活地选择碰垫规格和数量。

4 结 语

本文通过分析研究常用的靠帮碰垫计算和选型方法，根据文中提到的公务船靠帮时的特点，并结合计算实例得出：对于公务船，若仅知道两船吨位，需要进行碰垫初步选型配置时，建议采用经验公式计算和选型的方法；若需对靠帮碰垫选型进行更详细的分析时，建议采用碰撞能量公式计算和选型的方法。

最后，笔者根据自己对碰垫选型和不同情况下碰撞能量计算的理解，给出实际应用时碰垫选型及碰撞能量两个动力学计算公式选择以下建议：

（1）当靠帮两船载重吨位相差较大时，式（5）计算出碰撞能量较大，根据公务船靠帮时海况的随机性，出于安全考虑，建议选择式（5）进行碰撞能量的计算。

（2）当靠帮两船载重吨位相差不大时，根据物体碰撞原理，两船靠帮时，子船的动能并不能完全转化为碰撞能量，不必不切实际地选择式（5）进行碰撞能量的计算，所以建议选择式（1）进行碰撞能量的计算。

（3） 当公务船在海上进行紧急靠帮执法时，因目标靠帮船型参数未知，此时建议根据经验公式当量排水量法进行碰垫的快速选型计算。

（4） 根据充气橡胶碰垫和实心泡沫碰垫的特点，建议公务船的碰垫尽量选择实心泡沫碰垫；根据公务船靠帮船型的随机性，如果空间允许，建议公务船配置多种不同规格的实心泡沫碰垫以供选择。