四季通用冰區(qū)燈浮標開發(fā)與應用淺析

王永利+何扶文

摘要：本文對北海海區(qū)冰情進行了簡要介紹，總結歸納了海冰對常規(guī)燈浮標以及航標管理工作的影響，在分析四季通用冰區(qū)燈浮標的性能要求和現(xiàn)有冰標的航標效能現(xiàn)狀的基礎上，指出了四季通用冰區(qū)燈浮標的研發(fā)思路和應用前景。

關鍵詞：四季通用冰區(qū)燈浮標 開發(fā) 應用

1 前 言

我國北方的冰凍港口，如營口港、秦皇島港、天津港等，受冬季海冰的影響，每年冬季冰期來臨前將常規(guī)燈浮標撤除或更換為冰期燈浮標，待春季冰期結束后，再重新設置或更換為常規(guī)燈浮標。對于冰凍港口的航標管理部門，每年春、冬兩季的換標作業(yè)是一項艱巨的任務。隨著振興東北老工業(yè)基地和發(fā)展天津濱海新區(qū)戰(zhàn)略的實施，遼寧沿海經濟帶、山東半島藍色經濟區(qū)、黃河三角洲高效生態(tài)經濟區(qū)也相繼上升為國家發(fā)展戰(zhàn)略，河北省也提出了建設沿海經濟強省的戰(zhàn)略目標，以濱海新區(qū)為龍頭的環(huán)渤海地區(qū)開發(fā)開放進入了新一輪的快速發(fā)展期，并已初步成為我國經濟增長的第三極?！笆濉逼陂g，丹東海洋紅港區(qū)、大連長興島港區(qū)、大連太平灣港區(qū)、盤錦港、錦州龍棲灣港區(qū)、葫蘆島石河港區(qū)、秦皇島山海關港區(qū)、唐山曹妃甸港區(qū)、天津南港港區(qū)、煙臺西港區(qū)、青島董家口港區(qū)、日照嵐山港區(qū)等十二大熱點區(qū)域有較大規(guī)模的港口建設規(guī)劃，“十二五”期間上述區(qū)域的規(guī)劃吞吐量增長多數(shù)在億噸左右。環(huán)渤海港口飛速建設，航標數(shù)量日益增加，春、冬季換標作業(yè)的壓力也將成倍增長。面對這一沉重的負擔，不能硬著頭皮走老路，而要在滿足港口發(fā)展需要的大前提下，轉變思想走出一條創(chuàng)新發(fā)展之路。當務之急是依靠科技創(chuàng)新，研發(fā)一款具備足夠的導抗冰性能且能夠長期持續(xù)發(fā)揮助航效能的通用燈浮標，即四季通用冰區(qū)燈浮標。這是擺在航標人面前的一個新課題。

2 北海海區(qū)冰情簡介

地球上各大洋海水平均鹽度為34.48‰，海水的冰點在-1.9℃左右。渤海及黃海北部地區(qū)恰好是北半球冰圈的最南端。整個黃渤海地區(qū)，遼東灣冰期最長，冰情也最嚴重，渤海灣次之，萊州灣最輕。每年冰期通常在11月底到次年2月底。其中1月至2月上旬，冰情較重，稱“盛冰期”。冬季黃渤海地區(qū)最常出現(xiàn)的冰情狀況是常冰年。由于寒潮侵襲造成的長時間持續(xù)低溫是我國近海海冰生成的主要原因，海冰形成后，伴隨著天氣回暖，氣溫和水溫上升，海冰也逐漸融解消失。因此，我國的海冰都是當年度生消的，無“二冬冰”及“多年冰”。

3 海冰對航標管理工作的影響

3.1 海冰對常規(guī)燈浮標的影響

進入冰期后，海面濺浪在燈浮標的鼓面、燈浮標架上積累凍結，浮標上部加重，嚴重時造成大的傾斜角，使其浸沒在水中，并可能造成燈器及供電系統(tǒng)損壞。隨著冰情的加重，浮冰厚度和面積逐漸增大，隨著風、潮流的影響來回移動，將燈浮標壓沒到水中，造成燈浮標架、燈器及供電系統(tǒng)損毀。嚴重時，受浮冰撞擊、擠壓、拖曳等作用力，燈浮標會發(fā)生移動離位，并可能造成沉沒、漂失。

3.2 海冰對航標管理工作的影響

由于自身的結構特點，常規(guī)燈浮標無法在冰期使用。因此，北海海區(qū)的冰凍港口在冰期來臨前普遍將常規(guī)燈浮標撤除或更換為具有一定抗冰性能的冰期燈浮標，俗稱冰標。冰標自2003年開始研制，2004年研制成功，后又歷經多年的不斷改進換代。目前，北海海區(qū)普遍應用的是Φ1.4m鋼質冰標。主浮體采用鋼質焊接結構組成，成雙錐型，分4個浮室，配重全部內置于浮體尾部。燈器透鏡選用耐低溫、高強度、高透光率的優(yōu)質PC材料，制作成扁平環(huán)狀結構，從而提高透鏡抗碰撞能力。燈器底殼采用鑄銅外殼，不僅有很好的耐腐蝕性，而且還有極強的硬度和韌性，受到撞擊時僅僅是表面有輕微劃痕而不易破裂，比常規(guī)燈器使用的工程塑料等其他材料外殼更適合于冰標。為解決冰標的供電問題，冰標使用鋰電池作為電源，其具有體積小、容量高、重量輕的優(yōu)點，可以直接安裝在燈器下面的電池倉內，平均可持續(xù)供電約5個月。在冰情嚴重的遼東灣水域的營口港、錦州港、葫蘆島港甚至僅將少量的常規(guī)燈浮標更換為冰標，剩余的大部分常規(guī)燈浮標全部撤除。冰期結束后，再重新設置或更換為常規(guī)燈浮標。

4 四季通用冰區(qū)燈浮標的性能要求

在非冰凍港口，因航標維護保養(yǎng)需要，常規(guī)燈浮標一般2-3年更換一次。而在冰凍港口，每年春、冬兩季均需要進行換標作業(yè)，換標作業(yè)頻率是非冰凍港口的4-6倍，極大地增加了航標養(yǎng)護成本。如果能夠在現(xiàn)有冰標的基礎上，研發(fā)一款具備足夠的抗冰性能、能夠長期持續(xù)發(fā)揮助航效能的燈浮標，就能最大限度地延長凍港口的換標周期，降低航標養(yǎng)護成本。根據(jù)1996年發(fā)布的《海區(qū)航標作業(yè)管理規(guī)則》要求，“標位準確、燈質正常、涂色鮮明、結構良好”是對視覺航標效能的基本要求。因此，四季通用冰區(qū)燈浮標的性能指標要同時滿足以下要求：

一是錨系系統(tǒng)具有較強的抓駐力，確保航標的位置穩(wěn)定性。

二是燈器具有較高的強度和導抗冰能力，防止冰標燈器損壞造成燈光熄滅。

三是供電系統(tǒng)要滿足長期供電的要求，確保航標燈器持續(xù)發(fā)光，理想情況是能夠提供2年以上的供電電量。

四是標體的顏色能夠經受流冰的摩擦和海水的侵蝕，并保證標志原有的涂色特征。

五是標體要具備較高的強度和導抗冰能力，確保標體結構的完好。

5 現(xiàn)有冰標的航標效能分析

當前普遍使用的Φ1.4m鋼質冰標，根據(jù)近年的應用經驗，從標位、燈質、涂色和結構四個方面進行分析，具體表現(xiàn)如下：

5.1 系留穩(wěn)定、標位基本正常

冰標系留系統(tǒng)普遍將傳統(tǒng)的4噸鋼筋混凝土沉石更換為重量更大、抓吸效果更好的5噸鑄鐵沉石，有效解決了冰標移位問題。除海冰堆積嚴重位置的個別冰標發(fā)生移位，絕大部分冰標能夠保持在設計位置。

5.2 燈器及供電系統(tǒng)相對穩(wěn)定

隨著冰標燈器設計的日趨合理，導抗冰性能逐漸增強，燈器損壞率下降。燈器外表面無棱角設計，便于流冰滑過。縮小燈器透鏡直徑和高度，減小冰撞擊概率。將光源、主電路板、通訊、供電區(qū)域分開密封，提高燈器密封性能。對燈器底座及螺栓進行了外形和強度改進加強。endprint

采用低能耗的LED光源和具有較大容量的低溫鋰電池，能夠為冰標燈器提供5個月的供電，滿足北海海區(qū)整個冰期使用，無法滿足四季通用的要求。

5.3 涂色變化、識別困難

由于冰標采用鋼制結構，表面涂刷油漆。受海冰的撞擊、摩擦以及海水的侵蝕，鋼質冰標存在油漆脫落，標體銹蝕的現(xiàn)象。在冰情嚴重的遼東灣海域，在冰期結束后，冰標油漆脫落殆盡、標體嚴重銹蝕的現(xiàn)象十分普遍，航標的涂色特征改變，無法滿足四季通用的要求。

同時，因海冰覆蓋，存在無法觀測識別冰標的問題問題。尤其是在冰情嚴重的遼東灣海域，進入盛冰期，海冰逐漸形成大面積的連片冰，冰標易被冰覆蓋，無法識別觀測，失去助航作用。一旦船舶偏離航道，還可能與船體發(fā)生碰撞或造成錨鏈攪纏螺旋槳，影響船舶航行安全。

5.4 導冰性能提升，結構基本正常

由于冰標標體的強化處理以及局部結構的平滑處理，使得冰標的導冰性能提升，更容易避開海冰的撞擊、擠壓，因此冰標標體無嚴重損壞的現(xiàn)象，基本滿足四季通用的要求。

6 四季通用冰區(qū)燈浮標的研發(fā)思路

根據(jù)現(xiàn)有冰標的航標效能情況，為滿足四季通用的要求，仍需要解決以下問題：

6.1 解決鋼質冰標油漆脫落的問題，確保航標的涂色特征

從目前的油漆產品和涂刷工藝看，經受海冰的撞擊和反復摩擦后，難免不發(fā)生脫落，造成航標顏色特征改變。因此，為保持航標的涂色特征，不能采用油漆涂刷工藝。2007年以來，北海海區(qū)引進了聚乙烯材質的芬蘭進口冰標，在營口港、秦皇島港和天津港進行了試用，從應用效果看，該冰標標體強度大、結構合理，導抗冰性能突出，且經歷整個冰期仍能夠保持顏色持久不褪色。借鑒進口芬蘭冰標的應用經驗，對冰標外部結構進行改進，采用高分子聚乙烯材料，材料配方自帶顏色，可保證不褪色，通過滾塑成型工藝，使標體強度提高，增加抗冰能力。

6.2 解決供電周期短的問題，確保航標效能持續(xù)發(fā)揮

目前，冰標鋰電池的設計供電周期為5個月。要達到2年的供電周期，一種方案是加大電池的容量，接近原有容量的5倍，并對冰標的內部結構和配重進行優(yōu)化設計;另一種方案是對在冰標上設計充電接口，在冰期結束后加裝太陽能極板。

7 四季通用冰區(qū)燈浮標的應用前景

在非冰凍港口，因航標維護保養(yǎng)需要，常規(guī)燈浮標一般2-3年更換一次。而在冰凍港口，每年春、冬兩季均需要進行換標作業(yè)，換標作業(yè)頻率是非冰凍港口的4-6倍，極大地增加了航標養(yǎng)護的成本。隨著四季通用冰區(qū)燈浮標的研發(fā)成功，冰凍港口的換標周期也將大大延長，航標養(yǎng)護成本也將隨之降低。因此四季通用冰區(qū)燈浮標具有廣泛的應用前景。

對于冰情較弱的萊州灣水域，包括東營港、濰坊港、萊州港等港口，四季通用冰區(qū)燈浮標可滿足標位準確、燈質正常、涂色鮮明、結構良好的管理要求，因此適宜全面推廣。在冰情較嚴重的秦皇島港、唐山港、天津港、黃驊港、莊河港，近年來采取水上標志數(shù)量不變、全部更換為冰期浮標的布標方案。四季通用冰區(qū)燈浮標也適宜全面推廣，但不可避免地會在部分流冰嚴重或海冰易堆積的區(qū)域發(fā)生冰損。因此，應同時做好應急反應的充分準備工作。

在冰情嚴重的遼東灣水域，包括營口港、錦州港、盤錦港、葫蘆島港，由于冰期特點，浮標因浮冰碰撞、擠壓等而損毀，或被流冰覆蓋，造成可觀測助航時間有限，因此必須重視損毀后和不可觀測時段助航設施對船舶航行帶來的安全風險，可根據(jù)當?shù)馗劭谥叫枰?、海冰特征和以往的冰損經驗，選取航道的關鍵點位和海冰對航標影響較小的標位設置四季通用冰區(qū)燈浮標，剩余位置的燈浮標仍需要撤除，并同時做好應急反應的充分準備工作。endprint