具有起吊功能的淺吃水型航標(biāo)作業(yè)船方案設(shè)計

曹 陽，王如政（北海航海保障中心，天津 300220）

一、引言

“十四五”時期，我國的港口建設(shè)和航運事業(yè)又將迎來新一輪發(fā)展，而港口作為多種運輸方式的交匯點，對國內(nèi)經(jīng)濟和對外貿(mào)易有著重要的作用。航標(biāo)作為港口建設(shè)中不可或缺的助航設(shè)施，為船舶的進(jìn)出港提供了便捷的助航服務(wù)。作為航標(biāo)管理的基礎(chǔ)性裝備，航標(biāo)作業(yè)船舶的功能定位是否先進(jìn)、實用、全面，將直接影響航標(biāo)管理的工作質(zhì)量和服務(wù)效率。

二、現(xiàn)有航標(biāo)作業(yè)船存在的問題

目前海事系統(tǒng)航標(biāo)作業(yè)船舶主要分為1 700~2 000噸級大型航標(biāo)作業(yè)船、800~1 200噸級中型航標(biāo)作業(yè)船、400噸和150噸級小型航標(biāo)巡檢船及17米級航標(biāo)巡檢艇。800噸級以上大、中型航標(biāo)作業(yè)船總長約62~73 m，型寬12~14 m，吃水3.5~4.1 m，航速約14 kn，一般設(shè)有航標(biāo)起重機、沉石錨鏈絞車等專用作業(yè)設(shè)備，主要負(fù)責(zé)轄區(qū)燈浮標(biāo)起吊、撤除、更換等航標(biāo)作業(yè)任務(wù)；400噸級以下小型航標(biāo)船，主要負(fù)責(zé)航標(biāo)巡檢、島嶼補給等工作任務(wù)。目前在編海上航標(biāo)船，僅大、中型航標(biāo)作業(yè)船配備有大型起吊設(shè)施，具備航標(biāo)布設(shè)、撤除等作業(yè)能力，因此在航標(biāo)布設(shè)上主要存在以下幾方面問題：

（一）小型航標(biāo)船作業(yè)功能單一，利用率低

截至2021年底，北海航海保障中心所屬的37艘各類航標(biāo)船舶中，小型航標(biāo)船31艘，占全部船舶的84%。但當(dāng)前小型航標(biāo)船船舶主尺度以及作業(yè)設(shè)備的配置均無法滿足航標(biāo)起吊作業(yè)要求，只能執(zhí)行航標(biāo)的周期性巡檢任務(wù)，無法更換、重新設(shè)置航標(biāo)，綜合利用率不高，功能亟需拓展。

（二）特殊復(fù)雜水域大、中型航標(biāo)作業(yè)船作業(yè)困難

目前大、中型航標(biāo)作業(yè)船在淺水或者養(yǎng)殖區(qū)域等復(fù)雜水域進(jìn)行航標(biāo)作業(yè)時，受吃水深、主尺度和回旋半徑大、船舶靈活性差等因素影響，通常都是1艘小型航標(biāo)船配合大、中型航標(biāo)作業(yè)船進(jìn)行作業(yè)。先由小型航標(biāo)船將燈浮標(biāo)拖至開闊水域，再由大、中型航標(biāo)作業(yè)船進(jìn)行起鏈檢查或者燈浮標(biāo)更換，檢查更換結(jié)束后，再由小型航標(biāo)船將燈浮標(biāo)拖回淺水或者養(yǎng)殖區(qū)域邊緣。這種作業(yè)方式效率低下，并且復(fù)位時燈浮標(biāo)很難拖到設(shè)計位置。

（三）沉船設(shè)標(biāo)等航標(biāo)應(yīng)急反應(yīng)成本較高

目前，北方海區(qū)需要應(yīng)急設(shè)標(biāo)時，通常是大、中型航標(biāo)作業(yè)船負(fù)責(zé)沉船標(biāo)設(shè)置工作。大、中型航標(biāo)作業(yè)船1次至少能搭載4~8座航標(biāo)，船舶油耗大約0.3~0.6 t/h，為設(shè)置1~2座沉船標(biāo)，使用大、中型航標(biāo)作業(yè)船作業(yè)，船舶能耗大，運行成本高。另外，目前大、中型航標(biāo)作業(yè)船配備數(shù)量有限，發(fā)生航標(biāo)應(yīng)急反應(yīng)時，通常需要外租或者從航標(biāo)處所在地派遣作業(yè)船進(jìn)行作業(yè)，航標(biāo)應(yīng)急反應(yīng)的時效性無法保證。

（四）航標(biāo)作業(yè)流程智能化、機械化程度較低

目前，在甲板作業(yè)時，尤其是船舶靠近燈浮標(biāo)后，由于船與燈浮標(biāo)的相對運動，操作吊鉤、拆裝卸扣等環(huán)節(jié)還需要靠人力，并且很多工作在起吊吊臂下操作，存在很大的安全風(fēng)險。另外，船長和大副通過高頻對講機聯(lián)系協(xié)作完成甲板航標(biāo)作業(yè)與駕駛臺操控船舶，甲板現(xiàn)場由大副組織指揮操作，航標(biāo)作業(yè)安全風(fēng)險大，作業(yè)效率低。

三、淺吃水型航標(biāo)作業(yè)船設(shè)計思路

針對現(xiàn)有航標(biāo)作業(yè)船存在的問題，研究設(shè)計一種淺吃水型具有起吊功能的航標(biāo)作業(yè)船（即能在淺水區(qū)域完成直徑2.4 m燈浮標(biāo)的更換、設(shè)置、撤除等作業(yè)任務(wù)，具有良好的操縱性能、快速反應(yīng)能力和一定續(xù)航能力的作業(yè)船舶）非常有必要。淺吃水型航標(biāo)作業(yè)船在船型選擇、線型設(shè)計等方面論證中需要重點考慮以下因素：

一是通過對航標(biāo)作業(yè)設(shè)備、作業(yè)方式的研究，提高航標(biāo)作業(yè)智能化和機械化水平，提高作業(yè)的安全性和作業(yè)效率，降低作業(yè)成本，節(jié)約能源消耗。

二是從使用功能出發(fā)，統(tǒng)籌考慮航標(biāo)作業(yè)空間、推進(jìn)機艙及機電設(shè)備艙、系泊設(shè)備、人員生活艙室等布置，滿足總體布置要求，論證合適的船舶主要尺度。

三是結(jié)合淺吃水等特點和工作需求，需滿足船舶在各種作業(yè)工況下浮態(tài)控制的要求。

四是線型設(shè)計要統(tǒng)籌考慮船舶快速性能、操縱性能和適航性能。

四、淺吃水型航標(biāo)作業(yè)船設(shè)計方案

（一）航標(biāo)作業(yè)設(shè)備研究

航標(biāo)作業(yè)船作為一類相對獨特的船舶類型，作業(yè)對象包含錨鏈、鋼絲繩和吊具等柔性物體，為提高航標(biāo)作業(yè)智能化和機械化水平，研究設(shè)計具有智能化和機械化提升空間的作業(yè)設(shè)備，包括起吊設(shè)施、專用吊架、自動放倒裝置、盤式拋鏈器等。

1．甲板移動式起重行車。甲板起重行車由鋼構(gòu)架部分、起升絞車、電動葫蘆、行走模塊，駐車模塊和軌道等組成（見圖1），起重能力12 t左右，用于燈浮標(biāo)起吊和移動、沉石的位置移動以及沉石的拋投。吊架可在甲板軌道內(nèi)沿船長方向自主移動，電動葫蘆可在吊架軌道上沿船寬方向橫向移動，通過吊架和電動葫蘆的縱橫向移動，理論上可以實現(xiàn)將航標(biāo)放置在甲板上軌道覆蓋的所有區(qū)域，并且具備一定范圍內(nèi)的舷外作業(yè)能力。

圖1 甲板移動式起重行車示意圖

2．燈浮標(biāo)專用吊架。燈浮標(biāo)專用吊架集燈浮標(biāo)捕捉功能、智能旋轉(zhuǎn)對位和鎖定功能、起吊專用吊具功能于一身，用于海上對燈浮標(biāo)的捕捉和限制其活動范圍，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動航標(biāo)使其與吊架處于正確的相對位置，便于吊架正確套住燈浮標(biāo)，同時保證鎖定裝置能正確鎖住燈浮標(biāo)，為燈浮標(biāo)上船后放倒提供安全性和穩(wěn)定性保證（見圖2）

圖2 燈浮標(biāo)專用吊架示意圖

3．燈浮標(biāo)倒放機構(gòu)。在船尾部主甲板設(shè)置一臺燈浮標(biāo)倒放機構(gòu)，可將垂直起吊的燈浮標(biāo)由垂直狀態(tài)轉(zhuǎn)變成水平狀態(tài)，便于在甲板上移動和存放。船尾部主甲板前部設(shè)液壓絞車，主甲板后部設(shè)摯鏈器，用于收放沉石錨鏈和輔助甲板起重行車提升沉石上船。

（二）航標(biāo)作業(yè)方式研究

通過智能控制管理系統(tǒng)，由綜合控制臺綜合控制計算機，集中進(jìn)行程序化、自動化、智能化控制航標(biāo)作業(yè)之后，相應(yīng)操作人員之間的協(xié)調(diào)趨于減少，可充分利用船尾寬敞甲板進(jìn)行航標(biāo)作業(yè)。當(dāng)航標(biāo)需要撤除時，船舶通過動力定位系統(tǒng)靠近航標(biāo)后，下放燈浮標(biāo)專用吊架至指定深度，套住燈浮標(biāo)，使其位于吊架的中心位置并緩慢上提，航標(biāo)旋轉(zhuǎn)對位裝置按程序動作進(jìn)行對位。當(dāng)燈浮標(biāo)與專用吊架相對位置準(zhǔn)確對應(yīng)時繼續(xù)提升吊架，使燈浮標(biāo)正確落位于吊架中指定位置，再啟動鎖定裝置鎖定燈浮標(biāo)。提升位于船尾活動滑道內(nèi)的燈浮標(biāo)專用吊架，當(dāng)?shù)跫芴嵘交顒踊郎舷尬粫r，通過限位液壓插銷將吊架鎖定，放倒液壓缸回收放倒燈浮標(biāo)。放倒過程中甲板起重行車向船首移動，同時提升絞車在恒張力狀態(tài)下控制絞車鋼絲繩的收放動作，保證燈浮標(biāo)安全穩(wěn)定地放倒在放倒機構(gòu)上。燈浮標(biāo)放平之后，位于伸縮支架內(nèi)部的伸縮液壓缸伸出，將伸縮支架部分繼續(xù)前推，帶動燈浮標(biāo)繼續(xù)向船首方向移動，達(dá)到將牽引錨鏈帶上甲板的目的。錨鏈放入位于艉部的摯鏈器中鎖住后，解開末端卸扣，用行車上的電動葫蘆起吊燈浮標(biāo)，啟動行車前移，燈浮標(biāo)脫離專用吊具，放置到尾甲板指定位置。將沉石錨鏈連接到設(shè)置在艉部甲板前部起錨絞車的卷筒鋼絲繩上，啟動錨絞車并結(jié)合船舶前移使沉石破土，當(dāng)沉石基本出水時由行車上的電動葫蘆起吊沉石至指定高度，前移甲板起重行車，將沉石移動至尾甲板指定位置存放。

航標(biāo)布設(shè)流程則相反，通過甲板起重行車和燈浮標(biāo)專用吊架將燈浮標(biāo)放入水中后，行車移動到沉石上方連接沉石和錨鏈后，用電動葫蘆起吊沉石至指定高度，將沉石移動到舷外指定區(qū)域，結(jié)合移船作業(yè)，啟動盤式拋鏈器將沉石拋入水中指定位置，完成布設(shè)作業(yè)。

（三）淺吃水型航標(biāo)作業(yè)船船型論證

1．主要尺度論證

（1）船長選取。燈浮標(biāo)作業(yè)時，一方面，艉部需要一定作業(yè)空間，艏部需要船舶操縱及生活空間，決定了船舶的尺度選取區(qū)域范圍。另一方面，本船功能目標(biāo)定位為淺吃水型小型航標(biāo)作業(yè)船，若總長在45 m左右，排水量控制在440 t左右，則長度排水量系數(shù)L/▽1/3約為5.6；若設(shè)計航速初步定在13 kn左右，則傅氏數(shù)Fr為0.3左右，興波阻力占有較大比例，盡量增加船長，會使船型變得瘦長，使粘壓阻力和興波阻力下降，雖然摩擦阻力略有增加，但總體阻力會下降。另外，本船使用要求需要較大的作業(yè)操作空間，因此本船總長適合選取約45~50 m。

（2）型寬選擇。主要從總布置和穩(wěn)性出發(fā)，設(shè)計時應(yīng)估算船舶的穩(wěn)性及橫搖周期，對本船型來說，具有良好的穩(wěn)性及適航性是十分必要的。而船寬的選擇對初穩(wěn)性、大傾角穩(wěn)性、抗風(fēng)力和橫搖周期的影響很大，在控制吃水不變的情況下，船寬越大，船寬與吃水比越大，初穩(wěn)性也越大，抗風(fēng)力強，穩(wěn)性好，但過大會使船舶的固有橫搖周期減小，橫搖加速度增加，影響船員的正常生活和作業(yè)。從快速性講，增大船寬、減小吃水會使阻力增加，但是僅增大船寬，將相應(yīng)的減小方形系數(shù)，降低阻力?？紤]本船配置有甲板起重行車，且作業(yè)工況需要在作業(yè)甲板并排放置2個2.4 m航標(biāo)，因此從穩(wěn)性和布置綜合考慮，型寬宜在8.2~8.4 m。

（3）吃水選擇。主要從航道水深、船體方形系數(shù)、推進(jìn)器設(shè)計等方面出發(fā)考慮。足夠的吃水對選取螺旋槳有利，選取較大的螺旋槳直徑，對推進(jìn)效率有利。同時，風(fēng)浪較大的狀況下安全航行，必須具備足夠的吃水，以避免船首頻繁出水，形成砰擊。另外，吃水小可能增大螺旋槳出水的頻率。結(jié)合船寬、方形系數(shù)、螺旋槳等各因素，結(jié)合漁業(yè)養(yǎng)殖區(qū)、航道邊界等特殊海域水深，包括作業(yè)時船舶出現(xiàn)的尾傾，本船吃水宜在2.4~2.5 m。

2．航速和主機功率的論證

根據(jù)使用要求論證確定的目標(biāo)船型長寬比在5.0左右，該尺度比不適合航速較高的船舶，所以目標(biāo)船傅氏數(shù)Fr不適合大于3.0，且因目標(biāo)船為沿海淺吃水作業(yè)船，由于船型原因，航速每再提升一點，所需主機功率將會大幅度提高，無論是建造初期的投入還是后期運營的成本均會大大提升。因此本船最大航速以不超過13 kn為宜，最大航速設(shè)計為12.5~13 kn，選用功率為800~1 000 kW的主機2臺。

3．推進(jìn)方式論證

關(guān)于推進(jìn)系統(tǒng)，由于目標(biāo)船需要在淺水區(qū)和養(yǎng)殖區(qū)作業(yè)，一方面作業(yè)水域水淺，環(huán)境復(fù)雜（如養(yǎng)殖區(qū)水草、雜物多等），推進(jìn)器尺寸受限；另一方面航標(biāo)維護(hù)作業(yè)過程中需要靈活操縱船舶，且航標(biāo)設(shè)置作業(yè)中沉石和錨鏈也有與推進(jìn)器干涉的可能，對船舶操縱性能和推進(jìn)器類型要求較高。因此首選雙推進(jìn)器，保證船舶推力和操縱性能的可靠性。在對常規(guī)內(nèi)燃柴油機、齒輪箱、推進(jìn)軸、定距螺旋槳和可調(diào)螺旋槳、全回轉(zhuǎn)舵槳、噴泵、電力推進(jìn)系統(tǒng)、混合動力推進(jìn)系統(tǒng)等各種推進(jìn)方式論證基礎(chǔ)上，推薦常規(guī)動力推進(jìn)系統(tǒng)，配以噴泵噴水的推進(jìn)方式，可有效解決雜物纏繞、螺旋槳和錨鏈碰撞的難題。

4．浮態(tài)和穩(wěn)性

根據(jù)上述計算及論證，目標(biāo)船的初步參數(shù)可設(shè)定為（見表1）：

表1 船舶初步參數(shù)表

目標(biāo)船的設(shè)標(biāo)作業(yè)因為所帶航標(biāo)設(shè)備最多，將被設(shè)定為滿載出港狀態(tài)，該狀態(tài)滿載燃油和淡水，以及一套完整的2.4 m航標(biāo)設(shè)備，包括浮筒、錨鏈、馬鞍鏈和沉石等。通過重量重心的確定設(shè)計船舶線型，以保證滿載出港狀態(tài)船舶正浮。由于船舶相對較小且采用的是尾作業(yè)形式，在進(jìn)行設(shè)標(biāo)作業(yè)過程中設(shè)備的移動會導(dǎo)致船舶尾傾，過度尾傾將對船舶安全帶來隱患。由于采用的噴水推進(jìn)系統(tǒng)，艉部線型相對豐滿，沒有因為要設(shè)置直徑較大的螺旋槳而導(dǎo)致排水量的過度損失。當(dāng)起重行車帶著燈浮標(biāo)及馬鞍鏈移動到船尾時，會帶來110 t·m左右的縱傾力矩，此時尾傾值約在0.13 m左右，縱傾約0.4°，對船舶的穩(wěn)性和安全幾無影響。設(shè)備橫向移動帶來的橫傾很小，主要是起重行車帶動燈浮標(biāo)或沉石在船上移動落位，引起的最大橫傾約0.2°。如果目標(biāo)船是舷側(cè)作業(yè)，采用固定吊或者伸縮吊從舷側(cè)釋放燈浮標(biāo)或者沉石，則需要將燈浮標(biāo)或者沉石移至舷外一定距離加以釋放，引起的最大橫傾約1.0°，特別是快速釋放沉石時有一定安全隱患。4種典型工況穩(wěn)性參數(shù)如表2所示：

表2 4種典型工況穩(wěn)性參數(shù)表

可見各工況下的穩(wěn)性衡準(zhǔn)值均在1.6以上。

五、結(jié)語

具有燈浮標(biāo)起吊功能的淺吃水型航標(biāo)作業(yè)船船型方案，從船舶主尺度、航速功率、浮態(tài)和穩(wěn)性以及航標(biāo)作業(yè)設(shè)備等方面進(jìn)行設(shè)計研究以及初步穩(wěn)性計算，著重在航標(biāo)作業(yè)設(shè)備以及功能實現(xiàn)上進(jìn)行了開發(fā)研究，為解決目前大、中型航標(biāo)作業(yè)船在淺水區(qū)域、養(yǎng)殖區(qū)域航標(biāo)作業(yè)困難、效率低，沉船應(yīng)急設(shè)標(biāo)耗能高，甲板作業(yè)危險性大且人力作業(yè)任務(wù)繁重等問題提供了新的思路，為新型淺吃水型航標(biāo)作業(yè)船的建造進(jìn)行了前瞻性研究。