忻永恩 戴 冉 郝慶龍

最近幾年運輸船舶大型化的趨勢發(fā)展迅猛，推動港口向“開敞、深水、大噸位”的方向發(fā)展，以充分發(fā)揮深水港、深水航道的優(yōu)勢，最大限度地提高船舶載重噸位，降低運輸成本。目前大型船舶的設計建造具有智能、綠色、環(huán)保、節(jié)能、安全等特點，但在設計時對大型船舶所接靠碼頭的技術(shù)狀況、自然水文條件、港口的習慣做法等考慮較少，存在部分細小的缺陷，這些細節(jié)問題往往會導致意想不到的后果。以下是對現(xiàn)場實踐的總結(jié)，希望能對船舶設計優(yōu)化提供細微的幫助。

一、散貨船大型化發(fā)展趨勢

船舶是一種建設復雜、投資較大、使用期長的水運工具，它受一定使用年限、一定服務對象、一定作業(yè)條件的制約。20世紀70年代初開始興建好望角型散貨船（CAPESIZE），目前好望角型散貨船等級已發(fā)生重大變化，載重噸從最初的12萬～15萬噸級發(fā)展到20萬～30萬噸級，2008年開始打造40萬噸Vale Max型運輸船隊。大型至超大型船舶的建造發(fā)展歷程如表1所示。

表1 大型至超大型散貨船建造發(fā)展歷程及其優(yōu)缺點

巴西鐵礦石巨頭淡水河谷基于降低海運成本、搶占亞洲鐵礦石市場尤其是中國鐵礦石市場的原因，計劃分三步打造Vale Max型超大礦砂船船隊，推動運輸船舶大型化發(fā)展。2008年開始，已經(jīng)多年沒有訂造新船的淡水河谷連續(xù)投放大量新船訂單，打造35艘40萬載重噸超大型礦砂船船隊。2011年3月30日，訂造的第一艘40萬載重噸礦石船Vale Brazil號交付使用。2013年以來淡水河谷先后與山東海運、中國遠洋控股股份有限公司、招商局能源運輸股份有限公司等簽署了戰(zhàn)略合作及包運協(xié)議。2015年7月2日，交通運輸部和國家發(fā)展改革委員會聯(lián)合印發(fā)《關于港口接靠40萬噸礦石船有關問題的通知》，明確我國港口接靠40萬噸礦石船相關政策，并在全國四個港區(qū)布局了7個可接靠泊位。2015年7月4日，40萬噸礦石船YUAN ZHUO HAI號獲準靠泊青島董家口礦石碼頭，正式拉開了我國接靠Vale Max型超大礦砂船的運營序幕。2016年淡水河谷又下了30艘40萬載重噸新船的訂單，目前已投運24艘，全部建造完成后將有65艘Vale Max型超大礦砂船用于巴西—中國航線的鐵礦石運輸。2017年初，淡水河谷開始新一輪船隊更新的計劃型，新船型采用淺吃水設計，設計船舶總長340米，船寬62米，結(jié)構(gòu)吃水21.4米，載重噸在32.5萬～36.5萬噸，數(shù)量20艘。這一計劃的實施是因為貨主的需求發(fā)生變化，從而要求船型的設計和選擇須滿足不同的需求（如安全性、靈活性），同時最大限度地降低運輸成本。

另外，從2010年開始，澳大利亞也根據(jù)西部港口最大裝卸能力設計打造“WOZMAX”系列礦砂船。該船型采用肥大型外形設計，船舶總長330米，船寬57米，結(jié)構(gòu)吃水18米，載重噸25萬噸。2014年FMG公司投放了4艘26.1萬噸礦砂船的訂單，2018年已全部交付。

二、大型深水碼頭安全系泊分析

港口岸線作為海洋資源的重要組成部分，是不可再生的，稀缺性特點非常明顯。我國的建港高潮持續(xù)30多年，易利用的近岸岸線資源已基本開發(fā)，但為了滿足運輸船舶大型化發(fā)展趨勢，岸線的深度開發(fā)與有效利用成為必然。隨著建設的碼頭泊位等級越來越高，掩護條件較為理想的岸線海灣資源越來越少，但為了適應船舶大型化的需要，以及降低碼頭造價以及縮短建設工期，碼頭常建設在天然水深或稍經(jīng)疏浚而沒有人工掩護設施的水域。這種碼頭稱為開敞式碼頭，其穩(wěn)泊的條件直接關系到船舶的系泊安全，對港口、船舶的安全起著至關重要的作用。

（一）船舶穩(wěn)泊安全管理工作構(gòu)架

船舶穩(wěn)泊安全是大型深水碼頭管理的一項重要工作。所謂“穩(wěn)泊”，就是碼頭能根據(jù)不同氣候、水文條件等，給不同類型船舶的在泊安全提供基本的保障，并能根據(jù)卸載作業(yè)、潮汐變化情況及時采用有效的調(diào)整方法，保證在泊船舶的安全。

有效的穩(wěn)泊操縱系統(tǒng)可以看做是人、船、環(huán)境三者構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)，即從事碼頭管理穩(wěn)泊工作的人員克服外界環(huán)境條件的影響來實現(xiàn)所設定的穩(wěn)泊目標。其總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 船舶穩(wěn)泊安全管理工作架構(gòu)

（二）擾動系泊船舶安全的主要因素分析

1.自然因素

船舶?？吭诟劭趦?nèi)，不可避免地受到現(xiàn)場條件和海洋因素的影響，從而形成了穩(wěn)泊的不穩(wěn)定因素。船舶在風力、潮流、海浪等自然環(huán)境因素作用下產(chǎn)生振蕩，包括6個自由度的運動，即縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和首搖（亦即通常所說的縱移、橫移、升沉、縱搖、橫搖和回轉(zhuǎn)）；又由于開敞式碼頭外海傳來的涌浪，致使在泊船舶失去平衡產(chǎn)生較大幅度的運動，這對船舶穩(wěn)泊安全威脅最大[1]。由于纜繩受力不均在瞬間頓力的作用下容易破斷；另外減載或空載船舶吃水淺，自固力差，在涌浪的作用下更容易產(chǎn)生縱搖、橫搖及垂蕩的現(xiàn)象，系帶的纜繩由于仰角大，與導纜樁底座或舷墻邊緣產(chǎn)生摩擦點，在涌浪的作用下可能被磨斷。船舶的系纜是一個整體受力格局，如受涌浪、急流影響，哪怕是一根纜繩破斷，也極有可能導致整體布纜受力失衡而產(chǎn)生連鎖反應，導致出現(xiàn)穩(wěn)泊險情。

可見，斷纜率是直接影響船舶穩(wěn)泊安全的關鍵因素。斷纜率越高，對碼頭的安全威脅就越大，對在泊船舶的安全保障就越小。碼頭海域的自然因素影響是產(chǎn)生斷纜的主要因素。

2.船舶甲板設施設計

根據(jù)港口工程《海港總體設計規(guī)范》（JTS165—2014），潮差大的深水碼頭高程較高。大型船舶滿載靠泊碼頭，干舷高度一般在7～8米，主甲板與碼頭面平行或低于碼頭面，造成系纜角度呈“下吊狀”，與碼頭面夾角偏小。而座式導纜孔部位無防跳桿或防跳桿設置過高，造成纜繩收緊后會跳出滾輪槽，碰壞甲板欄桿。如果系纜作業(yè)人員在甲板站位不合理，將被跳出的纜繩擊打。為了避免此現(xiàn)象的發(fā)生，船方往往在靠泊后暫時降低系纜力，待船舶上浮后再調(diào)整收緊。

目前船舶的導纜裝置一般有巴拿馬型導纜孔、座式滾輪導纜孔、滾柱式導纜孔三種，具有各自特點。經(jīng)現(xiàn)場實踐總結(jié)，筆者認為導纜孔沒有合理設置會對系泊纜繩造成磨損，嚴重的造成磨斷。分析如表2所示。圖2、圖3展示的是筆者所發(fā)現(xiàn)的幾處甲板設計缺陷對系泊安全造成的影響。

表2 不同形式的導纜裝置的優(yōu)缺點

圖2 座式滾輪導纜器缺陷造成纜繩磨損

圖3 滾柱式導纜器缺陷造成纜繩磨損

目前，部分大型深水碼頭為了給到港大型船舶提供穩(wěn)泊安全保障，在碼頭面不同排架處設置系纜車增加系纜力，以此提高在泊船舶的系泊能力，這種做法已經(jīng)成為目前大型外海開敞式碼頭提高穩(wěn)泊安全的有效措施之一。但由于部分船舶的導纜孔偏少，現(xiàn)場只能根據(jù)船舶鋼纜柱的使用規(guī)定（SWL）配置碼頭系纜車的纜繩數(shù)量，安全措施受到了一定限制。另外，在船上的纜繩和碼頭面絞纜車的纜繩多根同時穿帶同一個導纜孔時，纜繩間相互摩擦也會造成磨損。

以上船舶甲板設計的細小缺陷，也是產(chǎn)生斷纜的又一主要因素。

3.人員管理

潮汐漲落影響和裝、卸貨作業(yè)進度會使系泊船舶產(chǎn)生上下起伏運動，從而改變系泊纜繩的受力狀態(tài)，對此必須通過適當調(diào)整纜繩預拉力來保證所有系纜最大限度地分擔負荷以及限制船舶離檔或沿著泊位運動。船舶及碼頭均有一定的要求及規(guī)范，故不做論述。

（三）系泊船舶斷纜原因初步分析

從理論上分析：纜繩都有其固定的設計安全強度，也稱使用強度，是指纜繩在安全范圍內(nèi)所能承受的拉力[1]，但這種計算系纜破斷力是理想狀態(tài)下的，并未結(jié)合現(xiàn)場實際工況考慮。譬如纜繩的新舊和損傷程度及曝曬時間，纜繩插接后的強度變化，纜繩打結(jié)后的強度變化等，因此其破斷力往往是達不到額定值的。

從實際工況分析：（1）在同等條件下，同方向不同材質(zhì)的纜繩外張?zhí)幵谄茢嗯R界狀態(tài)時，容易發(fā)生斷纜；（2）卸貨過程船體不斷上浮，在橫、縱、垂蕩非靜止狀態(tài)下，纜繩不可能均衡受力；（3）纜繩使用后往往有不同程度的磨損，纜繩的松緊依靠人為判斷，在調(diào)整纜繩預拉力時不可能保證所有系纜最大限度地分擔負荷；（4）船舶隨著減載船體上升，系纜角度隨之發(fā)生改變，纜繩與船體舷墻邊沿摩擦，在涌浪季節(jié)纜繩非常容易磨斷，幾乎所有的船舶結(jié)構(gòu)類型都是如此；（5）船舶設備所承受系纜力無法抗拒強流的沖擊，船體迅速外張至纜繩破斷臨界點相繼破斷；（6）現(xiàn)場實際布纜不合理，纜繩長度不一、帶纜角度不合理造成摩擦點。

三、細化措施及建議

為了抵抗已知的外界負荷，最有效的布纜方式是使纜繩取向與負荷方向相同，這在理論上意味著應該使系纜的取向與外界作用力方向相同，然而這是不切實際的，因為這種系泊方式?jīng)]有靈活性，不能適應不同方向的外界負荷與碼頭上系纜點的不同配置。

由于各碼頭有自己獨特的水文特點，所以常規(guī)上把首、尾纜稱為主纜，橫纜、倒纜稱為輔助纜的稱呼不是很確切。在有些外海開敞式深水碼頭，輔助纜的作用已超出輔助范圍，與主纜關系更密切，同時也起到主纜的作用，需要經(jīng)過現(xiàn)場反復實踐，形成一套適宜本碼頭的系纜方案及管理要求。

上述影響系泊船舶安全的因素已經(jīng)客觀存在。目前運營的船舶在船公司重視的情況下，在進塢修理時可以對現(xiàn)有導纜裝置存在的缺陷進行臨時處理，對還在船廠建造的或正在設計的船舶，考慮對導纜器的設計進行改進。個人建議如下：

（1）在首、尾部各增加1～2個系纜鋼柱，以滿足現(xiàn)有各大型深水碼頭岸用絞車設備的纜繩系帶要求。

（2）對船舶各出纜部位的導纜裝置進行合理分布，避免各導纜裝置使用不合理而造成的纜繩磨損。

（3）在座式滾輪導纜器出纜口處增加小型臥式滾柱，避免船體上浮時纜繩直接與舷邊摩擦而造成的纜繩磨損。

（4）對現(xiàn)有滾柱式導纜器進行優(yōu)化，由四滾柱變?yōu)槲鍧L柱，避免內(nèi)舷側(cè)纜繩與導纜器框架接觸而造成纜繩磨損。

（5）在座式滾輪導纜器頂面增加纜繩防跳裝置，防止纜繩從滾輪內(nèi)滑脫擊傷作業(yè)人員（如圖4、圖5所示）。

圖4 座式滾輪導纜器無纜繩防跳裝置

圖5 座式滾輪導纜器增加纜繩防跳裝置

（6）在絞纜機系統(tǒng)內(nèi)增加纜繩力矩測量及顯示等設備，為纜繩保持均勻受力提供智能化平臺。

而針對目前運營的大型船舶存在的系泊細節(jié)問題，各碼頭只有從合理系泊布纜、過程檢查調(diào)整方面進行管控。

另外，以2018年已投入運營、載重噸為32.6萬噸的“SAO DIANA”輪為例，其尾艙后部與駕駛臺之間的間距小且駕駛臺平面凸出，橋式抓斗卸船機在現(xiàn)場作業(yè)時容易造成船機相撞風險，如圖6所示。為了避免發(fā)生事故，卸船作業(yè)關路只能退到安全位置，導致空艙作業(yè)量大幅增加，該問題急需引起相關船舶設計人員的關注，建議在淡水河谷建造的載重噸為32.5萬～36.5萬噸的淺吃水船型上進行優(yōu)化。

圖6 橋式卸船機現(xiàn)場作業(yè)的船機相撞風險