关于5米灯浮标被撞易翻覆问题解决方案的探讨

◎ 张永辉 广州航标处



关于5米灯浮标被撞易翻覆问题解决方案的探讨

◎ 张永辉 广州航标处

摘 要：随着珠江口航运业的快速发展，通航环境更加复杂，在南沙港和广州港两个航道交汇处布设5米灯浮标给来往船舶提供醒目的助航服务是非常必要的，由于该水域来往船舶较多，通航密度大，无形中增加了灯浮标被撞事件的发生，本文通过查看该类型灯浮标的结构特点和技术参数，分析了其被撞易倾覆的原因，制定了增加尾筒和提高配重并行的改造方案以期提高其稳性，通过理论计算分析，改造后的灯浮标的稳性参数，如初稳性高度、重心高度等均有较大改善，说明这个改造方案是有效、可行的。

关键词：灯浮标 倾覆 改造 稳性参数 改善

1.广州港42号灯浮标被船舶碰撞后倾覆的研究背景

近几年来，随着珠江口两岸港口建设的快速发展，进出珠江口水域船舶流量逐年增加，同时伴随着船舶大型化、快速化的迅猛发展，珠江口水域灯浮标被过往船舶碰撞后变形、进水后倾斜时有发生，但像广州港42号灯浮标这样被过往船舶碰撞后翻覆的事故并不多见。据统计，2014年至2015年两年间，广州港42号灯浮标被过往船舶碰撞后倾覆高达2次。由于该类型的浮体体型较大，净重有18.5吨，需要雇用社会上的大型工程船舶进行吊换作业，不但费用高，而且短时间内难以租用到适用的工程船舶到该水域进行浮标吊换作业，倾覆的大型浮标给过往船舶的安全航行带来了很大的隐患，给辖区航标管理机关的航标管理工作带来了较大的压力。

2.广州港42号灯浮标的布设情况

广州港42号灯浮标布设于广州港和南沙港两个航道的交汇处，是一个重要的水上助航标志，所以该位置需要投放一座外形特别醒目的助航标志，而珠江口水域使用较多的直径为2.4米的钢质浮标就不能满足需要，原因有二：一是2.4米钢质浮标直径较小，从视觉效果上难以突出两个港口交汇点的重要性，二是该位置作为标示广州港和南沙港的航道分叉点，需要在外形尺寸上与附近水域常用的2.4米钢质浮标有所区别，以便船舶驾驶员第一时间了解到船舶航行的位置。所以在该位置投放一座外形尺寸较大的直径为5米的助航标志是必要的，该灯浮标自投放以来，多次被撞倾覆，2014年至2015年两年间，被过往船舶碰撞后倾覆高达2次，分别是2014年12 月8日被不明船舶被撞倾覆和2015年6 月4日被某不明船舶被撞倾覆。

3.广州港42号灯浮标投放的5米浮体的结构特点

目前广州港42号灯浮标所投放的5米浮标的主要性能参数如下：浮体吃水是1.1米，浮标干舷1.0米，初稳性高是1.35米，摇摆周期是4.75秒，重心高度0.8米，重量18.5吨。经现场查看该浮体下封头是圆台形平底，没有尾筒，且浮标底部是较大面积的平底结构，在被船舶碰撞时，平滑的底部在水中受到的水阻力很小，被撞极易倾覆。为改变该灯浮标被船舶碰撞后易倾覆的现状，为过往船舶提供质量可靠的助航服务，避免助航标志成为碍航物，应对该浮体结构进行改造设计。

4.灯浮标改造设计方案

灯浮标由浮身（浮筒、尾筒、配重）、灯架和发光系统组成，尾筒上有用铸铁制成的配重，整个灯浮标可以通过尾筒和配重的调整来达到平衡，基于此，结构改造采取的措施有两个方面：一是增加铸铁配重，提高其吃水深度，根据灯浮标的结构特点，将其吃水深度从1100mm增加到1320mm，既达到通过调整吃水深度而增加稳定性的目的，也不影响灯浮标在海上的现场维护；二是增加尾筒结构，以提高灯浮标被撞时转动所受到的阻力，使其倾覆的可能性降低。考虑到灯浮标的现有结构和重量，尾筒结构采用直径为3000mm，高为1000mm，钢板厚度为12mm的圆筒焊接在灯浮标的下封头上，尾筒与下封头联接处焊接加强肋板，铸铁配重通过螺栓均匀分布在尾筒的底部，改造效果图见图1。经计算，达到灯浮标改造要求所需增加配重为4230kg。

5.灯浮标改造后稳性参数的计算

5.1灯浮标的重量重心估算

图1. 灯浮标改造设计效果图

对于灯浮标而言，除了航标人员巡检时短时停留在其上进行航标器材的检查维护外，其上没有可变压载，所以只需计算灯浮标在工作状态下的重量重心。灯浮标总重量由浮体、灯架、尾筒、配重和发光系统组成，本文在估算灯浮标的重量重心是以改造前的浮标重量为一个整体的前提下进行的，灯浮标各部分的重量和重心高度如下：改造前灯浮标重量为18500kg，重心高度1800mm；尾筒重量839kg，重心高度500mm；灯器和太阳能板重量345kg，重心高度9075mm；蓄电池重量240kg，重心高度3575mm，铸铁配重块重量为4230kg，重心高度420mm。重心高度是从尾筒底部算起。

灯浮标的重量重心CG：CG=M/W

M：灯浮标各组成部分力矩的总和

W：灯浮标各组成部分的总重量

计算可得：CG=1625mm，即改造后灯浮标的重心位于尾筒底部上部1625mm处，与改造前相比，重心降低了175mm。降低重心是提高灯浮标稳性最有效的措施之一。这是由于重心降低，重量稳性臂减小，使得静稳性臂增加，从而使得灯浮标的稳性增强。

5.2灯浮标浮心计算

灯浮标的浮心是整个浮标排水体积的形心，灯浮标漂浮在海水中会有一个相对固定水面，该水面与灯浮标的相交会产生一个圆，该圆周线就是灯浮标的浮标水线，由灯浮标的结构特点可知，水线以下的部分是一个相对规则的形状，这样可以直接求得各部分的体积和形心。由改造后的灯浮标外形轮廓可知，灯浮标的排水体积有四部分组成，圆柱体、圆台体、铸铁配重组成的环形体、尾筒的环形体，各部分的体积和形心高度（形心到灯浮标尾筒底面距离）如下：①圆柱体：13.925m3，2.055m；②圆台体：8.975 m3，1.467m；③铸铁配重：0.552 m3，0.420m；④尾筒：0.113 m3，0.500m。

灯浮标浮心计算公式CB：CB= MB/V1

MB：灯浮标水线以下部分排水体积力矩之和，即水线下各部分体积与该部分形心到灯浮标尾筒底面距离的乘积之和；

V1：灯浮标的排水体积，m3

V1=W/1025

W：灯浮标的毛重，kg

1025：海水的比重，kg/m3

计算可得：V1=23.565m3，排水量为24154kg，灯浮标水线位于距离灯浮标圆柱体底面0.710m处。

计算可得：CB=1785mm

5.3灯浮标初稳性计算

初稳性高度是衡量灯浮标初稳性的主要指标，初稳性高度过小常导致大倾角恢复力矩偏低。同时，初稳性高度过小的灯浮标，在不大的横倾力矩作用下会发生较大的倾斜甚至导致倾覆，所以，在设计灯浮标时，应使其具有一定的初稳性高度。

灯浮标投放在水中发生小角度倾斜，其水线由原来的WV变为W1V1，假设灯浮标出水与入水体积相同，且绕两水线面交线轴转动，浮心B以初稳心M为圆心，以初稳心半径BM为半径移动，浮心作用线始终通过固定点M，则有：BM=I/ V1

其中I=3.14×D4/64，是灯浮标水线截面的惯性特征，kg m2

D：在吃水面上的灯浮标浮体直径，m

V1：灯浮标的排水体积，m3

计算可得：BM=1.249m。

灯浮标的初稳性高度即重心至定倾中心的距离：GM=BM+CBCG=1409mm，改造后的灯浮标的初稳性高度与未改造前相比增加了59mm，也就是改造后的灯浮标的抗倾覆能力得到一定的加强。

5.4灯浮标纵摇、横摇固有周期

由于灯浮标的浮体为对称结构，所以灯浮标的纵摇、横摇固有周期是一致的，只需要计算横摇固有周期即可，根据船舶耐波性理论，灯浮标自由横摇的近似固有周期TS为：

TS：灯浮标自由横摇固有周期，s

ns：灯浮标自由横摇固有频率，rad/s

Jss：转动惯量，kgm2

ΔJss：附加转动惯量，kgm2

K：排水量，kg

h：初稳心高度，m

实践证明，转动惯量对横摇固有周期影响并不敏感，因此在实际计算时通常采用近似估算，根据霍夫哥德公式：

Jss+ΔJss=Kρ2s/g

g∶ 重力加速度，m/s2

ρs：灯浮标质量连同附加质量在内的相当横摇惯性半径，ρs=CB，C为经验系数，浮标取为0.44，B为浮体直径，此处取值为5。

代入计算可得：TS=3.72s

与改造前相比，改造后的灯浮标的摇摆周期比改造前减少了1.03s。

6.小结

本文分析了南沙港和广州港航道交汇处布设5米大型灯浮标的必要性，分析了该浮标投放后频繁出现被来往船舶碰撞倾覆的原因，最终从灯浮标结构入手，制定了通过结构改造以增加灯浮标的稳性参数的方案，并通过理论计算得到了这种结构改造达到了提高灯浮标的稳性性能的目的。

参考文献：

［1］日本协力基金事业团 著.周寿椿 译.狄伟，黄纯 校.航标教材.交通部安全监督局.1996.4.

［2］王浩.深海浮标的总体设计和计算分析 哈尔滨工程大学学位论文.2012.