淺談港作拖船配置

張 勇

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230）

港作拖船是拖船的一種，用于拖（推）動大中型運輸船舶，協(xié)助船舶進(jìn)出港口、調(diào)頭、靠離碼頭和移位等，也可用作港口人員的交通船和少量物品運送，在港口作業(yè)中，發(fā)揮著重要作用。港作拖船配置是港口工程設(shè)計的一項重要內(nèi)容，合理的港作拖船配置不但要充分保證進(jìn)出港船舶的安全作業(yè)，而且要滿足經(jīng)濟(jì)性。

港作拖船的配置通常按照交通運輸部的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTJ211—99《海港總平面設(shè)計規(guī)范》[1]給出的經(jīng)驗公式設(shè)計，在工程實踐中，對于某些重要的項目，常常通過船舶操縱仿真模擬試驗確定。我國規(guī)范給出的經(jīng)驗公式主要以進(jìn)出港船舶的載重噸為基礎(chǔ)，而影響港作船舶配置的因素還包括船舶類型、自然條件、碼頭條件等。因此，規(guī)范給出的經(jīng)驗公式過于簡單，依據(jù)其計算結(jié)果配置的拖船在功率上和數(shù)量上往往不能滿足港口運營的實際需要。國外有關(guān)協(xié)會或企業(yè)對港作拖船的配置做了比較全面、深入的研究，包括船舶特點、自然條件和碼頭條件等對港作拖船配置的影響。本文介紹了我國規(guī)范和國外有關(guān)協(xié)會對港作拖船配置的規(guī)定或建議，供我國港口工程技術(shù)人員在港作拖船配置設(shè)計時參考。

1 港作拖船的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

港作拖輪在功能上分為雙槳雙舵拖輪、全回轉(zhuǎn)拖輪、單機拖輪，等等。全回轉(zhuǎn)拖輪馬力大，機駕合一，操縱靈活，一般配有兩套可360°轉(zhuǎn)動的推進(jìn)裝置，漿舵功能合一，回轉(zhuǎn)半徑極小。更有一些大馬力港作拖船，還配有艏、艉側(cè)推器以獲得更好的操控能力。此外，港作拖船具有靈活機動的拖帶方式，可進(jìn)行艉拖、旁拖、艏拖和頂推作業(yè)，配有相應(yīng)的拖鉤、旁拖系纜樁、艏拖絞車和頂推護(hù)舷等[2]。

根據(jù)2009—2010年拖船建造的情況，目前大馬力港作拖船主要集中在3 000~4 500 kW。廣州番禺粵新造船有限公司建造的6 393 kW全回轉(zhuǎn)拖船是為美國潮水公司建造，是目前國內(nèi)建造的最大的全回轉(zhuǎn)拖船（見圖1）。

圖1 6 393 kW全回轉(zhuǎn)港作拖船

近年來，隨著任務(wù)需求和工作特點的不斷延伸、變化，港作拖船得到了快速發(fā)展，正向大功率、多功能化、智能化、良好的機動性方向發(fā)展。船舶的大噸位、大型化趨勢日益明顯，使港作大功率拖船的需求不斷增加。為提高港作拖船使用的經(jīng)濟(jì)性，港作拖船設(shè)計普遍追求有多用途、多功能，最常見的是配置消防功能，以兼作消防船使用。針對北方地區(qū)氣候寒冷的特點，北方港口使用的港作拖船常兼有破冰功能。此外，部分港口的港作拖船還兼有環(huán)保、護(hù)航、清道和巡邏的功能，在港口發(fā)揮著重要作用。另外，為滿足風(fēng)浪較大港口的輔助作業(yè)要求，產(chǎn)生了新型抗風(fēng)浪全回轉(zhuǎn)港作拖船，主要是在港作拖船的縱中位置設(shè)置止搖的外龍骨，并取消艉分水中，可得到較好的耐波性[3]。

2 影響港作拖船配置的主要因素

影響港作拖船配置的主要因素有以下幾個方面：

1）港口特點：包括進(jìn)出港航道，制動距離，口門、回旋水域、港池、碼頭布置，船塢、橋梁、水深、航速條件等。

2）碼頭結(jié)構(gòu)：透空式或?qū)嶓w式。

3）進(jìn)出港船舶特點：船舶的類型、尺度（載重噸或排水量）、吃水、龍骨下富余水深、受風(fēng)面積、發(fā)動機位置、推進(jìn)器類型、操縱性能、是否有側(cè)推裝置等。

4）環(huán)境條件：包括風(fēng)、潮流、波浪、能見度等。

5）拖船協(xié)助船舶作業(yè)方式：單纜拖帶、船側(cè)輔助，還是聯(lián)合輔助等。

3 港作拖船的配置

港作拖船配置的主要內(nèi)容包括確定需要的拖船總拖力、拖船數(shù)量和拖船規(guī)格，其中最關(guān)鍵的是拖船總拖力。國內(nèi)外對港作拖船的配置都有相應(yīng)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計指南。相對來講，我國規(guī)范主要采用經(jīng)驗方式近似估算所需拖船總功率，但對作業(yè)條件沒有說明，特別是船速的大小和作業(yè)條件（風(fēng)流力大小及風(fēng)流舷角）對所需拖船功率的影響。國外的一些設(shè)計指南詳細(xì)分析研究了環(huán)境條件（風(fēng)、浪、流）、碼頭結(jié)構(gòu)類型、船舶特點等因素對拖船配置的影響，給出的港作拖船配置公式、圖表更加科學(xué)、合理，更符合實際情況，值得我們借鑒。

3.1 我國交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對港作拖船配置的規(guī)定

我國交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTJ211—99第4.9節(jié)對港作拖船的配置做出規(guī)定。其中4.9.3規(guī)定：港作拖船所需的總功率，應(yīng)根據(jù)進(jìn)出港船舶的載重噸位按下式計算：

式中：總功率為所需港作拖船總功率，kW；k為系數(shù)，DWT≤20 000 t時，取 0.075，20 000 t＜DWT≤50 000 t時，取0.060，DWT＞50 000 t時，取0.050；Q為進(jìn)出港設(shè)計船型的載重噸。

由上述規(guī)定和給出的經(jīng)驗公式可以看出，港作拖船所需的總功率以進(jìn)出港船舶的載重噸為基礎(chǔ)，按照船舶噸級的不同選用相應(yīng)的系數(shù)。公式并沒有考慮船舶特點、環(huán)境條件、碼頭類型等對港作拖船配置的影響。我國規(guī)范給出的是經(jīng)驗公式，而且自1999年發(fā)布后一直使用至今。但近年來，國際船隊大型化發(fā)展趨勢明顯，新型、先進(jìn)的船舶不斷出現(xiàn)，越來越多的碼頭建設(shè)在開敞海域，加之港作拖船的性能也在不斷改進(jìn)，這些變化都對港作拖船的配置產(chǎn)生著重大影響。如26.6萬m3液化天然氣船舶的船型尺度與30萬噸級油船的船型尺度相近，但其載重噸僅為油船的一半左右。按我國規(guī)范計算，前者配置的港作拖船總功率和數(shù)量僅為后者的一半，這顯然是不合理的。船舶操縱仿真模擬結(jié)果和我國已投產(chǎn)的廣東大鵬液化天然氣碼頭的實際作業(yè)情況表明，液化天然氣船舶與船型尺度相近的油船靠離泊所需的港作拖船總功率相差不是太大。因此，目前簡單地根據(jù)國內(nèi)規(guī)范公式計算得出的港作拖船所需總功率配置的港作拖船常常不能適應(yīng)生產(chǎn)需要。

3.2 國外行業(yè)協(xié)會或企業(yè)對港作拖船配置的規(guī)定

國外行業(yè)協(xié)會或企業(yè)對港作拖船的配置規(guī)定各不相同。國際航海協(xié)會（the Nautical Institute）出版的《拖船在港口中的應(yīng)用》（“TUGUSEINPORT”[4]）詳細(xì)研究了影響港作拖船配置的各種因素，并給出了所需總拖力的計算方法，在國際上應(yīng)用較廣。

3.2.1 港作拖船配置影響因素分析

影響港作拖船配置的5大因素中最關(guān)鍵的是進(jìn)出港船舶特點和環(huán)境條件。船舶特點決定了船舶的尺度、載重噸或排水量、推進(jìn)器位置和性能等，是港作拖船配置的前提和基礎(chǔ)；風(fēng)、浪、流等環(huán)境條件是決定所需拖船總拖力的外部條件，允許作業(yè)的風(fēng)、浪、流越大，需要的拖船總拖力也越大。

港作拖船的總拖力原則上應(yīng)該足以補償作用在船舶上的由風(fēng)、浪、流產(chǎn)生的總外力。當(dāng)分析作用在船舶上的總外力時，需要考慮下面幾點因素：

1）港作拖船在拖/推船舶抵抗風(fēng)、流作用或者快速協(xié)助船舶制動時要有充分的富裕拖力；

2）港作拖船并不能保證一直按照合理的角度輔助船舶操作；

3）由于纜繩磨損或纏繞，不能完全達(dá)到纜繩設(shè)計拖力；

4）由于風(fēng)、流造成船舶運動，特別是回轉(zhuǎn)，使船艏和船艉的拖船經(jīng)常不能同時發(fā)揮最大的功率；

5）單纜拖船推進(jìn)器帶動的水體撞擊船體而降低了拖/推的效力。

因此，在計算風(fēng)、浪、流作用在船舶上的外力時，需要考慮一個特殊的安全系數(shù)來確定所需要的總拖力，根據(jù)經(jīng)驗該富裕系數(shù)通常取20%。后述圖表中所需拖船拖力已包含20%的富裕值。

①作用在船舶上的風(fēng)荷載。可按下式計算：

式中：Fyw，F(xiàn)xw分別為作用在船舶上的計算風(fēng)壓力的橫向和縱向風(fēng)力，N；Mxyw為作用在船舶上的回轉(zhuǎn)力矩，N·m；Cyw，Cxw，Cxyw分別為橫向、縱向和回轉(zhuǎn)風(fēng)力系數(shù)；ρ為水的密度，kg/m3；V為設(shè)計風(fēng)速，m/s；AL，AT分別為船體水面以上橫向和縱向受風(fēng)面積，m2；LBP為船舶的垂線間長，m。

縱向、橫向和回轉(zhuǎn)風(fēng)力系數(shù)與船舶形狀、吃水、上部結(jié)構(gòu)等有關(guān)。受風(fēng)面積計算時還需要考慮船舶甲板上裝載貨物的面積。

在計算需要的拖船拖力時，橫向風(fēng)力常常是最大和最重要的。通常情況下，Cyw介于0.8～1.0之間。如果Cyw取1.0，空氣密度取1.28 kg/m3，則橫向風(fēng)力公式可以簡化為：Fyw=0.065V2AL，kg。

阿里很不高興，但是羅爹爹的話他也是必須聽的。因為母親每天都會跟他說：“阿里，要聽羅爹爹的話哦。羅爹爹有功夫，一個巴掌下去，能把肚皮打爆。那你什么東西都吃不成了?！苯裉祀m然沒有母親說這番話，阿里似乎還是記得。他趕緊捂了一下肚皮。

考慮20%～25%的安全富余，則克服橫向風(fēng)力所需的拖船拖力估算公式如下：

由此，圖2給出了單纜拖帶或船側(cè)長纜拖帶時克服風(fēng)力所需的拖船拖力。

圖2 克服橫向風(fēng)力所需拖船拖力

②作用在船舶上的水流力。根據(jù)OCIMF（石油公司國際海事論壇）出版的設(shè)計指南，作用在船舶上的水流力可按下式計算：

式中：Fyc，F(xiàn)xc分別為水流對船舶的橫向和縱向分力，N；Mxyc為作用在船舶上的回轉(zhuǎn)力矩，N·m；Cyc，Cxc，Cxyc分別為橫向、縱向和回轉(zhuǎn)分力系數(shù)；ρ為水的密度，kg/m3；V為設(shè)計流速，m/s；T為船舶吃水，m；LBP為船舶的垂線間長，m。

縱向、橫向和回轉(zhuǎn)分力系數(shù)除與船舶形狀、吃水、上部結(jié)構(gòu)特點等有關(guān)外，還和船舶的龍骨下富余深度有較大的關(guān)系，見圖3?？梢钥闯?，隨著龍骨下富余水深的減小，水流力顯著加大。

圖4給出了單纜拖帶或船側(cè)長纜拖帶時克服作用在船舶上的橫向水流力所需拖船拖力的參考值。

③作用在船舶上的波浪力。這里所說的波浪力并不指開敞式海域的長周期波浪或涌浪產(chǎn)生的，而是有掩護(hù)海域的港作拖船可以安全輔助船舶作業(yè)的短周期風(fēng)浪產(chǎn)生的波浪力。作用在船舶上的波浪力可按下式估算：

考慮25%的安全富余度后，上式可簡化為：Fwave=112·，kg。

根據(jù)上述公式，圖5給出了克服橫向波浪力所需的拖船拖力。

④港作拖船帶動的水體產(chǎn)生的影響。港作拖船推進(jìn)器帶動的水體對船體的撞擊作用將會降低港作拖船的推/拖效力。船舶的龍骨下富余深度越小，效率降低越明顯，需要的拖船拖力也就越大。

3.2.2 需要的港作拖船總拖力

3.2.2.1 按照環(huán)境條件計算的拖力

圖2、圖4、圖5給出了克服橫向風(fēng)力、橫向水流力和橫向波浪力所需港作拖船的拖力。通過下面案例來說明如何應(yīng)用這3個圖表分析計算。

圖3 龍骨下富余水深對水流力的影響

圖4 克服橫向水流力所需拖船拖力

圖5 克服橫向波浪力所需的拖船拖力

集裝箱船舶：船長294 m，垂線間長281 m，型寬32 m，吃水12.5 m，水深13.8 m；集裝箱頂面至水面高度22 m；向岸風(fēng)風(fēng)速30 kn；橫流流速0.5 kn；橫浪波高0.5 m。

由上述參數(shù)可得：水深/吃水=13.8/12.5=1.1，受風(fēng)面積約294×22=6 500 m2，船體水下面積約281×12.5=3 500 m2，排水量 =75 000 t。

查圖2、圖4、圖5克服橫向風(fēng)力、橫向水流力和橫向波浪力所需港作拖船的拖力分別為：117 t、42 t、8 t，則總拖力為167 t，即在上述風(fēng)、浪、流條件下需要4艘系柱拖力至少40 t的拖船輔助作業(yè)。如果波浪和流速很小，僅在風(fēng)的作用下，則4艘系柱拖力30 t的拖船或者2艘系柱拖力60 t的拖船就可以滿足輔助作業(yè)要求。

大多數(shù)集裝箱船、滾裝船、液化氣船都裝備有船艏側(cè)推器或者船艏和船艉側(cè)推器。工程實踐證明，側(cè)推器能夠明顯地提高船舶低速時的操縱性能，所需的港作拖船的總拖力可根據(jù)船舶側(cè)推器的功率適當(dāng)減小。仍以上述集裝箱船舶為例，如其船艏側(cè)推器功率為1 865 kW，則所需港作拖船的總拖力可減小約28 t。此時，不考慮波浪和潮流的影響，只需要3艘拖力為30 t的拖船即可。

需要注意的是，船舶側(cè)推器的效力隨著船舶運動速度的加大而快速降低。當(dāng)船速為2kn時，其效力約降低50%；當(dāng)船速為4 kn時，側(cè)推器基本無法發(fā)揮效力。因此，能否利用船舶側(cè)推器的作用來減少拖船配置數(shù)量，需要根據(jù)港口情況、環(huán)境條件、船速、船舶龍骨下富余水深等綜合確定。

3.2.2.2 按照船舶排水量計算的拖力

對于油船和散貨船，可以根據(jù)其排水量按照下式估算需要的港作拖船總拖力：

按JTJ211—99計算的拖船總功率換算的總拖力比上式計算的總拖力偏小。

3.2.2.3 國外港口港作拖船數(shù)量和總拖力配置的經(jīng)驗統(tǒng)計

上述的港作拖船總拖力計算方法可作為設(shè)計使用，在實際生產(chǎn)操作中，絕大多數(shù)情況下都是根據(jù)船長和引水員的經(jīng)驗來確定需要的港作拖船數(shù)量和拖力。大型船舶和復(fù)雜海況環(huán)境進(jìn)出港時，有時需要引水員、港務(wù)管理部分單獨研究確定拖船輔助方案，必要時可通過船舶操縱仿真模擬試驗確定。

圖6、圖7、圖8給出了國外一些港口件雜貨船、集裝箱船、油船、散貨船靠離泊作業(yè)時需要的港作拖船的數(shù)量和總拖力的統(tǒng)計結(jié)果。圖中上面一條實線表示在復(fù)雜環(huán)境、操作困難情況下的港作拖船的數(shù)量和總拖力，下面一條實線表示海域環(huán)境較好情況下的港作拖船的數(shù)量和總拖力。需要說明的是，船舶離泊或者船舶壓載、輕載時，拖船數(shù)量和總拖力可適當(dāng)減少。當(dāng)船舶有船艏側(cè)推器或船艉側(cè)推器時，港作拖船的數(shù)量也可適當(dāng)減少。

圖6 集裝箱船舶和件雜貨船舶靠離泊時所需港作拖船總拖力和數(shù)量配置

圖7 油船和散貨船靠離泊時所需港作拖船總拖力和數(shù)量配置（以船長為基礎(chǔ)）

圖8 油船和散貨船靠離泊時所需港作拖船總拖力和數(shù)量配置（以載重噸為基礎(chǔ)）

4 結(jié)語

港作拖船的配置是港口工程設(shè)計的重要內(nèi)容。影響港作拖船配置的主要因素包括港口特點、碼頭結(jié)構(gòu)、進(jìn)出港船舶特點、環(huán)境條件、拖船輔助方式等。

我國交通行業(yè)規(guī)范對港作拖船配置的規(guī)定比較簡單，主要是以船舶載重噸為基礎(chǔ)按照經(jīng)驗公式估算所需拖船總功率，沒有考慮船舶特點、環(huán)境條件等因素。按此規(guī)定配置的拖船常常不能滿足港口作業(yè)的實際需要。國際航海協(xié)會出版的《拖船在港口中的應(yīng)用》詳細(xì)研究了影響港作拖船配置的各種因素，給出了所需總拖力的計算方法和參考圖表，也給出了國外一些港口件雜貨船、集裝箱船、油船、散貨船靠離泊作業(yè)時需要的港作拖船的數(shù)量和總拖力的統(tǒng)計結(jié)果，值得我們借鑒或參考。

[1] JTJ211—99，海港總平面設(shè)計規(guī)范[S].

[2] 傅華.國內(nèi)外拖船的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].船舶，2010（4）：12-16.

[3] 王少青，李明武.淺談港作拖船建造的設(shè)計特點[C]//中國造船工程學(xué)會.2008中國大連國際海事論壇論文集.大連：大連海事大學(xué)出版社，2009.

[4]Captain Henk Hensen，F(xiàn)NI.TUGUSE IN PORT[M].England：The Nautical Insititue，1997.