重載大型海船自力順流掉頭拋錨方法研究

朱要強(qiáng)，趙俊超

（1.長江引航中心張家港引航站，江蘇 張家港 215600；2.武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院，湖北 武漢 430063）

1 前言

隨著長江12.5米深水航道的建設(shè)，5萬噸級大型海船能從長江口全天航行到南京，大大加劇了長江航道的通航密度和航行難度。隨著被引船舶的大型化，長江引航工作也面臨著重大風(fēng)險(xiǎn)[1]。大型海船在受限水域的掉頭拋錨操縱一直是引航工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

由于重載大型船舶在長江掉頭過程中，船舶產(chǎn)生沿首尾向、橫向和以轉(zhuǎn)心為支點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，駕引人員很難對本船的運(yùn)動態(tài)勢做到精準(zhǔn)把握。同時，由于內(nèi)河水道掉頭水域有限，水流急，水深不足，船舶流量大，易對船舶掉頭造成意料之外的風(fēng)險(xiǎn)，因此，大型海船在重載情況下掉頭拋錨作業(yè)難度之大，就算經(jīng)驗(yàn)豐富的引航員也不能完全保證船舶的安全，為了保障重載大型海船掉頭拋錨作業(yè)的安全，邀請了多位引航經(jīng)驗(yàn)豐富的引航員進(jìn)行探討，提出了一種重載大型海船自力順流掉頭拋錨方法，可為引航員引航提供理論指導(dǎo)。

2 錨泊操作分析

自力掉頭的方法有很多種，包括拋錨掉頭，進(jìn)倒車配合掉頭，側(cè)推器輔助掉頭，滿舵旋回掉頭，Williamson操縱掉頭等，每種掉頭方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用環(huán)境。進(jìn)倒車配合掉頭需要有足夠的時間和縱向水域，Williamson操縱掉頭需要縱向和錨地異向側(cè)水域足夠大。大型重載船舶在順流急時拋錨作業(yè)很容易導(dǎo)致斷鏈?zhǔn)у^，因此，僅作為備用應(yīng)急操縱措施。滿舵旋回掉頭的優(yōu)點(diǎn)是掉頭迅速，動態(tài)明確，所需時間短，在等待到合適位置后就可迅速實(shí)施，既避免了長時間占用航道操縱造成堵塞，也可避免喪失極佳的掉頭窗口而被不肯主動避讓本船的小型船舶逼入死路。故大型重載海船順急流進(jìn)錨地自力拋錨最有利的方法是掉頭后頂流拋錨[2]。

2.1 船舶旋回特性分析

船舶在掉頭拋錨時，需要結(jié)合船舶的操作特定分析船舶的回旋特點(diǎn)，常用公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

其中，dD順流旋回縱距，T為錨泊時間，Vω錨泊時的速度。

2.2 船舶錨位需求分析

為了合理分析船舶拋錨所需的面積，當(dāng)采用單錨系泊時，船舶的錨位可通過公式（2）和（3）計(jì)算。

其中，R為單錨水域系泊半徑（m）；L徑為設(shè)計(jì)船長（m）；h徑為錨地水深（m）

2.3 風(fēng)流的影響分析

2.3.1 風(fēng)對船舶航行的影響分析

為了更清晰分析風(fēng)對通航環(huán)境的影響，對于大型重載船舶，在風(fēng)影響下，受風(fēng)作用而產(chǎn)生的風(fēng)致漂移量可按公式（4）計(jì)算：

式中：K——系數(shù)，取0.041；aB——船體水線上側(cè)受風(fēng)面積(m2)；Bw——船體水線下側(cè)面積(m2)；Vs——港區(qū)船速（kn），取8kn；Va——相對風(fēng)速(m/s)，7級風(fēng)取15.9m/s；T——漂移時間（s），偏航角取5°。

2.3.2 流對船舶航行的影響分析

船舶在航行過程中，船舶的航行態(tài)勢受到風(fēng)的影響，風(fēng)會引起船舶產(chǎn)生漂移，其漂移量可以根據(jù)公式（5）計(jì)算。

式中：VC—流速（m/s）；α—流壓角；T—漂移時間(s)，T=S/VS，S為航行的距離，取船長的倍數(shù)。

3 案例分析

3.1 任務(wù)要求及錨地概況

香港籍X輪原計(jì)劃從長江張家港駛往上海寶山交接出口，開航后接調(diào)度通知因上海北槽風(fēng)浪大，暫停交接，改駛張家港八號錨地拋錨等待。香港籍X輪，船長189.99米，船寬32.2米，吃水10.8米，實(shí)際載貨45000噸的散貨船，該船屬于重載大型船舶，其滿載旋回半徑如圖1所示。

圖1 中，旋回進(jìn)距dA, 橫距rT，旋回初經(jīng)tD均是船舶出廠時在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)水域無風(fēng)無流情況下測得，從圖中可見，旋回的進(jìn)距為0.38nm，向右旋回初經(jīng)0.45nm，約為 3～4倍船長，低速滿舵旋回180°需要時間為6.2min。

張家港八號錨地位于長江瀏海沙水道南側(cè)、在建滬通鐵路大橋下游。錨地寬0.5海里，長1.6海里，錨地水深20米左右，泥沙底，錨地南側(cè)為淺灘，北側(cè)緊靠主航道，錨地已有多艘船錨泊。

3.2 通航環(huán)境分析

3.2.1 航道條件

該水域?yàn)闃騾^(qū)施工水域，在建工程為滬通公鐵兩用大橋，下行通航分道用紅色側(cè)面標(biāo)標(biāo)示，側(cè)面標(biāo)外不設(shè)下行推薦航路，下行船舶不論大小，均沿航道靠右行駛，下行通航分道寬300米，分隔帶寬200米，上行通航分道寬200米。

3.2.2 水文氣象條件

抵錨地時間約為1230，天氣晴，能見度良好，風(fēng)力微弱。漢口水位14.2米，正值長江高洪水期。天生港低潮時間1344，農(nóng)歷初三，大潮汛落水流，流速約4節(jié)，流向與航道順直。

3.2.3 交通流狀況

該航道為長江下行出口主航道，從上游駛出的船舶沿此航道下行，包括大小海船，內(nèi)河集裝箱船，各型內(nèi)河船舶等。船舶流量大，日平均流量超過1500艘次，同向船舶接連不斷，船舶速度不均，小型內(nèi)河船慢車淌航節(jié)油現(xiàn)象普遍，航速在7節(jié)左右。錨地下端南側(cè)為進(jìn)出通州沙西水道航道便捷水道，海事禁航，但常有小型船舶橫越錨地進(jìn)出。

3.2.4 錨位條件

錨地緊靠航道邊緣設(shè)置，北側(cè)為下行主航道。錨地上端滬橋施2號紅浮筒距離錨地中部滬橋施1號紅浮筒間距0.7海里，錨地寬度小，可供船舶掉頭水域有限，錨泊船多，可供錨位選擇余地小，錨地可供錨位僅有圖2中黑圈所示的唯一位置，該位置距離錨地上邊界0.4海里，離下游錨泊船0.4海里，距離航道0.24海里，距離南側(cè)錨泊船橫距0.23海里，必須定點(diǎn)拋錨。如圖3所示 。

3.3 船舶旋回距離計(jì)算

根據(jù)2.1所介紹的旋回特性分析公式，對香港X輪進(jìn)行了分析，計(jì)算得到了旋回縱距。

則該輪理論上的順流旋回縱距為：

根據(jù)錨地實(shí)際狀況，旋回縱距所需水域預(yù)估足夠，需要考慮的是旋回橫距所需水域的問題[3]。如果下行掉頭前，同向下行船舶較少或者下行船流空擋較大或者下行船全部同意協(xié)調(diào)避讓，則可以充分利用下行通航分道和分隔帶的寬度，掉頭前使本船船位充分地掛高拉大檔子，則可供利用橫向水域足夠。

3.4 船舶錨位計(jì)算

根據(jù)2.2所介紹的船舶錨位計(jì)算公式，對香港X輪進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算得到了錨位需求。經(jīng)計(jì)算，風(fēng)力≤7級及風(fēng)力＞7級時，香港X輪單錨系泊半徑分別為432m及518m。根據(jù)圖3所示的錨位尺寸表明擬該水域面積符合設(shè)計(jì)要求。

3.5 風(fēng)流漂移計(jì)算

根據(jù)2.3所介紹的風(fēng)流漂移計(jì)算公式，對香港X輪進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算得到了風(fēng)流漂移量，分別如表1和表2所示。

表1 船舶風(fēng)致漂移量計(jì)算表

由表1的計(jì)算結(jié)果可以分析，待錨泊船舶受風(fēng)影響隨著風(fēng)級的不斷增大而增大，航行時漂移的量也就越大。因此，進(jìn)出錨地水域時船舶應(yīng)充分考慮風(fēng)對船舶航行造成的影響。

表2 船舶流致漂移量計(jì)算表

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，流導(dǎo)致船舶漂移的距離與流速、流壓角及直航距離相關(guān)，流速越大、流壓角越大、直航距離越長，船舶流致漂移量越大。因此，船舶在航行過程中，應(yīng)該要注意保持適當(dāng)?shù)拇?，利用車、舵控制船舶漂移，減小船舶漂移量。

3.6 船舶順流掉頭特點(diǎn)分析

在掉頭操縱中，受淺水效應(yīng)、載態(tài)、船舶污底、風(fēng)、流等多種因素影響，實(shí)際的掉頭圈會與理論會有很大的區(qū)別，而且引航作為風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)，做任何操縱，都必須要把不利因素充分考慮到并留足安全余量[4]。香港籍X輪順流掉頭旋回軌跡預(yù)測如下圖4所示，船舶重載順急流旋回軌跡推測如下圖5所示。

根據(jù)3.3～3.5的分析，結(jié)合船舶重載順急流旋回軌跡預(yù)測，若本船需要盡量的靠右貼近下行航道邊緣航行，以便于同向下行船舶從本船左舷通過，則向右掉頭的水域橫距僅有約0.4nm，本船理想狀況下的旋回初經(jīng)為0.45nm，不能滿足掉好頭之后再行拋錨的要求。針對這種局面需要待船身打橫后拋短錨2節(jié)，拖錨配合車舵掉頭。

4 錨泊實(shí)際操縱

4.1 操縱要點(diǎn)

（1）掉頭前的減速。初始速度低有利于降低船舶慣性和旋回進(jìn)距，操滿舵并增加車速，在船舶尚未來得及增加前進(jìn)速度之前，由于螺旋槳滑失大，舵效的增加非常有利于旋回操作，特別是當(dāng)旋回角速度較大時，有效舵角變小，低航速高轉(zhuǎn)速，強(qiáng)烈的排出流會充分地增加舵效，快速完成掉頭。同時，較低的旋回速度，有利于駕引人員有足夠的時間觀察思考和應(yīng)對周圍環(huán)境，有利于及早地控制船舶，包括在極端不利的情況下也能選擇拋錨制動。

（2）關(guān)注主機(jī)轉(zhuǎn)速。開始掉頭時慢車即可獲得較好的轉(zhuǎn)首力矩，同時又不增加航速，掉頭過程中加車有利于增加舵效，并同時抵御船舶的慣性和流致漂移，在船舶打橫后和接近掉頭完成時，要仔細(xì)觀察橫向串視標(biāo)判斷船舶的速度是前進(jìn)或者后退，不能盲目信賴GPS速度而認(rèn)為船舶已有前進(jìn)速度，減車甚至倒車，這樣會導(dǎo)致船舶快速后退壓向下游錨泊船。需要指出的是，小型船舶或者空載船舶或者順流較緩時，船舶掉頭旋回過程最后階段中出現(xiàn)前進(jìn)速度時間較早，應(yīng)通過恰當(dāng)?shù)臏p車停車或倒車來抑制。

（3）充分利用助航設(shè)備。新式雷達(dá)可以方便的顯示船舶矢量線，通過船舶矢量線和船首向的對比，可以清楚的知道船舶的運(yùn)動趨勢。通過比對羅經(jīng)航向和GPS航向，也可以獲知船舶真實(shí)的運(yùn)動趨勢。

4.2 操縱案例分析

本船在接指令后及時調(diào)整航行計(jì)劃，通知船方派人備妥雙錨，報(bào)張家港交管中心核實(shí)錨泊計(jì)劃。距錨地較近時通過雷達(dá)及目視重點(diǎn)觀測同向下水船舶流狀況，調(diào)整航速尋找跟隨合適的下行船流空擋，確保船抵掉頭點(diǎn)時，速度控制到最低，同時掉頭側(cè)有足夠大的空擋不受他船干擾。

在距離錨位2海里時香港籍X船距后方最近船舶有近0.6海里空擋，且有逐漸增加趨勢，香港籍X船遂緊跟前船，同時開始逐步靠左側(cè)行駛，以便于右側(cè)有盡量多的空間掉頭，同時盡量將船速降到最低，但由于實(shí)際狀況所限，在多次的停車淌航后，船舶僅能降到維持舵效的6.5節(jié)航速。本船船位在距離錨地上錨界浮0.4海里，距錨位點(diǎn)0.8海里、橫距0.4海里時開始右滿舵掉頭，初起車鐘開DEAD SLOW AHEAD，逐漸加車至FULL AHEAD, 本船加速右轉(zhuǎn)的同時船舶航速下降并不明顯，同時船舶近似沿原航向向下漂移，待船首轉(zhuǎn)過90度漸趨頂流后，船速才開始明顯下降，待船首轉(zhuǎn)過近150度時，船舶航速為后退3.2節(jié)，即船舶矢量線和船首線呈接近相反態(tài)勢。此時本船距離錨位點(diǎn)縱距0.2海里，橫距0.1海里，適時回舵并操反向舵控制船首，待船舶退速逐漸降低時適當(dāng)減車鐘，待速度至后退0.5節(jié)，船抵錨位點(diǎn)時，停車拋錨。

5 結(jié)語

在內(nèi)河受限水域，操縱大型重載船舶順急流掉頭進(jìn)錨地拋錨是一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)極大的操縱。本文提出了一種重載大型海船自力順流掉頭拋錨方法及流程，并結(jié)合案例進(jìn)行詳細(xì)分析。結(jié)果表明在開展錨泊操縱工作前，需要結(jié)合船舶操縱特性嚴(yán)格分析通航環(huán)境，對船舶操縱的情況進(jìn)行預(yù)算分析，提出安全有效的錨泊方式，可大大降低大型船舶的錨泊風(fēng)險(xiǎn)。同時，在實(shí)施前應(yīng)做好充分的風(fēng)險(xiǎn)評估采取合適的安全措施并留足安全余地。