超大型油船冰區(qū)靠泊關(guān)鍵技術(shù)
——以大連長(zhǎng)興島恒力石化碼頭為例

李 林

(大連港引航站， 遼寧 大連 116001)

1 大連長(zhǎng)興島恒力石化碼頭冬季冰情對(duì)船舶靠泊的影響

1.1 冬季冰情概況

恒力石化30萬t碼頭位于大連長(zhǎng)興島北部高腦子海域已建好的北港區(qū)(恒力石化港區(qū))西防波堤西側(cè)水域，軸線為62°～242°。該區(qū)域冬季常風(fēng)向?yàn)镹W，次常風(fēng)向?yàn)镹NW，區(qū)域內(nèi)受季風(fēng)的影響較大。因此，冬季NW風(fēng)極易將浮冰吹向碼頭，其分布態(tài)勢(shì)大致與長(zhǎng)興島北港區(qū)東西防波堤平行，平整冰厚度一般為30.0～47.6 cm，并伴有碎冰。此種冰情受風(fēng)向和風(fēng)力影響甚烈：風(fēng)向越接近W，風(fēng)力越大，因碎冰向岸攏去形成的岸側(cè)冰情越嚴(yán)重。風(fēng)對(duì)冰量的影響分布見圖1。渤海冰情等級(jí)隨時(shí)間的變化見圖2。

圖1 風(fēng)對(duì)冰量的影響分布

圖2 渤海冰情等級(jí)隨時(shí)間的變化

1.2 冬季冰情對(duì)船舶靠離泊影響

由圖2可知:恒力石化碼頭每年12月到翌年3月會(huì)有大量平整冰和碎冰浮動(dòng)，且近岸冰情受W風(fēng)的影響更大。上述冰情態(tài)勢(shì)對(duì)超大型油船(Very Large Crude Carrier,VLCC)靠泊時(shí)各種與安全相關(guān)的內(nèi)外因素的影響如下。

1.2.1影響人為因素

冰情嚴(yán)重會(huì)對(duì)引航員和船長(zhǎng)的心理形成巨大的震懾，易于造成船舶駕駛?cè)藛T心理扭曲，在焦躁中蠻干，致操船方法失宜。

1.2.2影響外部環(huán)境

(1) 當(dāng)浮冰嚴(yán)重時(shí)，可在距岸1 km范圍內(nèi)形成浮冰集聚區(qū)。當(dāng)船舶因特殊原因不得不在長(zhǎng)興島恒力石化港區(qū)防波堤外拋錨時(shí)，有可能在重新起錨過程中因浮冰堆積而導(dǎo)致絞錨困難，嚴(yán)重時(shí)甚至丟錨或使錨鏈?zhǔn)軗p。

(2) 恒力石化防波堤走向?yàn)?2°～242°，防波堤口朝西側(cè)。因此，受偏西風(fēng)影響(冬季多為NW向)，每年12月至翌年3月，碎冰和平整冰往往隨著洋流位移。大量浮冰會(huì)順風(fēng)涌向防波堤(甚至碼頭邊緣)，阻塞航道和碼頭。同時(shí)，當(dāng)平整冰厚度達(dá)到20～30 cm時(shí)，船舶基本上不能自力破冰航行，甚至?xí)槐鶌A住，產(chǎn)生隨冰漂流的險(xiǎn)情。VLCC的滿載吃水通常在20 m以上，即便半載,通常也有約18 m的吃水，如果隨冰漂移至淺水區(qū)域，極易引發(fā)擱淺事故。

(3) 當(dāng)冰情嚴(yán)重時(shí)，碼頭與船舶間始終存有大量浮冰，阻滯船舶如期貼靠碼頭。

(4) 當(dāng)冰情嚴(yán)重時(shí)，拖船極易出現(xiàn)主機(jī)因海底閥被冰堵而停轉(zhuǎn)和錨鏈損丟的情況，導(dǎo)致拖船(甚至是破冰拖船)“騎”上碎冰而無法移動(dòng)等危險(xiǎn)。此時(shí)，拖船自身安全難以保證，對(duì)于靠離泊需要拖船輔助的30萬噸級(jí)油船而言，極易誘發(fā)失控的隱患。

1.2.3影響VLCC的結(jié)構(gòu)與設(shè)備

(1) 當(dāng)浮冰存在時(shí)，如果船舶的海底閥使用不當(dāng)或沒有轉(zhuǎn)入內(nèi)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，浮冰有可能進(jìn)入海底閥堵塞循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，造成船舶主機(jī)出現(xiàn)故障。

(2) 在螺旋槳沉深不足的情景下，停車易被冰困，而盲目倒車易導(dǎo)致螺旋槳碰冰受損，陷于進(jìn)退維谷的境地。

(3) 當(dāng)冰情嚴(yán)重時(shí)，船舶一般采用慢速快車的方法破冰，即緩慢觸碰浮冰，逐漸加大主機(jī)轉(zhuǎn)速，加大船舶推力破冰。但是,長(zhǎng)時(shí)間地采用此法易致船舶主機(jī)負(fù)荷過載，產(chǎn)生安全隱患。

2 冰區(qū)靠離泊的關(guān)鍵點(diǎn)分析及超角度靠泊方案

綜上可知，解決VLCC冰區(qū)安全靠泊的關(guān)鍵是減小冰對(duì)船舶靠岸的影響。

VLCC靠泊,特別是滿載靠泊時(shí)，為克服船體的巨大慣性，船長(zhǎng)會(huì)選擇攏流靠泊法，即利用攏流頂推大船和拖船頂推大船的合力來緩慢平推大船進(jìn)入泊位。然而,為避免大船因合力而過快地?cái)n向碼頭，通常采用增加橫距的方法。一般情況下，船與碼頭的橫距以0.1～0.2 n mile為宜，流急時(shí)會(huì)達(dá)到0.3 n mile以上。但在冰區(qū)靠泊過程中，當(dāng)冰區(qū)由冰泥固結(jié)的軟冰層組成時(shí)，冰阻力遠(yuǎn)大于水阻力。因此，流對(duì)大船的頂推影響可忽略不計(jì)。此時(shí)，大船受到的冰阻力過大，攏流壓力過小，如果采用常規(guī)的單獨(dú)依靠拖船頂推大船靠泊碼頭的辦法，往往因冰阻力大于拖船推力而使大船不能入泊。因此，VLCC在冰區(qū)靠泊過程中需解決兩項(xiàng)技術(shù)難題,即：

1) 船舶在靠泊碼頭過程中的轉(zhuǎn)向角度要能減少船岸間冰量，使得冰阻力等于或小于船舶平行碼頭后的拖船阻力；

2) 按照上述角度實(shí)施轉(zhuǎn)向的最晚施舵點(diǎn)。

為解決這兩個(gè)難點(diǎn)，本文提出VLCC冰區(qū)靠泊的超角度靠泊法。

2.1 VLCC冰區(qū)靠泊的超角度靠泊法

超角度靠泊法是指在靠泊過程中揚(yáng)棄傳統(tǒng)的平行抵泊法，改用增大入泊角度、減小入泊橫距，以減小大船與泊位之間的冰量，從而減小冰阻力的方法。見圖3。

圖3 VLCC常規(guī)靠泊與超角度靠泊示意

2.2 超角度靠泊法特點(diǎn)

較之傳統(tǒng)平行抵泊法，超角度靠泊法有以下特點(diǎn)：

1) 船舶用于接近泊位的“旋回”范圍增大。

2) 船舶接近泊位的角度較大。

3) 船舶和泊位間的冰量減少,冰阻力減小。

超角度靠泊法旨在減少船舶與泊位間的冰量，從而減小冰阻力對(duì)靠泊的影響。船舶在碎冰區(qū)域航行時(shí)與冰相互作用的阻力遠(yuǎn)大于與水相互作用的阻力(見圖4)。

圖4 船舶速度與阻力的關(guān)系

顯而易見，超角度靠泊法的最大優(yōu)點(diǎn)在于船舶航向與碼頭走向的入泊角度較大，橫距較小，有利于減少冰量和減小冰阻力，從而易于大船靠泊。但是,其不足之處在于因船舶與碼頭入泊角度較大，易給駕駛?cè)藛T造成視覺上的沖擊，心理上造成負(fù)擔(dān)，以為大船始終與碼頭有交角，難以平行入泊，擔(dān)心發(fā)生船舶與碼頭碰撞的事故。因此，超角度靠泊法的實(shí)施關(guān)鍵是尋求大船入泊角度，尋求與碼頭走向平行的最晚施舵點(diǎn)。

2.3 最晚施舵點(diǎn)與入泊角度的數(shù)學(xué)模型分析

2.3.1最晚施舵點(diǎn)數(shù)學(xué)模型

船舶在采用最晚施舵點(diǎn)后平行于碼頭時(shí)，需靠拖船頂推入泊。此推力應(yīng)大于等于冰阻力，且在頂推入泊過程中，船舶的變形應(yīng)為可逆變形，即因冰與拖船的作用力而產(chǎn)生的船體變形應(yīng)在許可的彈性模量的物理范圍內(nèi)。鑒于此，引入冰的彈性模量與冰的體積之間的換算關(guān)系，通過計(jì)算船舶新航向距離和拖船頂推力，建立關(guān)于最晚施舵點(diǎn)的換算關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。

最晚施舵點(diǎn)至碼頭的距離為L(zhǎng)(見圖5)，最小轉(zhuǎn)向施舵距離L的計(jì)算式為

L=Dnc+b

(1)

式(1)中：Dnc為轉(zhuǎn)向過程中的新航向距離，m;b為大船與碼頭中間冰的寬度，m。

由式(1)可知:在計(jì)算最晚施舵點(diǎn)到碼頭的垂

圖5 最晚施舵點(diǎn)到碼頭垂直距離L示意

直距離時(shí),需先計(jì)算出新航向距離Dnc與大船與碼頭中間冰的寬度b。以下為Dnc與b的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)。

Dnc的計(jì)算式為

(2)

式(2)中:vs為旋回初速度，m/s;K和T為船舶操縱指數(shù);t1為操舵時(shí)間，s;δ為操舵角，(°);φ為轉(zhuǎn)向角，(°)。

新航向距離計(jì)算示意見圖6。

圖6 新航向距離計(jì)算示意

b的計(jì)算式為

(3)

式(3)中：h為冰的厚度，m；Vb為船舶與碼頭間冰的體積，m3；l為船舶長(zhǎng)度，m。

在已知船舶l(fā)和h(可根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀箢A(yù)報(bào)得出)的前提下，通過下列數(shù)學(xué)推導(dǎo)可得船岸間冰的Vb。

船岸間冰對(duì)船舶的阻力(Fb)應(yīng)小于等于協(xié)助大船靠泊的拖船的總推力F，即

Fb≤F

(4)

F的計(jì)算方程式如下:

先計(jì)算出VLCC滿載所需拖船總功率P，即

P=TDW×5.15%

(5)

式(5)中:TDW為船舶總載重量,t。

根據(jù)總功率可計(jì)算出拖船總推力為

(6)

因式(4)中Fb≤F，可計(jì)算出冰阻力Fb的極限值，即Fb=F。

通過Fb的極限值與海水密度、海冰與船舶接觸面的投影寬度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，可計(jì)算出海冰的特征長(zhǎng)度。計(jì)算式為

(7)

式(7)中:ks為海水密度,kg/m3;D為海冰與船舶接觸面的投影寬度，m;li為海冰的特征長(zhǎng)度。

根據(jù)li與冰的彈性模量的關(guān)系可得冰的彈性模量E為

li={Eh3/[12(1-n2)ks}0.25

(8)

式(8)中:h為海冰厚度，m;n為泊松比，船舶在冰區(qū)中的泊松比經(jīng)驗(yàn)值為0.25～0.36，推薦值為0.30。

根據(jù)E與冰體積之間的關(guān)系，可得

(9)

在計(jì)算出Vb后，根據(jù)式(3)可算出b值，根據(jù)式(1)可算出轉(zhuǎn)向施舵的最晚施舵距離L。

2.3.2入泊角度的數(shù)學(xué)模型

在計(jì)算冰中最晚施舵距離L、選擇轉(zhuǎn)向時(shí)機(jī)時(shí)，亦需參考船舶的入泊角度。為減小Vb，船舶在冰中的入泊角度要大于在靜水中的入泊角度(見圖7)。

圖7 靜水入泊角度與冰區(qū)入泊角度對(duì)比

根據(jù)文獻(xiàn)[13]可得船舶在冰中旋回運(yùn)動(dòng)時(shí)漂角與冰對(duì)舵阻力的關(guān)系。因此，在計(jì)算出冰對(duì)舵阻力的前提下，根據(jù)漂角與冰阻力的關(guān)系可得漂角的平均值。根據(jù)漂角與角速度的關(guān)系式可計(jì)算出船舶在冰中的旋回角速度，再根據(jù)角速度與時(shí)間的乘積等于入泊角的關(guān)系式，便可得到入泊角度。

具體計(jì)算式為

θ=ω·TC

(10)

式(10)中:θ為船舶冰中靠泊入泊角，(°);ω為旋回角速度，(°)/min;TC為旋回運(yùn)動(dòng)時(shí)間，min。式(10)中ω的計(jì)算式為

(11)

式(11)中:v為航速，m/min;R為船舶回轉(zhuǎn)半徑，m;β為漂角，(°);t2為旋回時(shí)間，min。

由此可得知船舶冰中旋回的漂角，進(jìn)而可通過式(11)計(jì)算出船舶的ω。

另外,由文獻(xiàn)[13]可知:通過漂角β和冰阻力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可列表查出在不同冰阻力的作用下漂角β的數(shù)值(見表1)。

表1 冰船相互作用模型試驗(yàn)阻力均值與漂角關(guān)系

由表1可知:在不同冰阻力前提下，通過冰阻力計(jì)算可得到對(duì)應(yīng)的漂角。

由文獻(xiàn)[14]可知冰阻力計(jì)算式為

(12)

由式(12)可得Pice，據(jù)表1可查得漂角β，再據(jù)式(11)可算出旋回角速度ω，最后據(jù)式(10)取得入泊角θ。

3 結(jié)束語

目前,國內(nèi)外針對(duì)船舶冰區(qū)靠泊的研究尚處于起步階段，本文論證VLCC冰區(qū)靠泊的關(guān)鍵技術(shù)，從理論上提供了解決這一難題的一種實(shí)踐方案——超角度靠泊法，這對(duì)于確保冰區(qū)靠泊作業(yè)安全具有一定的理論指導(dǎo)價(jià)值和實(shí)踐借鑒意義。但考慮到冰區(qū)靠泊過程中冰情、洋流和海浪等因子對(duì)船舶的干擾度難以量化，故在具體的操作實(shí)踐中尚需援以相關(guān)的技術(shù)協(xié)調(diào)，如VLCC冰區(qū)航前準(zhǔn)備、應(yīng)急預(yù)案的準(zhǔn)

備和碼頭方面的配合等，這將是今后研究的重點(diǎn)。