負(fù)角度靠泊在船舶靠泊操縱中的應(yīng)用

李飛鏑，潘國華

（寧波引航站，浙江 寧波315800）

掌控好靠泊角度對船舶靠泊操縱風(fēng)險(xiǎn)控制甚為重要.這個重要性主要體現(xiàn)在三個方面：安全、時效、和經(jīng)濟(jì).在船舶周轉(zhuǎn)快速化的時代，每一個小時對船舶、對港口來說都相當(dāng)珍貴，因此，如果駕引人員能快速的操縱船舶靠妥碼頭，則能保障船舶和港口各系統(tǒng)的快速順利運(yùn)轉(zhuǎn)[1].在船舶操縱的某些特殊情況下，如果還是按照常規(guī)的方法操縱船舶入泊，則可能出現(xiàn)費(fèi)時費(fèi)力的情況，有時還潛伏了很大的風(fēng)險(xiǎn)[2].這時需要轉(zhuǎn)換思維方式，采取負(fù)角度入泊的方法進(jìn)行靠泊操縱.

1 負(fù)角度靠泊

圖1是船舶靠泊的三種姿態(tài)，有流港頂流靠泊或靜水港頂風(fēng)靠時一般在外有一定的入泊角度圖1（a），用“β”來表示，然后靠至碼頭一定橫距的時候船舶基本與碼頭呈平行狀態(tài)圖1（b）.β是指[1]船舶淌航至泊位外檔，靠向碼頭時，船的首尾線與碼頭所在直線的交角，即船頭甩向碼頭線閉合的角度.如果我們把這個角度稱為正角度，負(fù)角度則是相對于正角度β的.負(fù)角度也是碼頭所在直線和船首向之間的交角，也就是船頭甩出碼頭線打開的角度，用“α”表示，如圖1（b）和（c）所示.

圖1 船舶靠泊的三種姿態(tài)Fig.1 Three states of vessel berthing

負(fù)角度靠泊是指靠泊過程的初始階段船尾較船頭先靠向碼頭[3]，在最后一定距離實(shí)現(xiàn)平靠的靠泊操縱.在微順流的情況下，負(fù)角度靠泊主要是借助船尾外檔受流將船壓往碼頭.在有一定角度軋攏流的碼頭水域，負(fù)角度靠泊主要是甩出船頭減小流壓角實(shí)現(xiàn)安全靠泊[4].在風(fēng)來自正橫前的強(qiáng)攏風(fēng)天氣時，負(fù)角度靠泊主要是減小風(fēng)舷角進(jìn)而減小橫向風(fēng)壓力，從而較好的控制船舶入泊[5].

2 負(fù)角度靠泊的注意事項(xiàng)

2.1 負(fù)角度靠泊的時機(jī)

在某些水域，不同時間的潮流難以準(zhǔn)確推定，或者船舶靠泊時潮流和風(fēng)力風(fēng)向較之前推測的快速快速變化.負(fù)角度靠泊的主要運(yùn)用區(qū)域：位于岸線轉(zhuǎn)角處的碼頭、位于岬角、彎底的碼頭，島礁背面的碼頭，回流明顯的區(qū)域的碼頭等.

2.2 負(fù)角度靠泊的條件

駕引人員有嫻熟的操船技能，對負(fù)角度靠泊中可能遇到的局面有應(yīng)對的能力.駕引人員應(yīng)對靠泊操作的水域環(huán)境，包括潮流潮汐、風(fēng)向風(fēng)力及其變化有一個清晰的了解，對轉(zhuǎn)流時間、流速大小等心中有數(shù)[6].具有能在合適的距離內(nèi)控制住船舶首尾入泊的速度以實(shí)現(xiàn)平行靠泊的能力.泊位前或后端要有足夠的可操縱水域.船舶主機(jī)性能良好，能滿足頻繁啟動的能力.

2.3 負(fù)角度靠泊過程的控制

駕引人員在操船過程中遭遇與預(yù)想不一樣的風(fēng)、流或者拖船的總馬力配置較低時，常通過調(diào)整船舶姿態(tài)減小風(fēng)流合壓力或者充分利用風(fēng)壓力、流壓力來實(shí)現(xiàn)靠離泊操縱[7].負(fù)角度靠泊時，大船一定要在合適的距離之外帶好拖船，以便在微順流的情況下幫助大船減速和頂推船尾先行入泊、在強(qiáng)攏風(fēng)天氣盡早實(shí)施試拖以便更好掌握本次靠泊拖船是否能夠控制局面等[8-9].負(fù)角度靠泊只是靠泊的初始和中間階段，最后階段要回歸平行靠泊.因此，靠泊開始階段大膽將船頭甩出一定的角度，通過拖船的拖拉或頂推使得船舶的橫移速度控制在合適的區(qū)間內(nèi).一般在橫距2倍船寬內(nèi)應(yīng)將船舶調(diào)整到與泊位平行，以便最終實(shí)現(xiàn)平行靠泊[10].

3 負(fù)角度靠泊在船舶操縱中的應(yīng)用

3.1 負(fù)角度在微順流中的靠泊應(yīng)用

在碼頭前沿掉頭水域受限、港池水域狹窄等靠泊條件不利的情況下可采用負(fù)角度靠泊；此外，有些情況下船舶淌航至碼頭邊時處于尷尬潮水，航道上是漲流，碼頭邊已平流或微落，比如，大榭港區(qū)實(shí)華原油碼頭1號泊位[11-12].當(dāng)然，微順流靠泊的前提是流速較弱（流速≤1節(jié)時進(jìn)行）.

根據(jù)流壓力計(jì)算公式[13]：

式中，ρw為水密度；Cwy為流壓力橫向分力系數(shù)；Vw為相對流速；L為船舶兩柱間長；d為船舶吃水.

從（1）式可知，在水密度ρw、相對流速V、船舶兩柱間長L、船舶吃水d一定的情況下，流壓力的橫向分力計(jì)算的結(jié)果主要與流壓力橫向分力系數(shù)Cwy有關(guān)，而的取值與流壓角關(guān)系密切.

以333 m VLCC靠泊某油輪碼頭為例.該類船型一般滿載吃水為22.5 m左右，假定本次靠泊操縱船舶吃水為20 m，碼頭前沿漲流流向與碼頭基本平行，船舶淌航至碼頭橫距3cable時前進(jìn)速度為1.5節(jié)，當(dāng)時流速為漲末順流約0.5節(jié)，微順流靠泊時流來自船尾方向.根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)查資料可知船舶橫向流壓力情況，然后根據(jù)式（1）計(jì)算出不同靠泊角情況下船舶受力大小和方向如表1所示.

表1 不同靠泊角情況下船舶受力大小和方向Table 1 Force magnitude and direction of vessel under different berthing angles

若某一拖船頂推力量為30噸作用于船尾，則與上表的結(jié)果疊加之后船舶受外力合力的結(jié)果可得到圖2.

顯然，靠泊角逐漸變成負(fù)角度時，同樣大小拖船頂推下船舶受到的合力變化有利于靠泊的需要.即使靠泊角只是由10°變成-10°，這種改變對船舶受到外力的變化近25噸，相當(dāng)于一艘小拖船的力量.此類情況下，當(dāng)船舶以正角度入泊時，里檔受到的流壓力對于船舶來說是推開力.因此，在這個階段拖船的作用力大部分只是用于克服向外的流壓力，對于船舶的攏泊幫助很小.這個局面的改變時機(jī)要么是當(dāng)?shù)氐某绷靼l(fā)生變化，要么是改變?nèi)氩唇嵌?，否則船舶難以入泊.在時機(jī)到來之前，拖船的燃油做功絕大部分都是做無用功，船舶甚至可能越靠越開.改變靠泊操縱的思維模式，一來可以省下將近一艘小拖船的推力，還可以大大縮短靠泊時間，相應(yīng)減少其他拖船的頂推作業(yè)時間，省時又省力，既提高了作業(yè)效率，又實(shí)現(xiàn)了綠色引航[14].

圖2 給定30 t外力情況下船舶所受合力隨靠泊角變化圖Fig.2 Variation of vessel's resultant force with berthing angle given 30 tons external force

3.2 負(fù)角度在自然條件較差水域的靠泊操縱

在某些自然條件較差、軋攏流或者推開流較強(qiáng)的碼頭水域，按照常規(guī)的做法進(jìn)行靠泊操作常常會有難以攏泊的困難.但是如果改變思路，接近泊位時采用負(fù)角度入泊，則可能更安全、更容易控制局面.比如，處于島礁區(qū)水域的碼頭，由于不規(guī)則海岸線地形的影響，主航道的潮流在流經(jīng)突出的礁石或山腳時常常會形成挑流，導(dǎo)致在一些碼頭前沿形成與主航道截然相反的流向.這種挑流形成的回流變化快，外面主航道漲水急且延續(xù)時間長，碼頭邊落水范圍小流速急，常常難以捉摸，如圖3所示.

圖3 碼頭內(nèi)外流向不一致時不同靠泊角度作業(yè)圖Fig.3 Operation drawing of different berthing angles in contrary current direction

在這些水域操縱靠泊時，如果按照平常的操縱思路進(jìn)行靠泊，船舶很難入泊.相反，由于正角度靠泊如圖3（a），船舶受到強(qiáng)有力的里檔推開流影響，船舶的矢量線指向碼頭外側(cè)，船舶越頂越開.換作圖3（b）的靠泊模式后，由于船舶轉(zhuǎn)心靠前，流來自右船尾，加上尾拖船的頂推，力臂發(fā)揮到最佳，F(xiàn)為Yw和Ft的矢量和.這時，船尾很容易入泊，可以發(fā)現(xiàn)船舶動態(tài)矢量線大角度指向碼頭.在進(jìn)入落流區(qū)以后，逐漸調(diào)整靠泊姿態(tài)，同時里檔落流對船舶橫移起到一個自然的降速作用，靠泊很好控制.

3.3 負(fù)角度在大風(fēng)浪天氣靠泊中的應(yīng)用

大風(fēng)寒潮來襲時，為了港口生產(chǎn)，常常在強(qiáng)吹攏風(fēng)的情況下進(jìn)行靠泊作業(yè).在大風(fēng)浪天氣靠泊（以右前八字吹攏風(fēng)為例）時最主要要考慮的是如何抑制船舶入泊橫移速度過快.目前一般做法是利用拖船的拖力抑制風(fēng)的橫向壓力.在大風(fēng)浪天氣進(jìn)行靠泊作業(yè)時，在拖船已經(jīng)帶好的前提下，拖力已知，如果通過減小風(fēng)流壓角進(jìn)而減小外力形成的橫向壓力，當(dāng)外力的橫向壓力之和減小到小于拖船的拖力時，靠泊局面就能得到較好的控制.風(fēng)動壓力和風(fēng)動壓力角的計(jì)算式[1]為：

式中，ρa(bǔ)為空氣密度；Ca為風(fēng)動壓力系數(shù)；Va為相對風(fēng)速；θ為風(fēng)舷；Aa為水上船體正面投影面積；Ba為水線上船體側(cè)面投影面積；Fα為風(fēng)動壓力；α為風(fēng)動壓力角.

通過式（2）簡化計(jì)算可以知道，查表可知Ca為1.34，風(fēng)力5、6、7級時的風(fēng)速分別為10.7 m/s、13.8 m/s、15.5 m/s，以“XIN LOSANGELES”輪半載吃水12米為例進(jìn)行計(jì)算，該輪半載受風(fēng)面積分別為Aa=1 600 m2，Ba=9 300 m2，表2、表3是6級風(fēng)和7級風(fēng)時，“XIN LOSANGELES”輪橫向風(fēng)壓力情況.

通過流壓力計(jì)算公式可知該船相對流壓力Yw的受力情況，表4是“XIN LOSANGELES”輪的橫向流壓力.

在強(qiáng)風(fēng)吹攏的情況下，設(shè)定風(fēng)舷角為45°，當(dāng)時頂流1節(jié)（流向設(shè)定與碼頭平行），若分別采取負(fù)角度10°進(jìn)行靠泊與采取與平行碼頭靠泊、正角度10°靠泊進(jìn)行船舶所受合力比較，根據(jù)式（1）和式（4），可知

表2 6級風(fēng)時“XIN LOSANGELES”輪橫向風(fēng)壓力Table 2 Lateral wind pressure of“XIN LOSANGELES”in case of 6-level wind

表3 7級風(fēng)時“XIN LOSANGELES”輪橫向風(fēng)壓力Table 3 Lateral wind pressure of“XIN LOSANGELES”in case of 7-level wind

表4 “XIN LOSANGELES”輪橫向流壓力Table 4 Transverse flow pressure of“XIN LOSANGELES”

式中，F(xiàn)為船舶所受橫向力的合力；Ya為橫向風(fēng)壓力；Yw為橫向流壓力.

通過上述公式，可以得到不同靠泊方式下船舶外力受力，圖4是不同靠泊方式下船舶外力受力變化圖.

從圖4可以明顯的看出，在改變靠泊方式之后，同一船舶、同樣的外界風(fēng)流情況下船舶所受外力合力情況迥然不同.在正角度靠泊的時候，風(fēng)流影響是疊加作用在船舶上，因此受力較高.在負(fù)角度靠泊的時候隨著風(fēng)舷角的變小，風(fēng)動壓力變小，另外由于里檔受流，流對船舶的作用力指向外檔，因此合力下降非常明顯.在外力下降顯著的情況下，拖船工作時即便由于風(fēng)浪、帶纜位置或操縱方法等的影響而產(chǎn)生一定程度的功率折扣，對于引航員來說依然可以很好的控制靠泊局面，安全靠泊.

圖4 不同靠泊方式下船舶外力受力變化圖Fig.4 Change of external force of vessel under different berthing modes

3.4 負(fù)角度靠泊在大角度軋攏流水域的應(yīng)用

某些碼頭由于受到自然條件的約束，導(dǎo)致流向與碼頭存在較大的角度.在平常的靠泊中，若使用正角度入泊，存在一個普遍的現(xiàn)象就是：行進(jìn)中的船舶轉(zhuǎn)心靠近船首，外檔受流產(chǎn)生繞著船首的偏轉(zhuǎn).落水靠泊時不管大小船，船首拖船均難以控制住船頭的外甩.船長超過250 m的大型船舶若要強(qiáng)力控制住外向的轉(zhuǎn)頭力矩，一般需要動車滿舵結(jié)合艏側(cè)推和船首拖船的全力頂推方能抑制.這樣做的后果是船舶橫移速度非?？?，臨近碼頭時前后拖船均需要提早起拖才能安全靠泊，在北風(fēng)天由于其碼頭走向的緣故導(dǎo)致風(fēng)動壓力角比其他水域來的更大，因此安全隱患尤其突出.

在操縱實(shí)踐中，筆者常選擇在一定的橫距范圍內(nèi)隨潮流將船頭向外擺出，實(shí)現(xiàn)10°～15°、有時甚至達(dá)20°角度的負(fù)角度靠泊，在1倍左右橫距根據(jù)橫移速度的大小調(diào)整靠泊角度最終實(shí)現(xiàn)平行靠泊.這樣通過減小流壓角從而減小轉(zhuǎn)船力矩、減小船舶受到的橫向流壓力，減緩靠泊速度，從實(shí)踐來看效果明顯，既有效控制了橫移速度，也不需要首拖船長時間全力頂推，安全、綠色.相關(guān)數(shù)學(xué)計(jì)算在此不再展開，可根據(jù)公式（1）和（4）等很方便算出.

4 結(jié)論

負(fù)角度靠泊與常規(guī)靠泊存在思維方式上的不同，但最后達(dá)到的目的是一致的，即安全平行靠泊.在具體操縱上，駕引人員要把握好實(shí)施靠泊操縱的實(shí)際，核實(shí)負(fù)角度靠泊所需要的條件是否滿足，對影響船舶的外力如風(fēng)流、拖輪的影響力要經(jīng)過一定的科學(xué)計(jì)算，確保其可行性，要在負(fù)角度靠泊和平行靠泊之間找到契合點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)船舶安全靠泊.