感潮港口超大型油船一潮雙靠引航技術

王曉海 劉良柱 王發(fā)根

【摘 要】 為挖掘港口容量的最大潛力，分析超大型油船（VLCC）進港引航作業(yè)條件，提出感潮港口多泊位作業(yè)的關鍵技術及一潮雙靠作業(yè)方案。以某原油碼頭VLCC一潮雙靠引航為例，對一潮雙靠引航方案進行技術論證。結果表明：在滿足安全靠泊、編隊安全航行、應急撤離等3個關鍵性和一定航速下的安全水深、拖船配備2個必要性的條件下，可以實現(xiàn)一潮雙靠的引航作業(yè)，從而達到對目前港口最大容量潛力挖掘的目的，對提升港口效率、提高港口經(jīng)濟效益具有重要的現(xiàn)實意義。

【關鍵詞】 超大型油船（VLCC）;感潮港口;一潮雙靠;可行性分析;引航技術

0 引 言

隨著我國躋身世界第二大經(jīng)濟體，經(jīng)濟發(fā)展勢頭迅猛，我國對原油的進口需求日益增長。在船舶大型化、追求最大藍色經(jīng)濟的時代背景下，國內港口相關學術機構對港口潛力的挖掘進行了初步的探索和研究。一線引航人員與相關學術機構的共同努力實現(xiàn)了對日照港嵐山港區(qū)昏影時段超大型油船（VLCC）乘潮靠泊最大作業(yè)時間線的挖掘。為進一步緩解港口通航能力不足的矛盾，提升港口效率，在限定的時間軸上，嘗試提高VLCC的靠泊船次。許得力[1]結合VLCC的引航實踐經(jīng)驗，對嵐山港區(qū)實華碼頭大型船舶編隊進港間距進行了探討;岳金惢[2]在理論層面上討論了嵐山港區(qū)一潮兩船引航方案的可行性。本文基于以往的研究與實踐，系統(tǒng)地推演VLCC在同一高潮時段雙靠泊作業(yè)方案，為挖掘現(xiàn)階段下港口的最大通航能力提供借鑒依據(jù)。

1 感潮港口VLCC一潮雙靠引航的條件

1.1 VLCC引航作業(yè)的通常條件

VLCC的質量大、吃水深、保向性差等自身特點導致其操縱性和通過性較差。另外，由于海洋環(huán)境對船舶所運載貨物的極端敏感性，VLCC對駕引人員、通航環(huán)境以及港口效能等日常引航條件有著較高的要求。只有在人員、環(huán)境、港口效能都能達到VLCC引航通常條件要求的前提下，才能對VLCC進行引航作業(yè)。

1.2 VLCC靠泊安全要求

在同一高潮的窗口期實現(xiàn)VLCC一潮雙靠，需要考慮VLCC的編隊引航風險問題?；谌?、機、環(huán)（境）、管（理）（MMEM）理論對VLCC雙編隊引航作業(yè)進行風險推演，在對單一VLCC的引航作業(yè)時，風險因子的耦合影響只發(fā)生在單一對象的風險系統(tǒng)中;而在對VLCC一潮雙靠的引航作業(yè)中，由于兩船在空間與時間維度上相聯(lián)系，某個風險因子誘發(fā)的單一風險事件可能會導致兩個風險系統(tǒng)的相繼崩潰，從而引發(fā)嚴重的事故后果（見圖1）。鑒于VLCC一潮雙靠引航作業(yè)的高風險性和高復雜性，VLCC引航作業(yè)在滿足通常條件的前提下，要切斷空間與時間兩個風險系統(tǒng)的耦合關聯(lián)，即滿足編隊間的最小安全間距及VLCC各自進港靠泊窗口期兩個關鍵性條件。這其中涉及VLCC編隊引航作業(yè)的安全水深及港口拖船配備兩個必要性條件。

1.3 應急撤離

鑒于VLCC一潮雙靠作業(yè)的高風險性和高復雜性，當發(fā)生突發(fā)事件時，要能及時啟動應急預案，確保兩船安全撤離或避險。在應急撤離規(guī)劃中，除了設置應急錨地外，還應考慮到VLCC航行在周邊航道水域水深無法滿足其偏離航道進行應急避險時，以及在前船發(fā)生事故時可能產(chǎn)生的連鎖效應。因此，科學合理地規(guī)劃應急撤離方案也是VLCC一潮雙靠可行性的關鍵性條件之一。

2 感潮港口一潮時段VLCC引航 關鍵技術

2.1 VLCC安全靠泊技術

VLCC引航作業(yè)可以分為3個階段：（1）港內航道航行至航道末端為第一階段;（2）從進入港池在拖船的輔助下操縱船舶至距泊位2倍船寬時與泊位平行為第二階段;（3）從平行于泊位并緩慢靠近至靠泊結束為第三階段。

通常，第二階段用時為30～40 min，鑒于流速是滿載VLCC運動狀態(tài)的主要影響因素，該階段要求在高平流或緩流的窗口期進行;由于涉及復雜的船舶姿態(tài)調整，此時應避免兩艘VLCC在港池內同時進行該階段的作業(yè);為保證兩船在空間距離上的安全余量，還需要隔開一個泊位進行靠泊作業(yè)。

在進入第三階段后，船舶以小于5 cm/s的速度緩慢貼近泊位，此時船舶狀態(tài)較第二階段容易控制，對周圍環(huán)境可容忍的安全余量較大。因此，第二階段是定義VLCC靠泊窗口期的關鍵節(jié)點。

2.2 VLCC編隊安全航行技術

航道內的最小安全間距分為時間上的安全時距與空間上的安全距離，是綜合反映航道安全水平的基本特征。日本學者藤井彌平最早提出船舶領域是基于空間維度的安全間距的概念。船舶領域與船舶尺寸、船型、船速、船舶操縱性、自然環(huán)境、通航環(huán)境、駕引人員綜合素質及助航設備等有關。目前，為了便于管理和控制，部分內河和沿海中小型港口采用安全時距的方式對航道進行管理。這種方式可以忽略小型船舶的操縱性能、尺寸等空間因素，不適合大型船舶通航的航道管理。

VLCC一潮雙靠引航作業(yè)作為一個復雜的作業(yè)系統(tǒng)，具有制約性、延遲性和傳遞性等特點，這類似于單車道中車輛的跟馳模型。在VLCC一潮雙靠引航作業(yè)的研究中，制約性、延遲性和傳遞性主要體現(xiàn)在前船對后船的影響上?？紤]到吃水是影響VLCC航行安全的重要因素，若VLCC偏離航道，其擱淺的可能性極大，從而可能導致前船瞬間處于靜止狀態(tài)，所以本文在研究VLCC編隊安全間距的問題上假設前船瞬間靜止，即對地速度為0。高潮時段進行引航作業(yè)，港內航道航行為順流狀態(tài)。為保證兩船沒有碰撞的可能性，此時對后船的制動要求是對地速度為0，即倒車船速等于航向上流速。在滿足VLCC引航作業(yè)的通常條件下，自然環(huán)境、通航環(huán)境、助航設備及駕引人員的技能水平等被認為是在可控范圍之內的。

綜上所述，本文基于狹水道船舶跟馳模型，通過引入船舶航速、船型尺度、駕引人員反應時間、船舶制動性能、流速及貨種安全系數(shù)等主要參數(shù)，確定了VLCC雙編隊在港口航道中不同安全水平下的安全間距：（1）一般安全水平下的安全間距，即前船瞬間靜止，后船倒車停船直到對地速度為0;（2）充分安全水平下的安全間距，即前船瞬間靜止，后船停車停船后倒車直至對地速度為0。

兩種安全水平下的安全間距計算式為

式中：k為貨種安全系數(shù)，取值2.3;v為后船速度，kn;t為駕引人員反應時間，s，取2 min; s為停船后兩船船頭間距，m，參考油船泊位與油船泊位的防火安全間距，取55 m; 為后船倒車沖程，m; 為后船停車沖程，m; L0為后船對地速度為0時的倒車距離;由于主機倒車輸出的功率恒定，VLCC從對水速度為0至倒車速度等于流速的倒車距離L為從相同于流速的船舶前進初速度直至倒車停船（對地速度為0）的船舶沖程。

式中： W為船舶排水量，t; kx為虛質量系數(shù)，VLCC取1.07; v0為船舶對地靜止時的對水速度（即流速），假設為2 kn; Tp為船舶倒車拉力，kN。

鑒于充分安全水平下的安全間距過長且不必要，不符合現(xiàn)實要求，因此采用一般安全水平下的安全距離對VLCC雙編隊最小安全間距進行計算。

2.3 VLCC一潮雙靠引航作業(yè)的窗口期分析

高平潮之前為急流階段，不能滿足VLCC引航作業(yè)第二階段的要求，因此VLCC進行第二階段作業(yè)要在高潮點后的高平流或緩流的窗口期內進行。根據(jù)上述分析，前船的最佳靠泊窗口期為高潮點至高潮點后的30～40 min，后船的最佳靠泊窗口期為高潮點后的30 min～1 h 20 min;因此，引航員登上前船（Pilot on Board，POB）時間為高潮點―港內航道航行時間;后船POB時間為高潮點―安全間距用時。具體窗口期根據(jù)實地環(huán)境進行取值。

2.4 VLCC一潮雙靠引航作業(yè)的必要性條件分析

鑒于VLCC具有尺寸大、質量大、吃水深、操縱性及通過性差等特點，在滿足上述兩個關鍵性條件的前提下，還需要考慮滿足雙編隊引航作業(yè)的兩個必要性條件。

（1）VLCC在一定航速下的安全水深。計算式如下：

式中：d為船舶吃水，m;S為航行時船舶下沉量，m，由船速決定;U為龍骨下最小富余水深，m;U1為風浪富余水深，m;U2為船舶裝載縱傾富余水深，m;U3為備淤深度，m;依據(jù)回淤強度，一般不小于0.4 m。

當海圖水深精度可靠，航道海圖水深+潮高≥D時，航道水深滿足VLCC在一定航速下的吃水要求。

（2）拖船配備。拖船的協(xié)助是重載進港作業(yè)的VLCC能夠成功完成靠泊作業(yè)和應急避險的關鍵。拖船的配備要考慮到風、流對船體的阻力，橫向波浪的漂移力及拖船拉力安全富余系數(shù)，從而保證拖船的配備充裕，確保VLCC編隊的安全。VLCC引航所需的拖船拉力Ft計算式如下：

式中： Ft為拖船拉力，kN; Fa為風壓力，kN; Fw為作用于船體的橫向水動力，kN; Fd為波浪漂移力，kN; n為拖船拉力安全富余系數(shù)，一般為20%～25%。

在進行一潮雙靠引航作業(yè)時，港口的拖船配備要滿足兩艘重載VLCC的靠泊及應急需求。

2.5 VLCC一潮雙靠引航作業(yè)的應急撤離技術

VLCC一潮雙靠引航作業(yè)中涉及雙編隊航道航行，主要應考慮前船遭遇突發(fā)事件（如主機故障）時兩船各自的應急撤離。在VLCC編隊航行的港內航道上科學合理設置應急撤離點是應急撤離技術的關鍵。步驟如下：（1）根據(jù)兩船所需的安全間距和各自靠泊窗口期的間隔時距綜合論證兩船的安全船距;（2）基于論證后的兩船安全船距，將港內航道進行等距離分段，綜合考慮分段航道周邊水域水深及寬度、到達分段點兩船各自的速度、船舶操縱性能、撤離點周圍的應急錨地及應急擴展區(qū)，對各個航段兩船各自的撤離方案進行規(guī)劃和論證。

3 實例分析

以VLCC一潮雙靠日照嵐山港區(qū)實華碼頭為例，對VLCC一潮雙靠進行實證。

3.1 港口與航道條件

嵐山港區(qū)港內人工航道水深19.7 m，從301號―343號浮筒的長度為14 n mile，有效寬度390 m，為單向航道。其中：301號―313號浮筒的航道外水深大于20 m;313號―321號浮筒的航道外水深逐漸減少至18 m左右;321號―341號浮筒的航道外水深不斷變淺，為此港區(qū)計劃在329號―331號浮筒之間設置航道擴展區(qū)，疏浚至水深19.7 m的船舶旋回水域，用于VLCC的撤離和避險，以滿足VLCC雙編隊的應急需求。港池內現(xiàn)有3個VLCC泊位可供靠泊，泊位前有長軸 m、短軸670 m的橢圓形回旋水域;泊位長440 m、寬120 m，泊位水深24 m，配備有靠泊儀。

3.2 VLCC雙編隊引航作業(yè)的可行性評估

VLCC一潮雙靠引航作業(yè)的可行性取決于3個關鍵性條件和2個必要性條件。通過對嵐山港區(qū)的實地調研和相關數(shù)據(jù)的收集分析，得出結論如下：

（1）由式（1）、式（2）計算出后船在引航開始后以航速為11 kn全速前進時需要保持約5.63 n mile的安全間距，以及在之后后船降速到8 kn時需要保持2.83 n mile的安全間距。

（2）根據(jù)嵐山港區(qū)潮水觀測站的數(shù)據(jù)，嵐山港區(qū)高潮點后的平流與緩流的窗口期為1 h 15 min左右，滿足對雙編隊各自進港靠泊作業(yè)窗口期的要求。

（3）嵐山港區(qū)滿載VLCC靠泊吃水20.5 m，根據(jù)式（3）進行計算，在航速為11 kn時，所需水深23.18 m，此時船舶富余水深為2.68 m，符合VLCC對富余水深的一般要求。船舶在嵐山港區(qū)全年段95%乘潮率條件下乘潮3 h的富余水深為3.43 m，因此嵐山港區(qū)乘潮有效水深為19.7 m + 3.43 m=23.13 m，滿足VLCC對安全水深的要求。

（4）港區(qū)配有17艘拖船，功率為～ kW，由式（4）計算可得港區(qū)拖船配置充裕。

（5）根據(jù)兩船各自的乘潮窗口期與兩船的安全間距，對港區(qū)航道全程設置4個應急撤離節(jié)點以應對船舶應急事件。①兩船在301號―313號浮筒的航段內，若前船發(fā)生故障，兩船可在拖船的協(xié)助下就近至應急錨地避險或返回待泊錨地。②兩船在305號―321號浮筒的航段內，若前船發(fā)生故障，兩船在乘潮狀態(tài)并在拖船輔助下可就近至應急錨地避險或返回待泊錨地。③兩船在313號―329號浮筒的航段內，若前船發(fā)生故障，前船可由拖船協(xié)助進入航道擴展區(qū)，后船可在乘潮狀態(tài)并在拖船輔助下就近至應急錨地避險或返回待泊錨地。④兩船在329號―341號浮筒的航段內，若前船發(fā)生故障，前船可由拖船輔助進入泊位前沿水域拋錨，后船可利用航道擴展區(qū)撤離。

綜上所述，嵐山港區(qū)現(xiàn)有條件滿足VLCC一潮雙靠引航作業(yè)的安全要求。

3.3 VLCC一潮雙靠引航作業(yè)方案

在港內滿載VLCC的進港吃水為20.5 m。港內人工港道航時約為2 h，第二階段用時約為30 min，第三階段用時約為1 h 30 min。鑒于泊位前沿的潮流信息，一潮雙靠最佳靠泊窗口期為高潮點至高潮點后1 h 15 min，為高平流或緩流窗口期，此時進行港池內船舶操縱相對安全。

鑒于上述分析，船舶編隊進港計劃與位置關系（見圖2）如下：（1）前船POB時間在高潮點前1 h 45 min，航道初段航速11 kn，到達329號浮筒開始降速，抵達341號浮筒，速度為4 kn。保證后船與前船的安全間距為5.63 n mile，折合時間為30 min左右，滿足兩船乘潮靠泊窗口期要求。（2）后船POB時間在高潮點后1 h 15 min，在前船降速以后，后船也要同步降速至8 kn，安全間距縮小至2.83 n mile。

在保證安全間距、30 min靠泊窗口期及滿足應急撤離要求的條件下，兩船關鍵時刻點位置如下：前船在抵達313號浮筒時，后船抵達301號浮筒附近;前船在抵達329號浮筒時，后船抵達313號浮筒附近;前船在高潮點抵達339號浮筒，后船抵達328號浮筒附近;前船在抵達341號浮筒時，后船抵達329號浮筒附近;高潮后15 min左右前船進入港池，高潮后45 min左右后船進入港池，此時前船與泊位平行（泊位外檔2B的位置），進入第三階段作業(yè)，后船利用高潮后45 min～1 h 15 min進行第二階段作業(yè)直至靠泊完成。

3.4 安全預案和應急處置

在VLCC一潮雙靠的引航作業(yè)中，兩個風險主體所形成的風險子系統(tǒng)耦合關聯(lián)、相互影響，導致了VLCC雙編隊作為整體的風險劇增;因此，在制訂港口航道的規(guī)劃中，要從風險工程學的角度出發(fā)，綜合考慮人、機、環(huán)、管的影響因素，采取相應措施：建立靠泊VLCC的記錄檔案，對出現(xiàn)設備事故的船舶進行靠泊前的PSC檢查以保證船舶的可靠性;綜合考慮港口及航道環(huán)境，評估港內航道安全航速和安全水深的設定，在航道內劃定應急錨地、航道擴展區(qū)，建造離岸防波堤;加大相關人員培訓力度，提高引航人員的綜合素質及港口在應急情況下的處理能力;加強港口軟件、硬件設施的建設，提高港口的應急處置能力。當發(fā)生應急事件時，港口和船舶要及時啟動應急響應機制以盡快解除危機，盡力減輕應急事件所造成的人員、環(huán)境、船舶、社會以及經(jīng)濟的影響。

4 結 語

鑒于VLCC一潮雙靠引航作業(yè)的可行性分析，提出安全靠泊、編隊安全航行、應急撤離等3個關鍵性條件和一定航速下的安全水深、拖船配備2個必要性條件。本文以嵐山港區(qū)VLCC一潮雙靠引航作業(yè)的實證表明，在滿足3個關鍵性條件和2個必要性條件下，可以實現(xiàn)VLCC一潮雙靠的引航作業(yè)，得出基于目前港口能效下對港口容量潛力的最大挖掘。

研究VLCC一潮雙靠引航作業(yè)技術，對于緩解VLCC壓港問題、提高港口效率、保障船舶進港安全，支持地方經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。

參考文獻：

[1] 許得利. 實華航道超大型船舶編隊乘潮進港間距探討[J]. 港口經(jīng)濟，2015（5）：58-60.

[2] 岳金蕊. 嵐山港區(qū)深水航道VLCC一潮兩船方案及應急保障措施的研究[D]. 大連：大連海事大學，2015.