大風天氣下大型船舶靠離泊拖輪配置研究和應用

李佑興，朱齊茂

（上海港引航站，上海 200082）

上海港平均每年受惡劣氣象影響達160 天左右，其中大風（風力大于6 級）影響近40 天，大風浪天氣進行靠離泊作業(yè)的難點在于拖輪能否拖得住或拉得開大船，合理配置拖輪和充分發(fā)揮其功率是降低船舶靠離泊速度，確保碼頭設施和船舶安全的關鍵。本文旨在通過數(shù)據(jù)計算為大風天氣下靠離泊操作時拖輪的配置和使用提供理論依據(jù)。

1 靠離泊作業(yè)中所需拖輪馬力的估算方法

大型船舶靠離泊時，所需拖輪的馬力大小和數(shù)量取決于所需克服外力的大小和本船所采用的靠離泊作業(yè)方式。日本巖井聰曾提出：所需拖輪馬力的假定條件包括兩項要求，一是克服入泊或離泊時的水阻力，二是克服推船入泊或離泊時的風力影響。

所需拖輪馬力的兩種常用估算方式如下：

1.1 按交通部“海港總平面設計規(guī)范”，根據(jù)船舶的載重噸計算

BHP=KQ

式中：BHP－總功率（kW）；K－系數(shù)，當DWT>50000噸，滿載取0.05，空載取0.07；Q－載重噸，當DWT<50000噸，按：DWT×7.4 %(kW) 或GT×11 % (kW)；GT 為船舶總噸。

1.2 根據(jù)日本巖井聰公式，計算橫向風壓力和橫向流壓力的矢量總和

P=F+Rw=9.8/2×ρa×Ca（Aacos2θ ＋Basin2θ）×Va2+ 9.8/2×ρw×CW×V2W×L×d

式中：P 為所需拖輪拖力(N)；ρw為海水密度(取1018kg/m3)；ρa為空氣密度(取1.226kg/m3)；Cw 為橫向水動力系數(shù)；Ca 為橫向風動壓力系數(shù)；Aa為水線以上船體正面投影面積；Ba 為水線以上船體側面投影面積；L 為船舶兩柱間長；d 為船舶吃水；Va 為相對風速(m/s)；Vw 為相對流速；θ 為風舷角。

2 影響大型船舶安全靠離泊的動態(tài)因素，包括風、流、浪、能見度等

2.1 風的影響

風是大風浪天氣條件下影響靠離泊安全的最重要、最直接的因素，包括風力和風向的影響。

舉例1：“XIN LOS ANGELES”輪船長334m，船寬45.6m，首側推45t，當d=12m 時，Aa=1700m2,Ba=6800 m2，不同風向風速條件下所受橫向風壓力如下表1：

表1

當d=9m 時，Aa=1800 m2,Ba=6000 m2,不同風向風速條件下所受橫向風壓力如下表2：

表2

再舉例2：“COSCO KOBE”輪船長260m，船寬32.2m，首側推22t，當d=12m 時，Aa=1000m2,Ba=5800 m2，不同風向風速條件下所受橫向風壓力如下表3：

表3

當d=10m 時，Aa=1000 m2,Ba=4000 m2不同風向風速條件下所受橫向風壓力如下表4：

表4

從上面兩個例子可以看出風舷角在30°左右時與正橫方向攏風時所受橫向風壓力相差一倍多，六級風風舷角60°時所受風壓力比七級風風舷角30°時所受橫向風壓力也要大很多，可見風向對大型船舶大風中靠離泊影響之大。

那么，當吹攏風風速分別為10.7m/s(5 級)、13.8m/s(6 級)、17.1m/s(7 級) 時，5600TEU(LT)、6500TEU(CMA)、7700TEU(COSCO)、9200TEU(MSC) 的集裝箱船以及大型滾裝船等船型其水線以上船體側面積分別為多少？離泊需要多少拖力？用幾條拖輪？

表5所列為各船型受風面積、所受外力和所需拖輪配置的參考數(shù)據(jù)。（計算略）

表5

注：① 表中外力大小中諸如4、8、26 等數(shù)值分別為不同吹攏風時的橫向波浪漂移力，其公式為Ya=1/2×ρw×g×Cydק2d×L，式中§d 為平均波浪幅值，Cyd 為波浪漂移力系數(shù)。② 大風天氣下100 馬力拖力相當于1.3t。

2.2 流的影響

流對靠泊安全的影響表現(xiàn)為流壓力和流壓轉船力矩對船舶的影響以及對拖輪、側推器效率發(fā)揮程度的影響。

以“MSC SOLA”(LBP=348m，d=11m)為例，頂流左后來風（Vw=1m/s）靠外四期碼頭，假設靠泊時相對流壓角為10°，取Cw=0.3，則

流壓力Rw=1/2wCwVw2Lwd=1/2×1018×0.3×12×3 48×11=60t

流壓作用點中心位于距船首0.25L 的位置，故船首拖輪至少應配置45t 拖力，船位配置15t 拖力，才能克服流壓力確保安全。

同時，流對拖輪、側推器效率產(chǎn)生影響，流越急拖輪保持拖拉方向和自身船位難度就越大，導致其作用于大船的拖力減弱；對側推器的影響也是如此，一般當船舶相對水的速度大于5 節(jié)時側推器效率大大降低，故船速快或流急都對側推效率發(fā)揮影響很大，從而影響靠離泊操作安全。

2.3 浪的影響

浪對靠離泊操作的影響主要表現(xiàn)在對協(xié)助拖輪的影響，包括對拖纜的影響及拖輪效率發(fā)揮程度的影響。操縱中應充分考慮到大風浪中帶纜的難度和風險，盡力為拖輪帶拖纜創(chuàng)造有利條件，同時控制住自身船位，留有安全余量，防止帶纜過程中被風壓向碼頭。

橫向波浪漂移力Ya=1/2×ρw×g×Cydק2d×L，式中ρw為海水密度，§d 為平均波浪幅值，Cyd 為波浪漂移力系數(shù)，§d 為平均波浪幅值。

實際操作中浪和能見度對靠離泊操作安全的影響并不大，注意做到給拖輪帶拖纜創(chuàng)造有利條件，留有足夠的時間和空間就可以了，這里不進行計算累計。

3 安排拖輪時要考慮下列因素

（1）由風壓力和水壓力矢量之和得出所需拖輪的總馬力后，根據(jù)所受風壓（風向、風力）情況、流的情況、浪的情況、側推器馬力大小、風力作用點等來配置和使用拖輪，大風浪情況下拖輪功率只能發(fā)揮出其額定功率的60%—70%，浪越大、流越急，拖輪發(fā)揮的拖力就會越小。

（2）有了總拖力，還要考慮不同風動力中心位置情況下，前后拖輪承擔的拖力比例會有所不同。對于前八字吹攏風，風舷角越小，風動力中心位置越靠近船首，船首拖輪承擔的拖力相對就越大；同理，后八字攏風，船尾拖輪承擔的拖力相對就越大。一般認為，風舷角30°時風動力中心位置點距船首船尾的比例為3：7，風舷角60°時比例為4：6，正橫風比例為5：5，應依據(jù)該比例配置相應拖力的拖輪。

（3）根據(jù)拖船的特性，對于z 型拖輪每100 馬力輸出推力約14.7KN，拖力是其頂推力的90%，大風浪中拖輪要克服風流影響而損失的拖力大，一般要求安排大馬力拖輪來協(xié)助靠泊；了解大風浪中拖輪拉力只有頂推力的75%，老舊拖輪實際發(fā)揮出的功率只有額定功率的60%。

（4）船舶有前進或后退速度時，拖輪作用效果降低，大船航速超過5 節(jié)，拖輪、側推器都將不起明顯作用。

（5）流速1 節(jié)拖力將減少10%，遇到浪大時拖輪會劇烈搖晃，拖力將更小，甚至無法協(xié)助靠泊；一般風力≥10m/s，大型船舶靠離泊時就應增加拖輪。

（6）在拖帶中應密切注視拖輪位置，如拖輪位置不當時應該及時提醒，并防止倒拖和橫拖現(xiàn)象。為保證操縱的靈活性和避免拖纜承受更大的張力，最小俯角不大于15°，拖纜的長度應不小于從出纜口到水面高度的4 倍，實踐中一般最少為拖輪長度的2 倍。

4 靠離泊操作中注意事項

（1）六級風以上泊位留足船長的130%。

（2）考慮風向對靠泊的影響，適當增加拖輪并調。整拖輪馬力配置。

（3）了解六級風相當于2 節(jié)流，七級風相當于2.5-3節(jié)流的影響。

（4）了解大風浪時拖輪僅能發(fā)揮額定功率的75%，老舊拖輪甚至只能發(fā)揮60%。

（5）盡可能將拖輪帶在靠近船首船尾位置，盡量大地發(fā)揮拖輪效能。

（6）給拖輪帶纜和拖頂操作預留足夠的時間，緩慢用力，避免發(fā)生因人為頓力致使斷纜情況。

（7）必要時使用車、舵、側推器和錨，拋錨的有效距離是60 米以上，出鏈長度為2-3 倍水深，約能產(chǎn)生20—30t 的拉力。

（8）盡量減少船舶受風面積，比如流不是很急的情況下，用大角度插入法以減少受風面積，前提是抵泊前橫距要大。

（9）靠泊時在與碼頭橫距300 米左右測試拖輪是否拖得住，如發(fā)現(xiàn)不行立即采取措施，中止靠泊操作。

（10）當風力達8 級以上、浪高大于2～3 米時，拖輪會上下跳躍和搖晃，不僅發(fā)揮不出應有的作用，拖輪自身的安全也受到威脅。因此，在這種惡劣氣象條件下，除非搶險，否則大型船舶不宜進行靠離泊操作，尤其是當風向接近正橫或正橫時。

5 結束語

上海港每年受大風影響天數(shù)較多，尤其是冬季寒潮期，靠離泊作業(yè)面臨較大影響，為確保港口的生產(chǎn)和城市的運營不受影響，安全靠離泊作業(yè)顯得尤為重要，其中拖輪的合理配置與使用是安全保障中的重要一環(huán)，筆者依靠多年操作經(jīng)驗結合船舶大型化發(fā)展的實際情況，對靠離碼頭操作中拖輪馬力配置進行計算、比對和分析，計算得出的所需拖輪的總拖力與實際情況基本相符，考慮到自然環(huán)境、船型、排水量、拖輪實際功率、拖輪的維護保養(yǎng)、纜繩的質量、駕駛員操作經(jīng)驗等諸多影響拖力配置的重要因素，建議操作者在拖輪配置和使用上留有一定余地，確保安全靠離泊作業(yè)順利完成。