超大型集裝箱船靠離泊拖輪配置計(jì)算

◎梁飛 李榮輝 黃龍生

1.湛江港引航站；2.廣東海洋大學(xué)船舶與海運(yùn)學(xué)院 通訊作者：李榮輝

1.引言

20世紀(jì)90年代以來，船公司為了追求規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，訂造的集裝箱船越來越大，邁入了超大型化的時(shí)代。集裝箱船的大型化也給其靠離泊帶來了非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。大型集裝箱船質(zhì)量大，慣性也就大；船舶水線以上面積大，受風(fēng)的影響也就大；水線以下面積大，受流的影響也就大；尤其是在港內(nèi)低速航行時(shí)，船舶的舵效極差。因此大型集裝箱船的靠離泊操縱難度高，危險(xiǎn)系數(shù)大，一旦在靠離泊過程中發(fā)生些許差錯(cuò)，即有可能發(fā)生重大事故，造成巨大的損失。近年來大型集裝箱船在靠離泊過程中事故多次發(fā)生，造成碼頭和船舶嚴(yán)重?fù)p壞。因此，大型集裝箱船港內(nèi)靠離泊拖輪的合理配置成為了一個(gè)值得研究的問題。

正橫風(fēng)正橫流作用下船舶靠離泊所需拖輪總拖力可通過文獻(xiàn)[1]的附錄G的圖表查取，但超大型集裝箱船的這些參數(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出該附錄中圖表的查取范疇，因此不適用于超大型集裝箱船靠離泊拖輪配置的計(jì)算。國(guó)內(nèi)外學(xué)者和駕引人員對(duì)超大型船舶靠泊的拖輪配置進(jìn)行過研究。文獻(xiàn)[2]提出了船舶靠離泊所需拖輪總拖力的理論計(jì)算模型，并提出了超大型船舶靠泊時(shí)拖輪配置建議。文獻(xiàn)[3]提出了橫向風(fēng)壓力的計(jì)算公式。文獻(xiàn)[4]對(duì)各類商船（不包括集裝箱船）有關(guān)風(fēng)壓力的大量船模風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果按商船上層建筑各特征參數(shù)進(jìn)行回歸分析，得出了計(jì)算風(fēng)壓力系數(shù)的回歸方程，并給出了不同風(fēng)舷角下公式中各參數(shù)的取值。文獻(xiàn)[5]基于Fluent軟件建立計(jì)算模型，對(duì)風(fēng)壓力系數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了不同風(fēng)舷角下的風(fēng)壓力系數(shù)的變化規(guī)律，并與文獻(xiàn)[4]的方法所得到的結(jié)果進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明文獻(xiàn)[4]的方法用于計(jì)算集裝箱船的風(fēng)壓力系數(shù)同樣具有理想的精度。文獻(xiàn)[6]給出了橫向流壓力的計(jì)算公式。文獻(xiàn)[7]對(duì)大阪號(hào)及系列60的五條母型船進(jìn)行了計(jì)算,并經(jīng)回歸處理得到無限水深下敞水橫流阻力系數(shù)的計(jì)算公式，又收集了6艘船的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)回歸后得到有限水深下敞水橫流阻力系數(shù)的計(jì)算公式。文獻(xiàn)[8]依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸處理，得到了有限水深下考慮岸壁效應(yīng)的橫流阻力系數(shù)計(jì)算公式。文獻(xiàn)[9]給出了不同類型拖輪的功率與拖力的換算關(guān)系。文獻(xiàn)[10]根據(jù)作者多次引航超大型集裝箱船靠離廣州港南沙港區(qū)碼頭的經(jīng)驗(yàn)給出了大風(fēng)條件下型長(zhǎng)超250m且平均吃水11米以上的超大型集裝箱船靠離該港區(qū)碼頭的拖輪配置建議。

由于超大型集裝箱船靠離泊操縱難度高，危險(xiǎn)系數(shù)大，所以必須依靠拖輪的協(xié)助，而拖輪的配置尤為重要，若拖輪總功率過大，則會(huì)造成能源、資金的浪費(fèi)，若拖輪總功率不足，則會(huì)影響船舶靠離泊的安全。本文針對(duì)超大型集裝箱船靠離泊拖輪配置的計(jì)算問題，提出具有一定實(shí)用性的確定拖輪配置的方法，為港航相關(guān)部門安排拖輪提供參考依據(jù)。

2.拖輪配置的計(jì)算

2.1 影響拖輪配置的因素

（1）自然條件。通常港口都設(shè)有防波堤，能夠防御波浪入侵，阻斷波浪的沖擊力，因此波浪對(duì)船舶靠離泊的影響可以忽略不計(jì)，船舶在靠離泊過程中主要受風(fēng)、流的影響。船舶在靠離泊過程中，其水線上部分將受風(fēng)壓力及風(fēng)壓力矩的影響，其水線下部分將受流的影響，致使船舶向下風(fēng)側(cè)漂移及偏離航向。因此風(fēng)、流的大小與方向?qū)⒅苯佑绊懲陷喤渲?。此外，泊位水深與淺水效應(yīng)密切相關(guān)，亦會(huì)間接影響拖輪配置。

（2）船舶載態(tài)。集裝箱船的裝載狀態(tài)亦會(huì)影響拖輪配置。不同吃水、不同載箱高度對(duì)應(yīng)不同受流面積及受風(fēng)面積，吃水越大，受流面積則越大，船舶受流的影響也就越大，載箱高度越大，受風(fēng)面積則越大，船舶受風(fēng)壓力的影響也就越大。

（3）船舶設(shè)備的配備。船舶在靠離泊過程中除了使用拖輪外，還可以合理使用側(cè)推器、錨以及舵等船舶設(shè)備來協(xié)助靠離泊。最大載箱量10000TEU以上的超大型集裝箱船往往會(huì)配備2臺(tái)艏側(cè)推器以改善其在港內(nèi)尤其是靠離泊過程中的操縱性能。若船舶配有側(cè)推器，且各船舶設(shè)備性能良好，可根據(jù)側(cè)推器數(shù)目與推力等適當(dāng)減少拖輪的使用。

2.2 靠離泊所需拖輪總拖力的計(jì)算

船舶在靠離泊作業(yè)過程中主要受到風(fēng)壓力與流壓力的影響，其受力情況如圖1。風(fēng)壓力與流壓力的縱向分力可通過船舶自身進(jìn)車或倒車克服，橫向分力則需通過拖輪以及船舶設(shè)備，例如側(cè)推器、錨以及舵的合理使用抵消。根據(jù)巖井聰[2]在《操船論》中提出的船舶靠離泊所需拖輪總拖力的理論計(jì)算模型，船舶靠離泊所需拖輪總拖力與船舶靠離泊過程中所受風(fēng)壓力與流壓力的橫向分量的矢量和大小相等、方向相反，即

圖1 船舶靠離泊過程中受力情況示意圖

為了便于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算，規(guī)定指向碼頭內(nèi)側(cè)方向?yàn)槭噶空较?，各矢量記作正值，指向碼頭外側(cè)方向?yàn)槭噶控?fù)方向，各矢量記作負(fù)值。

2.2.1 橫向風(fēng)壓力的計(jì)算

根據(jù)賈欣樂、楊鹽生[3]在《船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型——機(jī)理建模與辨識(shí)建模》提出的公式，橫向風(fēng)壓力為

圖2 真風(fēng)、船風(fēng)、視風(fēng)構(gòu)成的矢量三角形

2.2.2 橫向流壓力的計(jì)算

根據(jù)中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部[6]發(fā)布的《港口工程荷載規(guī)范》(JTS 144-1-2010)，橫向流壓力

圖3 絕對(duì)流速、船舶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的流速、相對(duì)流速構(gòu)成的矢量三角形

①橫流阻力系數(shù)的計(jì)算。港內(nèi)操船，往往都處于淺水狀態(tài)下，此時(shí)會(huì)受到淺水效應(yīng)，尤其是超大型船舶。淺水效應(yīng)，是指大型浮體在淺水狀態(tài)下，隨著水深與吃水之比的減小，其運(yùn)動(dòng)特性會(huì)發(fā)生較大變化。當(dāng)水深與船舶吃水的比值小于一定值時(shí)，船舶的橫流阻力系數(shù)與深水情況有所不同。淺水狀態(tài)下，因船底與水底的間距減小，相對(duì)流速加大，船舶所受流壓力會(huì)增大。一般認(rèn)為，當(dāng)水深小于4倍吃水時(shí)就會(huì)出現(xiàn)所謂淺水效應(yīng)，而小于2倍吃水時(shí)將發(fā)生很大差異。不同船型的橫流阻力系數(shù)所受水深影響也是不同的，這與其方形系數(shù)及水深吃水比有關(guān)。

另外，在靠離泊過程中，由于受岸壁效應(yīng)的影響，橫流阻力系數(shù)將急劇增加。在利用拖輪頂推船舶向泊位靠攏過程中，因水體在船岸之間的流動(dòng)空間受限，會(huì)在岸壁前沿形成高壓區(qū)，并阻止船舶攏向泊位，而在利用拖輪吊拖船舶離開泊位過程中，則會(huì)在岸壁前沿形成低壓區(qū)，并阻止船舶離開泊位。

大連海事大學(xué)航海學(xué)院航海系操縱與避碰教研室的趙月林、古文賢[7]對(duì)大阪號(hào)及系列60的五條母型船進(jìn)行了計(jì)算,并經(jīng)回歸處理得到了無限水深下敞水橫流阻力系數(shù)的計(jì)算公式

為檢驗(yàn)該公式的準(zhǔn)確性，趙月林、古文賢[7]試算了一艘汽車運(yùn)輸船，其計(jì)算值為0.73，而實(shí)驗(yàn)值為0.70，同時(shí)試算了大阪號(hào)，其計(jì)算值為0.568，而實(shí)驗(yàn)值為0.565，試算結(jié)果說明該公式計(jì)算結(jié)果較為精確。趙月林、古文賢[7]還收集了6艘船的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)回歸后得到有限水深下敞水橫流阻力系數(shù)的計(jì)算公式

日本的池田良惠[8]依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸處理，得到有限水深下考慮岸壁效應(yīng)的橫流阻力系數(shù)計(jì)算公式

②船舶橫移速度的取值范圍。船舶橫移速度包括入泊速度及離泊速度。超大型船舶在靠泊前，船舶應(yīng)在距碼頭2-3倍型寬處處于停止?fàn)顟B(tài)，然后依靠拖輪推力使船舶移動(dòng)慢慢靠上碼頭?？坎撮_始時(shí)，可以靠攏快一些，之后逐漸降低靠泊速度，船舶距碼頭1倍型寬時(shí)，船舶的橫移速度要降至0.2m/s以下，在即將接近碼頭時(shí)達(dá)到所要求的靠泊速度。

對(duì)于離泊，沒有相關(guān)的規(guī)范規(guī)定離泊速度，因此離泊速度應(yīng)根據(jù)港口水文氣象條件、引航員經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)際需求綜合決定。由于離泊時(shí)不必?fù)?dān)心船舶撞向碼頭，只需保證不撞向其他船舶即可，所以通常離泊速度可等于或略高于靠泊速度，本文實(shí)例中取船舶在離開碼頭1倍型寬時(shí)達(dá)到-0.20m/s。

由于靠泊通常要在船舶距碼頭一倍型寬前減速，此后橫向流壓力會(huì)減小，離泊則相反，所以所需拖輪總拖力在S＜B處達(dá)到最大值，因此靠離泊均取S=B來考慮岸壁效應(yīng)，能夠保證求出的總拖力是足夠的。

2.3 拖輪拖力與拖輪功率的換算

千瓦（kW）與馬力（PS）均為計(jì)量功率的常用單位。計(jì)算出所需拖輪總拖力后，應(yīng)先將所需拖輪總拖力（單位kN）換算為所需拖輪總功率（單位kW），其換算關(guān)系與拖輪的類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)拖輪資料進(jìn)行確定，本文以大連海事大學(xué)的史國(guó)友、賈傳熒、杜嘉立、洪碧光[9]給出的Z型拖輪的換算關(guān)系表為例，如表1。

表1 Z型拖輪每100kW功率所發(fā)出的拖力

將所需拖輪總拖力（單位kN）換算為所需拖輪總功率（單位kW）后，再由千瓦與馬力的換算關(guān)系

將所需拖輪總功率（單位kW）換算為所需拖輪總功率（單位PS），即所需拖輪主機(jī)馬力，但通常所稱的拖輪馬力并非指的是拖輪主機(jī)馬力，而是指拖輪收費(fèi)馬力，它不僅包括拖輪主機(jī)馬力，還包括輔機(jī)等其它設(shè)備的功率，通常拖輪收費(fèi)馬力與拖輪主機(jī)馬力有如下關(guān)系。

為了保證船舶靠離泊的安全，計(jì)算得到所需拖輪收費(fèi)馬力后，應(yīng)增加20%-30%的安全余量，以應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況。需要強(qiáng)調(diào)：在風(fēng)平浪靜或順風(fēng)順?biāo)臈l件下按此方法計(jì)算可能會(huì)得到一個(gè)極小的拖輪收費(fèi)馬力，此時(shí)，拖輪需要克服的阻力的確很小，但絕不可以按照該結(jié)果來確定拖輪配置，因?yàn)檫^低的拖輪配置（如一艘拖輪）雖然足以使船舶移動(dòng)，但卻難以控制船舶方向，而且海上狀況瞬息萬變，過低的拖輪配置無法應(yīng)對(duì)各種突發(fā)狀況，一旦風(fēng)速、流速等發(fā)生變化，或船舶移速過大，則極易造成船舶失控，從而撞向碼頭或其他船舶。而在大風(fēng)、急流或逆風(fēng)逆水等條件下按此方法計(jì)算可能會(huì)得到一個(gè)極大的拖輪收費(fèi)馬力，說明這種情況并不適宜靠離泊，應(yīng)暫緩靠離泊。從安全性與操縱性角度考慮，通常超大型集裝箱船靠離泊拖輪配置不得少于3艘拖輪，而從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，通常超大型集裝箱船靠離泊拖輪配置應(yīng)不多于5艘拖輪。因此，若計(jì)算結(jié)果少于3艘拖輪，則應(yīng)取3艘拖輪，而若計(jì)算結(jié)果多于5艘拖輪，則應(yīng)等候更適宜的條件再進(jìn)行靠離泊。

3.拖輪配置的計(jì)算實(shí)例

本文以一艘最大載箱量為19273TEU，甲板最高可堆碼11層集裝箱的超大型集裝箱船為例，分別計(jì)算其輕載、重載狀態(tài)下的靠泊與離泊的拖輪配置來驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。該輪基本數(shù)據(jù)如表2。

表2 船舶基本數(shù)據(jù)

限于篇幅，本文僅以重載離泊和重載靠泊為例，5級(jí)吹開風(fēng)，各水文氣象條件數(shù)據(jù)如表3。

表3 水文氣象條件數(shù)據(jù)

靠離泊時(shí)的船舶橫移速度與相對(duì)流速如表4。

表4 靠離泊時(shí)的船舶橫移速度、相對(duì)流速

?=50°時(shí)可查得參數(shù)～的取值如表5。

表5 =50°時(shí)B0～B6的取值

3.1 輕載靠泊

輕載狀態(tài)以吃水11m，甲板堆碼4層集裝箱為例，據(jù)此查詢船舶資料及計(jì)算得到輕載狀態(tài)下船舶幾何數(shù)據(jù)如表6。

表6 輕載狀態(tài)下船舶幾何數(shù)據(jù)

將表5數(shù)據(jù)代入(3)、(5)、(6)、(7)式計(jì)算得到輕載狀態(tài)下橫向風(fēng)壓力系數(shù)及各橫流阻力系數(shù)如表7。

表7 輕載狀態(tài)下橫向風(fēng)壓力系數(shù)及各橫流阻力系數(shù)

將各數(shù)據(jù)代入(1)、(2)、(4)式計(jì)算得到輕載狀態(tài)下靠泊各力大小如表8。

表8 輕載狀態(tài)下靠泊各力大小

根據(jù)表1及(8)、(9)式換算得到輕載狀態(tài)下靠泊各功率大小如表9。

表9 輕載狀態(tài)下靠泊各功率大小

考慮25%的安全余量，約需17136.6馬力，共需4艘4300馬力的拖輪。

3.2 重載靠泊

重載狀態(tài)以吃水14 m，甲板堆碼8層集裝箱為例，據(jù)此查詢船舶資料及計(jì)算得到重載狀態(tài)下船舶幾何數(shù)據(jù)如表10。

表10 重載狀態(tài)下船舶幾何數(shù)據(jù)

將表10數(shù)據(jù)代入(3)、(5)、(6)、(7)式計(jì)算得到重載狀態(tài)下橫向風(fēng)壓力系數(shù)及各橫流阻力系數(shù)如表11。

表11 重載狀態(tài)下橫向風(fēng)壓力系數(shù)及各橫流阻力系數(shù)

將各數(shù)據(jù)代入(1)、(2)、(4)式計(jì)算得到重載狀態(tài)下靠泊各力大小如表12。

表12 重載狀態(tài)下靠泊各力大小

根據(jù)表1及(8)、(9)式換算得到重載狀態(tài)下靠泊各功率大小如表13。

表13 重載狀態(tài)下靠泊各功率大小

考慮25%的安全余量，約需21738.7馬力，共需5艘4300馬力的拖輪。

3.3 計(jì)算結(jié)果與實(shí)際拖輪配置的對(duì)比

根據(jù)湛江港集裝箱船靠離泊經(jīng)驗(yàn)和廣州港南沙港區(qū)引航站的引航員何鋒[10]多次引航超大型集裝箱船靠離該港區(qū)碼頭的經(jīng)驗(yàn)，南沙港區(qū)大風(fēng)條件下，型長(zhǎng)超過250m且平均吃水11m以上的超大型集裝箱船一般安排3艘3400～4300馬力全回旋Z型拖輪協(xié)助靠離碼頭。福州港引航站的黃荔飛和福州海事局指揮中心的劉必勝[11]也指出，福州港羅源灣港區(qū)15萬噸級(jí)超大型船舶靠泊通常配置4艘3000馬力以上全回旋拖輪助操。巖井聰[2]在《操船論》中也提出建議，超大型船舶靠泊時(shí)需要用3～4艘3000馬力以上的拖輪。該輪型長(zhǎng)382m，總載重量197061t，尺度較大，因此拖輪配置大于上述三種情況的經(jīng)驗(yàn)配置，是合理的。

3.4 拖輪配置計(jì)算的程序?qū)崿F(xiàn)

實(shí)踐中，可以將本文給出的拖輪配置算法采用Microsoft Excel編程，輸入船舶尺度、裝載狀態(tài)及風(fēng)流等環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)所需拖輪配置的需求的自動(dòng)計(jì)算功能，能夠?yàn)轳{引人員快速計(jì)算拖輪配置提供便利。

4.結(jié)語

本文結(jié)合經(jīng)驗(yàn)回歸公式和船舶受力分析提出了超大型集裝箱船拖輪配置的計(jì)算方法，實(shí)例結(jié)果表明本文計(jì)算方法是可行的，便于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算，可供港航相關(guān)單位及駕引人員用于估算大型集裝箱船靠離泊所需拖輪配置，對(duì)船舶安全靠離泊和節(jié)約費(fèi)用具有重要的實(shí)際意義。未來作者將對(duì)其他類型的大型船舶靠離泊拖輪配置問題開展深入研究，并按船型開發(fā)出智能手機(jī)小程序，為駕引人員快速計(jì)算拖輪配置提供依據(jù)。