大風(fēng)條件下船舶靠離泊的拖輪配置

任律珍，段興鋒

(集美大學(xué)航海學(xué)院，福建廈門 361021)

0 引言

船舶靠離泊作業(yè)時(shí)通常需要依靠拖輪的協(xié)助，拖輪的功率及數(shù)量對(duì)船運(yùn)公司和河港口企業(yè)非常重要，特別是在大風(fēng)(風(fēng)力超過6級(jí))條件下進(jìn)行船舶靠離泊作業(yè)時(shí)尤為如此。如果拖輪配置過度，將會(huì)增加營(yíng)運(yùn)成本，不利于經(jīng)營(yíng)管理；船舶在靠離泊作業(yè)時(shí)可能存在安全隱患。因此，在船舶靠離泊作業(yè)中充分、合理地配置拖輪具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

大風(fēng)條件下船舶進(jìn)出港靠離碼頭時(shí)拖輪的配置涉及航行安全和確定拖輪總推力，國(guó)內(nèi)不少學(xué)者、專家對(duì)此進(jìn)行了研究。李志榮[1]將文獻(xiàn)[2]的估算方法和文獻(xiàn)[3]的方法相結(jié)合進(jìn)行計(jì)算，認(rèn)為文獻(xiàn)[2]的估算方法具有一定的局限性，適用于港口環(huán)境和風(fēng)、流、浪條件較好的情形。龐吉升[4]運(yùn)用巖井聰[5]的Hughes公式計(jì)算強(qiáng)風(fēng)條件下第五代集裝箱船靠離天津港東凸堤南側(cè)碼頭拖輪的功率。王千[6]根據(jù)巖井聰理論計(jì)算模型，考慮船舶吃水情況及風(fēng)、流等工況，按照船舶空載及滿載情況分別得出拖輪總功率，結(jié)果比較精確。劉正江等[7]用逐步回歸法，并考慮加速運(yùn)動(dòng)以及岸壁的影響，獲得較為可靠的、表達(dá)橫流阻力系數(shù)與船型及水深的近似公式。文獻(xiàn)[8-14]采用相似的方法研究拖輪配置的總功率或總推力；徐海軍等[15]通過模擬仿真試驗(yàn)對(duì)拖輪的配置進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[16-19]則從港口管理的角度對(duì)拖輪船隊(duì)的總體配備進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[20-23]研究在大風(fēng)浪條件下風(fēng)、浪、流對(duì)船舶安全航行的影響，對(duì)大風(fēng)浪中船舶的安全靠離泊提出了對(duì)策。

黃驊港地處華北平原，一年四季特別是冬、春兩季易受寒潮、大風(fēng)的侵襲，最大風(fēng)力達(dá)9～10級(jí)。本文以黃驊港煤炭港區(qū)為例，運(yùn)用巖井聰理論計(jì)算模型下的Hughes公式，結(jié)合文獻(xiàn)[6]的研究結(jié)果，對(duì)大風(fēng)條件下船舶靠離煤炭港區(qū)泊位時(shí)拖輪的配置進(jìn)行研究。

1 拖輪配置因素

圖1 煤炭港區(qū)碼頭相對(duì)位置圖

1.1 煤炭港區(qū)地理?xiàng)l件

煤炭港區(qū)共有28個(gè)泊位，最高能接待10萬t的船舶。其中一期碼頭有4個(gè)泊位碼頭；二期碼頭有4個(gè)泊位，雜貨碼頭有2個(gè)泊位、液體化工碼頭1個(gè)泊位；三期碼頭有4個(gè)泊位；四期碼頭有5個(gè)泊位。二期碼頭前沿線與三期碼頭前沿線之間的距離為520.6 m，一、二、三期碼頭停泊水域?qū)挾染鶠?0 m?？鄢２此?qū)挾龋晒┐暗纛^作業(yè)的長(zhǎng)度為360.6 m。除了港池根部的幾個(gè)泊位，煤炭港區(qū)的絕大部分碼頭前沿線都為49°～229°。其相對(duì)位置如圖1所示。

船舶掉頭作業(yè)時(shí)均需借用部分停泊水域，對(duì)拖輪依賴度大，應(yīng)急余地少，相比寬敞水域，拖輪功率和數(shù)量有更高要求。

1.2 船舶載態(tài)

船舶在空載狀況下受風(fēng)面積越大，受橫向風(fēng)壓力的影響越大。船舶極易受風(fēng)影響向下風(fēng)側(cè)移動(dòng)，為克服風(fēng)力，需配備較大功率的拖輪；水下部分面積較小，船舶受流、浪的影響相對(duì)較小。船舶在滿載狀態(tài)時(shí)水下部分面積較大，在靠離泊過程中受流、浪的影響比受風(fēng)的影響大。

1.3 自然環(huán)境條件

1.3.1 風(fēng)

根據(jù)黃驊港氣象部門提供的信息，該港所在海區(qū)常風(fēng)向?yàn)闁|向，次常風(fēng)向?yàn)槲髂舷?；海區(qū)強(qiáng)風(fēng)向?yàn)闁|向和東南向。黃驊港春季常風(fēng)向?yàn)槠珫|，夏季多發(fā)生雷暴，風(fēng)向不定。秋、冬季節(jié)多表現(xiàn)為偏北風(fēng)，經(jīng)常出現(xiàn)寒潮、龍卷風(fēng)、氣旋雷暴等自然現(xiàn)象，最大風(fēng)力達(dá)9～10級(jí)。

煤炭港區(qū)大部分碼頭的前沿線走向與常風(fēng)向、強(qiáng)風(fēng)向基本一致，但仍存在一定夾角，因此風(fēng)向和風(fēng)速都會(huì)對(duì)船舶靠離泊產(chǎn)生影響，需要提高拖輪的配置要求。

1.3.2 流

黃驊港煤炭港區(qū)港池內(nèi)漲、落潮水流基本沿港池岸線往復(fù)流動(dòng)，與靠離泊時(shí)船舶的擺向基本一致。表層流向基本平順，漲、落潮流速基本相同且流速較小，因此流對(duì)船舶靠離泊作業(yè)的影響較小。

1.3.3 浪

冬季黃驊港煤炭港區(qū)受東北風(fēng)影響，但是煤炭港區(qū)相對(duì)封閉，由于防波堤的作用，港區(qū)受涌浪影響較小。但是在6～7級(jí)風(fēng)況下，風(fēng)浪較大，參與輔助靠離泊的拖輪擺正、擺好船舶位置的難度較大；同時(shí)在浪的作用下，拖輪的拖纜時(shí)緊時(shí)松，易突然受到頓力影響，工作時(shí)一般只有其核定推力的60%～70%。

綜上所述，黃驊港煤炭港區(qū)影響船舶進(jìn)、出港靠離泊時(shí)拖輪配置的主要影響因素是船舶載態(tài)、風(fēng)向風(fēng)力及船舶靠離泊運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的水阻力和橫向流壓力，而水阻力又與船舶載態(tài)有關(guān)。

2 拖輪推力計(jì)算方法

2.1 估算方法

文獻(xiàn)[2]規(guī)定了拖輪配置所需總推力的估算方法，對(duì)于起主要作用的橫向風(fēng)壓力、流壓力和波浪力可通過圖2～4進(jìn)行估算。

圖2 橫風(fēng)作用下船舶所需拖輪拖力 圖3 橫流作用下船舶所需拖輪拖力 圖4 橫浪作用下船舶所需 拖輪拖力

1)根據(jù)風(fēng)力和船舶的橫向受風(fēng)面積，按圖2估算橫風(fēng)作用下船舶所需的拖力；

2)根據(jù)船舶水下部分的橫向面積及流速，按圖3估算橫流作用下船舶所需的拖力；

3)根據(jù)有效波高，按圖4估算橫浪作用下船舶所需要的拖輪拖力。

將上述三項(xiàng)估算所得的拖力相加，可得到船舶所需的總拖力。

2.2 巖井聰理論模型計(jì)算

根據(jù)巖井聰理論模型提出的港內(nèi)操船所需拖輪的總功率計(jì)算公式可知，船舶在靠離泊作業(yè)過程中主要承受橫向風(fēng)壓力和水阻力的影響，這些壓力和阻力主要依靠拖輪來克服；對(duì)縱向來流，船舶在一定限度內(nèi)可以通過調(diào)整船艏方向來克服流壓的不利影響，合理利用流壓協(xié)助靠離。因此，船舶靠離泊作業(yè)中所需總推力

F=Ya+Yω，

式中：Ya為橫向風(fēng)壓力;Yω為水阻力。

2.2.1 橫向風(fēng)壓力

圖5 風(fēng)壓力分解示意圖

船舶在運(yùn)動(dòng)中所受風(fēng)力可分解為縱向風(fēng)力和橫向風(fēng)力。圖5是風(fēng)壓力分解示意圖，其中，Ma為風(fēng)壓力矩，Xa為縱向風(fēng)壓力，G為船舶質(zhì)心?？v向風(fēng)力可通過船舶自身用進(jìn)車或倒車加以克服，而橫向風(fēng)力則需通過拖輪以及船舶設(shè)備，例如側(cè)推器、主機(jī)、錨和舵的合理使用抵消。根據(jù)Hughes公式，橫向風(fēng)壓力

2.2.2 水阻力

除了橫向風(fēng)壓力外，在船舶靠離碼頭作業(yè)中拖輪所要克服的阻力還有拖輪推船入泊與拖船離泊時(shí)產(chǎn)生的水阻力和橫向流壓力。水阻力

式中：ρw為海水密度，ρw=1.012×103kg/m3；Cwy為橫向水阻力系數(shù)；L為兩柱間長(zhǎng)度， m；d為船舶吃水，m；vy為船舶橫向入泊速度， m/s；vw是橫向流速， m/s。

3 拖輪總推力計(jì)算實(shí)例

3.1 大風(fēng)條件的限定

通常情況下，我國(guó)大部分沿海港口把大風(fēng)天氣作為港口停止作業(yè)的限制條件。但是港口企業(yè)為提升貨物吞吐量，常常會(huì)在提高安全保障措施的前提下對(duì)風(fēng)力限制條件進(jìn)行某種程度的突破。因此，根據(jù)6、7級(jí)風(fēng)作業(yè)條件對(duì)船舶靠離泊拖輪配置進(jìn)行研究，考慮到安全余量，分別選擇13.8、17.1 m/s作為6、7級(jí)風(fēng)的計(jì)算風(fēng)速。

3.2 船型的確定

黃驊港煤炭港區(qū)碼頭工程設(shè)計(jì)代表船型參數(shù)如表1所示。

表1 黃驊港煤炭港區(qū)設(shè)計(jì)船型參數(shù)

考慮到黃驊港煤炭港區(qū)到港的主力船型為50 000 t級(jí)，因此，選取粵電58輪船舶數(shù)據(jù)作為計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其主要參數(shù)如表2所示。

表2 粵電58輪主要船舶參數(shù)

3.3 船舶靠離泊拖輪功率

3.3.1 估算

依據(jù)表2所列數(shù)據(jù)，按照本文2.1節(jié)介紹的方法進(jìn)行估算，粵電58輪在6、7級(jí)風(fēng)工作時(shí)靠、離煤炭港區(qū)碼頭所需拖輪的總推力F如表3所示。

表3 估算粵電58輪所需總推力 kN

3.3.2 計(jì)算

3.3.2.1 橫向風(fēng)壓力

根據(jù)Hughes公式，按不同風(fēng)舷角θ對(duì)上述58輪船舶進(jìn)行橫向風(fēng)壓力的計(jì)算，其結(jié)果如表4所示。

表4 6、7級(jí)風(fēng)時(shí)“粵電58”輪所受橫向風(fēng)壓力 kN

圖6為粵電58輪壓載吃水7.20 m和滿載吃水12.8 m情況下橫向風(fēng)壓力與風(fēng)舷角的關(guān)系曲線。

圖6 粵電58輪橫向風(fēng)壓力與風(fēng)舷角關(guān)系曲線

橫向風(fēng)壓力大小與風(fēng)速、風(fēng)舷角、受風(fēng)面積和形狀有關(guān)。從圖6可知：1)在相同吃水條件下，Q=0°～90°時(shí)，隨舷角的增大，船舶受風(fēng)面積增大，橫向風(fēng)壓力增大，當(dāng)風(fēng)舷角為90°時(shí)，橫向風(fēng)壓力達(dá)到最大。2)在同一風(fēng)舷角條件下，隨著吃水的減小，船舶受風(fēng)面積增大，橫向風(fēng)壓力呈增大的趨勢(shì)。3)在相同壓載吃水和風(fēng)舷角條件下，隨著船型尺度的增大，船舶所受橫向風(fēng)壓力增大。

3.3.2.2 水阻力

黃驊港煤炭港區(qū)港池內(nèi)漲、落潮水流基本順岸線往復(fù)流動(dòng)，表層流向基本平順，漲、落潮流速基本相同且流速較小。因此，橫向流速vw可忽略不計(jì)。壓載、滿載時(shí)克服推船入泊的水阻力分別為241、593 kN。

綜合上述，粵電58輪在6、7級(jí)風(fēng)時(shí)靠、離黃驊港煤炭港區(qū)碼頭所需要的總推力如表5所示。

表5 6、7級(jí)風(fēng)時(shí)粵電58輪所需總推力 kN

對(duì)比表3、5可知，文獻(xiàn)[2]推薦使用的估算方法的精確度不足，不利于港口和引航單位正確配置拖輪。原因是該估算方法在查閱曲線圖時(shí)存在一定誤差；另外，該方法沒有考慮船舶靠、離碼頭時(shí)存在的風(fēng)舷角。而巖井聰?shù)挠?jì)算模型較好地解決了這一問題。

3.4 拖輪配置建議

黃驊港煤炭港區(qū)碼頭走向大多為49°～229°。根據(jù)氣象資料統(tǒng)計(jì)，黃驊港6級(jí)以上大風(fēng)的主要風(fēng)向?yàn)闁|南東向和東北向，在冬季冷高壓過境時(shí)，主要風(fēng)向?yàn)楸毕蚝臀鞅毕颍L(fēng)向與碼頭之間的夾角為0°～90°。全年出現(xiàn)6級(jí)以上大風(fēng)天氣的比例占4.5%，其中北向、東北東向和東向出現(xiàn)最多，占56.8%，北北西向、西南向、北北東向、東北向和西南西向次之，占39.1%。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，同時(shí)考慮大風(fēng)條件下拖輪工作時(shí)一般只能達(dá)到其推力的60%～70%，有關(guān)部門在配置拖輪功率和數(shù)量時(shí)應(yīng)在表5的基礎(chǔ)上額外增加20%～30%。

4 結(jié)語

文獻(xiàn)[2]的估算方法主要從工程設(shè)計(jì)的角度對(duì)工程所需配置的拖輪拖力進(jìn)行估算，沒有全面考慮風(fēng)、流、浪對(duì)船舶靠離泊的影響，在精確度上存在一定的局限性。而巖井聰?shù)腍uges公式較好地解決了這一問題，具有較高的精確度和適用性。經(jīng)過計(jì)算，在6、7級(jí)風(fēng)條件下，黃驊港煤炭港區(qū)50 000 t散貨船滿載、壓載時(shí)靠、離碼頭所需配置拖輪的總推力為399～902 kN。在實(shí)際操作中，建議將總推力增加20%～30%，以保證碼頭的安全運(yùn)行和船舶安全靠離泊位。