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      船舶在靠離泊時的水動力因素研究

      2022-02-13 09:32:08董明遠(yuǎn)
      中國設(shè)備工程 2022年3期
      關(guān)鍵詞:頂流拖船海流

      董明遠(yuǎn)

      (天津港引航中心,天津 300456)

      1 前言

      船舶在靠離泊作業(yè)中安全是排在首位的。能夠?qū)侩x泊過程產(chǎn)生的影響因素有很多,其中包括本船的操作性能、引航員的操縱、船長對港口碼頭情況的熟悉程度、海流、海浪、風(fēng)壓、拖輪與車舵錨以及航儀器等等,在船舶靠離泊過程中,各種因素都在不斷變化,船只操作者要能夠及時對環(huán)境改變做出反應(yīng)。

      2 天津港及潮汐概況

      天津港位于渤海灣西岸(38°59′31″N/117°42′44″E),居于海河水系出???,是我國最大人工港口,港口水域總面積200km2,全長40余海里。碼頭泊位主要由東疆港區(qū)、南疆港區(qū)、北疆港區(qū)、臨港港區(qū)、南港港區(qū)五大部分組成,共計約150個泊位。天津港潮汐屬于不正規(guī)半日潮,有潮汐周日不等現(xiàn)象,在潮高周日不等方面不明顯,在潮時不等方面比較顯著。

      因現(xiàn)階段最常用的靠泊方法是“頂流靠泊”法,所以本文就針對此方法來進(jìn)行闡述。

      3 頂流靠泊作業(yè)中的水動力因素

      頂流靠泊作業(yè)中,船舶本身會因為水動力作用而產(chǎn)生船體偏離原始航向的情況,而船舶引航員會因為這種原因而駕駛船舶以非正常角度靠泊,這樣會導(dǎo)致船體本身外舷受到海流沖擊,進(jìn)而導(dǎo)致一些船體偏轉(zhuǎn)問題無法得到解決。

      3.1 水動力轉(zhuǎn)船力矩分析

      水動力的定義是指:船舶在靜止或運動過程中與船體環(huán)繞的水體產(chǎn)生相對運動時,船舶本身承受的來自水體施加的力。如果船只處于靜止?fàn)顟B(tài),水面以下部分的船身會存在漂角值為β,此時船體會受到均勻的海流沖擊;如果水體處于靜止?fàn)顟B(tài),那么船體在以某一舷角β用與海水流動速度相同的速度運動時,水面以下的船身部分就會受到水動力作用并且存在對應(yīng)的轉(zhuǎn)船力矩。

      3.2 船體受力圖解

      3.2.1 針對中小型船只

      如圖1所示,該類型船舶通過自力進(jìn)行靠泊作業(yè),存在海流影響、沒有風(fēng)壓、在正舵、橫移,現(xiàn)假設(shè)海流流速為勻速,船只航行的速度為VG,VG=船體本身速度VS與海流流速VC的合速度,同設(shè)在正舵不受到任何其他力的影響,在這種前提條件下,船體本身受到來自海流沖擊的速度VW等于VS,沖擊力的方向與船頭互反,此時船只不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

      圖1 無風(fēng)壓、有海流時中小型船舶自力靠泊作業(yè)過程

      如圖2所示,該類型船只通過自力進(jìn)行靠泊作業(yè),橫向內(nèi)舷存在風(fēng)壓、存在海流影響、有進(jìn)車、存在內(nèi)舷舵、保持船身朝向進(jìn)行斜角運動。

      圖2 橫向前側(cè)內(nèi)舷來風(fēng)、有海流時中小型船舶自力靠泊作業(yè)過程(VS為無風(fēng)、正舵條件下的船速;VS’為實際船速)

      3.2.2 針對大中型船只

      如圖3所示,該類型船只在進(jìn)行靠泊作業(yè)時需要拖船來進(jìn)行協(xié)助作業(yè),條件為不存在風(fēng)壓、存在海流影響、存在正舵、船頭沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)、船體重心處于橫移狀態(tài)。拖船對船體本身施加的推力會加快船體橫移速度,海流流速為VC,船只相對地面移動速度為VG,二者合速度為船舶海流相對運動速度VW,速度與船頭線H存在夾角β,該情況下船體內(nèi)側(cè)舷會受到海流沖刷影響,從而存在水動力FW,水動力致使船體發(fā)生偏轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)船力矩NW,拖船推力Nt跟NW相互抵消從而使得船體本身不會發(fā)生轉(zhuǎn)向,可以做到橫向無偏轉(zhuǎn)靠泊。

      圖3 不存在風(fēng)壓、存在海流時大中型船舶借助拖船進(jìn)行靠泊作業(yè)

      如圖4所示,該類型船只為重載船,該種船在進(jìn)行靠泊作業(yè)過程中需要借助拖船的推力來進(jìn)行,環(huán)境條件為不存在風(fēng)壓、存在海流影響、船頭本身朝向內(nèi)側(cè),重心橫向移動。

      圖4 不存在風(fēng)壓、存在海流時大中型重載船舶借助拖船進(jìn)行靠泊作業(yè)

      圖5

      操縱實例:

      “中華榮耀”(292×45×18.32)計劃2021年6月19日,1800左靠G26,潮汐情況1534 141㎝ 2242 78㎝在進(jìn)港過程中處于漲水,文中提到天津港漲水流速平均0.8節(jié)最大能達(dá)到1.8節(jié),漲水流向西北。東北風(fēng)3~4級1730在錨位起錨,起錨初始階段由于船速較慢,風(fēng)流壓差角達(dá)到20°。所以起錨初始階段應(yīng)該充分預(yù)估船舶受流壓影響所導(dǎo)致的飄移并及時用車加速,減小流對大船影響。1815在主航道上線,主航道航行過程中也需考慮到風(fēng)流對船舶影響,切勿疏忽大意使船舶始終航行在主航道的中線上,在航行至泊位5海里時開始逐級減速,到達(dá)S15外擋時航速控制在6節(jié),距泊位1海里時速度控制節(jié)并帶好拖輪并讓船尾正中拖輪放纜協(xié)助減速。當(dāng)航行至G30段外擋時航速2.5節(jié)并用舵向右開始轉(zhuǎn)向,由于漲潮階段當(dāng)大船開始向右開始轉(zhuǎn)向后右船尾會吃流,在舵力和水動力的作用下船首會加速向右偏轉(zhuǎn),此時應(yīng)果斷施加左舵,減小大船的轉(zhuǎn)速率,如果舵效不明顯應(yīng)該果斷加車增加舵力并用船頭拖輪加以頂推來抑制大船向右偏轉(zhuǎn),依據(jù)自身經(jīng)驗始終使船舶向右的轉(zhuǎn)速率在5~7。由于主航道和泊位夾角約為80°,當(dāng)船舶轉(zhuǎn)順以后要格外關(guān)注大船進(jìn)速和船舶受流的影響向碼頭的橫移速度。

      3.2.3 總結(jié)歸納

      依上述四種情況,下面闡述幾點。

      (1)當(dāng)船舶進(jìn)行頂流正角度靠泊作業(yè)時,船體本身并不一定是外側(cè)舷承受海流沖擊,一般海流沖擊的點位會因為舷角β改變而變化,β受船體本身在運動過程中受風(fēng)壓、拖船推力、舵力以及本身車力等綜合作用的影響。船舶在進(jìn)行實際頂流靠泊作業(yè)過程時,倘若船型為中小型,那么在船舶通過自力進(jìn)行頂流靠泊作業(yè)時,外側(cè)舷受力的情況比較普遍,如果是大中型船只,那么在拖船的協(xié)助頂流靠泊作業(yè)過程中內(nèi)側(cè)受力的情況會更多。

      (2)船只因為存在承受海流沖擊力的位置不同,而會產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)船力矩,在受力分析過程中,要確保受力是產(chǎn)生向內(nèi)轉(zhuǎn)向還是向外轉(zhuǎn)向。海水與船體的相對運動速度為VW,VW與船只運動速度VS的數(shù)值是相同的,但是方向相反,這點要著重注意。

      (3)根據(jù)圖3、圖4可以了解到,大中型船舶在頂流靠泊作業(yè)過程中,船頭一定會存在受力而發(fā)生向內(nèi)或向外轉(zhuǎn)向的情況,在這種情況下,即使大中型船與中小型船的承受海流沖擊點位相同,也會存在船體受力情況與轉(zhuǎn)向速度不同的狀態(tài),該種情況大多數(shù)時間發(fā)生在船舶靠泊作業(yè)過程中轉(zhuǎn)向到某個特定靠泊角度。

      4 結(jié)語

      業(yè)內(nèi)分析船舶靠泊作業(yè)過程中的水動力因素時,會認(rèn)為對船頭轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制,目的是為了確定靠泊角與船體橫移距離之間的聯(lián)系,從而可以通過利用水動力的轉(zhuǎn)向改變角對其船頭轉(zhuǎn)向情況做出合理分析。在港口碼頭中,靠離泊是非常重要的船舶作業(yè),也是船舶引航員必備的能力之一,更是企業(yè)建造船只時考慮的重要因素。頂流靠泊作為船舶靠離過程中最容易受水動力因素影響的作業(yè)之一,所以一定要嚴(yán)格控制角度,才能夠保證靠泊安全。

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