郝慶龍，石京鵬，劉軍坡

（1.大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧大連 116026；2.舟山海事局，浙江舟山 316000）

0 引言

大型修造船在航道等限制性水域航行時(shí)通常需要配置一定的護(hù)航拖輪進(jìn)行安全保障。護(hù)航拖輪的數(shù)量與總拖力往往通過(guò)船舶駕駛?cè)藛T的經(jīng)驗(yàn)確定。馬岙港區(qū)公共航道是大型船舶進(jìn)入馬岙港區(qū)的主要航道，包括馬岙航道口外公共段、灌門航道和龜山航門航道等3部分。由于灌門航道附近環(huán)境和潮流情況復(fù)雜，為確保10萬(wàn)噸級(jí)以上的大型修造船進(jìn)出航道的安全性，需要對(duì)經(jīng)過(guò)灌門航道的大型修造船舶進(jìn)行拖輪護(hù)航。根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)，通常對(duì)10萬(wàn)噸級(jí)的大型修造船使用1～2艘拖輪進(jìn)行護(hù)航，對(duì)30萬(wàn)噸級(jí)的大型修造船使用4艘拖輪進(jìn)行護(hù)航。然而，目前尚無(wú)不同風(fēng)力條件下大型修造船對(duì)于拖輪數(shù)量及總拖力配備需求的相關(guān)資料，也難以通過(guò)實(shí)船方式對(duì)習(xí)慣做法的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。若護(hù)航拖輪配備過(guò)剩，則會(huì)造成不必要的資源浪費(fèi)；若護(hù)航拖輪配備不足，一旦大型修造船發(fā)生失控險(xiǎn)情，后果將不堪設(shè)想。因此，需對(duì)大型修造船在不同風(fēng)力條件下的拖輪配備要求進(jìn)行定量分析，并論證大型修造船在灌門航道航行時(shí)拖輪配置方案的合理性?？紤]到灌門航道的特殊情況以及大型修造船在通航安全要求方面的特殊性，本文以40萬(wàn)噸級(jí)空載超大型礦砂船（Very Large Ore Carrier，VLOC）為例，研究灌門航道空載超大型礦砂船的拖輪配備方案，以確保通航安全、提高航道使用效率、維護(hù)海洋環(huán)境安全。

1 灌門航道及VLOC概況

如圖1所示，灌門航道界位于舟山本島北部上圓山、下圓山與秀山島之間的海域。最窄處狹口段寬度約370 m，位于航道東側(cè)口門的粽子山與龍王跳咀之間。通常情況下，進(jìn)港時(shí)空載超大型礦砂船自秀山東錨地由東向西進(jìn)入灌門水道；出港時(shí)空載超大型礦砂船自秀山西錨地由西向東駛出灌門水道。空載超大型礦砂船在進(jìn)出灌門水道過(guò)程中均由拖輪進(jìn)行護(hù)航。

圖1 灌門航道示意圖

灌門航道所在海區(qū)的潮流屬于非正規(guī)淺海半日潮，大潮期間最大漲潮流流速約 4.0 m/s，流向?yàn)?60°～297°；大潮期間最大落潮流流速約4.0 m/s，流向?yàn)?75°～88°。船舶通過(guò)狹口航門時(shí)，要盡量避開流急時(shí)段，調(diào)整吃水并壓載通過(guò)。根據(jù)《舟山灌門航道、龜山航道通航安全管理規(guī)定》，大型船舶通過(guò)灌門時(shí)，應(yīng)選擇流速小于1.5 kn的緩流時(shí)段，實(shí)測(cè)風(fēng)力不超過(guò)蒲氏風(fēng)級(jí)8級(jí)，船舶航速控制在6～7 kn為宜。本文對(duì)40萬(wàn)噸級(jí)空載VLOC進(jìn)行研究，其主要參數(shù)見表1。

表1 40萬(wàn)噸級(jí)空載VLOC主要參數(shù)

2 應(yīng)急狀態(tài)下船體受力分析

2.1 船舶應(yīng)急操作過(guò)程

1）應(yīng)急拋錨階段

當(dāng)空載超大型礦砂船在灌門航道內(nèi)失控時(shí)，應(yīng)立即根據(jù)船體所受外力狀況調(diào)整艏向，使船舶在航道范圍內(nèi)減速。此時(shí)，護(hù)航拖輪應(yīng)盡可能協(xié)助大船大型礦砂船并保持船位。當(dāng)相對(duì)船速降低至3 kn時(shí)，應(yīng)立即拋錨，以固定船位，防止船體漂出航道。若大型礦砂船頂流航行，船體將在潮流作用下逐漸減速至0 kn，并緩緩后退至頂流狀態(tài)。此時(shí)，護(hù)航拖輪需協(xié)助大型礦砂船在航道內(nèi)擺正船位，盡量保持與航道線平行移動(dòng)，且移動(dòng)速度不宜過(guò)快。若大型礦砂船順流航行，船體將在潮流作用下逐漸減速至0 kn，并向前甩尾，直至艏部頂流。此時(shí)，拖輪需協(xié)助大型礦砂船減慢甩尾速度，且不至于甩出航道。最終，船體將在錨鏈拉力作用下呈艏部頂風(fēng)頂流狀態(tài)。拖輪應(yīng)繼續(xù)協(xié)助大船保持船位，等待救援。由于船體縱向環(huán)境載荷基本由錨鏈承受，為防止大型礦砂船船身漂出航道，其橫向環(huán)境載荷應(yīng)全部由護(hù)航拖輪提供，直至應(yīng)急救援拖輪抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。

2）應(yīng)急拖航階段

當(dāng)應(yīng)急救援拖輪抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，安排2艘應(yīng)急救援拖輪將大型礦砂船拖航至安全水域，其他應(yīng)急救援拖輪與護(hù)航拖輪一起協(xié)助大型礦砂船保持船位。因此，失控船應(yīng)急拖航與護(hù)航的拖輪總拖力需求為拖航拖輪總拖力與保持船位拖輪總推力之和。其中，拖航拖輪總拖力主要用來(lái)克服拖航阻力，保持船位拖輪總推力主要用來(lái)克服風(fēng)浪載荷。

2.2 仿真計(jì)算原理

1）保持船位的拖輪需求

對(duì)于錨泊狀態(tài)下的船舶，錨、錨鏈和船體之間共同構(gòu)成了錨泊系統(tǒng)。漂浮船體在水平方向上主要受到錨鏈的拉力、風(fēng)載荷和流載荷作用，船位的變化主要受船體橫向外載荷的控制。此時(shí)，為防止船體偏出航道，必須根據(jù)風(fēng)載荷和流載荷，為船體施加一個(gè)與橫向環(huán)境載荷大小相等、方向相反的力。因此，拖輪的協(xié)助對(duì)于保證船位穩(wěn)定起到重要作用。為得到拋錨狀態(tài)以及應(yīng)急拖航過(guò)程中的船位保持對(duì)拖輪拖力的需求，需要對(duì)不同環(huán)境載荷條件下的船體受力進(jìn)行合理預(yù)測(cè)。

在風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下，自由狀態(tài)的船舶可沿笛卡爾坐標(biāo)軸平動(dòng)，同時(shí)又可繞坐標(biāo)軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即進(jìn)行六自由度的空間運(yùn)動(dòng)。由于船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要受縱蕩、橫蕩和艏搖的影響，可將船舶在錨鏈拉力、拖輪拖力和環(huán)境載荷共同作用下的受力平衡方程表示為

式中：F為環(huán)境載荷在方向上的分力；P為拖輪拖力和錨鏈拉力在方向上的分力；F為環(huán)境載荷在方向上的分力；P為拖輪拖力和錨鏈拉力在方向上的分力；M為環(huán)境載荷在平面內(nèi)產(chǎn)生的力矩；N為錨鏈和拖輪在平面內(nèi)提供的力矩。

為簡(jiǎn)化船舶運(yùn)動(dòng)的控制過(guò)程，本文做出如下假定：橫向環(huán)境載荷完全由護(hù)航拖輪的拖力進(jìn)行抵消，縱向環(huán)境載荷則由錨鏈（緊急拋錨階段）或拖航拖輪（拖航階段）進(jìn)行抵消。

風(fēng)載荷對(duì)船舶產(chǎn)生的縱向分力、橫向分力、偏轉(zhuǎn)力矩和偏轉(zhuǎn)力臂計(jì)算公式分別見式（2）～式（5）。

式（2）～式（5）中：為風(fēng)載荷對(duì)船舶產(chǎn)生的縱向分力；為風(fēng)載荷對(duì)船舶產(chǎn)生的橫向分力；為風(fēng)載荷偏轉(zhuǎn)力矩；為風(fēng)載荷偏轉(zhuǎn)力臂；為船體水面以上縱向受風(fēng)面積；為船體水面以上橫向受風(fēng)面積；為風(fēng)速；為縱向風(fēng)壓力系數(shù)；為橫向風(fēng)壓力系數(shù)；為風(fēng)載荷偏轉(zhuǎn)力矩系數(shù)；為艏艉柱間長(zhǎng)度；為空氣密度。

流載荷對(duì)船舶產(chǎn)生的縱向分力、橫向分力、偏轉(zhuǎn)力矩和偏轉(zhuǎn)力臂計(jì)算公式分別見式（6）～式（9）。

式（6）～式（9）中：為流載荷對(duì)船舶產(chǎn)生的縱向分力；為流載荷對(duì)船舶產(chǎn)生的橫向分力；為流載荷偏轉(zhuǎn)力矩；為流載荷偏轉(zhuǎn)力臂；為流速；為縱向流壓力系數(shù)；為橫向流壓力系數(shù)；為流載荷偏轉(zhuǎn)力矩系數(shù)；為船舶吃水；為流體密度。

2）應(yīng)急拖航的拖力需求

海上拖航總阻力計(jì)算公式為

式中：為被拖船摩擦阻力，計(jì)算公式見式（11）；為被拖船剩余阻力，計(jì)算公式見式（12）；為拖船摩擦阻力；為拖船剩余阻力。

式（11）和式（12）中：為拖航速度；為被拖船方形系數(shù)；為被拖船水下濕表面；為被拖船水下浸水部分船中橫剖面積。

拖輪阻力可根據(jù)實(shí)船資料確定，若無(wú)詳細(xì)資料，也可通過(guò)相似方法計(jì)算確定。

3 拖力需求仿真計(jì)算

為保證仿真模型能夠真實(shí)反映船舶在航道內(nèi)應(yīng)急拋錨后的動(dòng)平衡狀態(tài)，在充分考慮船型特點(diǎn)和外界環(huán)境條件的基礎(chǔ)之上，利用國(guó)際公認(rèn)的船體受力數(shù)值模擬軟件OPTIMOOR-Dynamic對(duì)船舶的錨泊受力與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真計(jì)算。

根據(jù)舟山輪駁公司提供的舟山中部港域應(yīng)急拖輪反應(yīng)時(shí)間資料，一旦大型船舶在灌門航道內(nèi)失控，應(yīng)急拖船必須在 20 min內(nèi)緊急到達(dá)救援位置并集結(jié)完畢，隨后將失控船舶拖離航道至安全水域。根據(jù)通航安全管理相關(guān)規(guī)定，考慮到應(yīng)急救援時(shí)必要的拋起錨與拖輪拖帶工作時(shí)間，并根據(jù)測(cè)流資料推算，拖輪協(xié)助作業(yè)需考慮的最大流速為1.5 kn，拖帶作業(yè)需考慮的最大流速為2 kn。不同仿真計(jì)算方案見表2，船體受力計(jì)算結(jié)果見表3。

表2 仿真計(jì)算方案

表3 船體受力計(jì)算結(jié)果

續(xù)表3 船體受力計(jì)算結(jié)果

由表2和表3可知：在船舶拋錨后，為保持船位，護(hù)航拖輪側(cè)向頂推需要的最大橫向拖力為1 524 kN；在拖航過(guò)程中，為保持船位，護(hù)航拖輪側(cè)向頂推需要的最大橫向推力為2 015 kN。根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果，綜合考慮拖輪的頂推效率，確定各階段的拖力需求見表4。

表4 定各階段拖力需求（單位：kN）

4 拖輪配備方案

4.1 拖輪的功率配備

科學(xué)合理的配置和使用現(xiàn)有拖輪是拖輪護(hù)航及應(yīng)急拖帶作業(yè)成功的重要保障。舟山輪駁公司在中部港域拖輪待命點(diǎn)的拖輪配置情況見表5。

表5 拖輪配置情況

一般情況下，至少安排1艘大馬力拖輪在艏部拖航，另外配置1艘小馬力拖輪在艉部協(xié)助必要的轉(zhuǎn)向或控速。此外，對(duì)于應(yīng)急情況，需在原有護(hù)航拖輪數(shù)量和馬力的基礎(chǔ)上新增配置，配備標(biāo)準(zhǔn)見表6。

表6 拖輪配備標(biāo)準(zhǔn)

4.2 拖輪布置

護(hù)航階段和應(yīng)急拖航階段的拖輪布置形式分別見圖2和圖3。其中，正常護(hù)航情況下，在大型礦砂船的上風(fēng)流舷側(cè)的艏艉各布置1艘護(hù)航拖輪，在下風(fēng)流舷側(cè)的艏部布置1艘護(hù)航拖輪。應(yīng)急拖航情況下，在大型礦砂船的艏艉各布置1艘拖航拖輪，在上風(fēng)流舷側(cè)和下風(fēng)流舷側(cè)的艏艉各布置1艘護(hù)航拖輪。

圖2 護(hù)航階段拖輪布置形式

圖3 應(yīng)急拖航階段拖輪布置形式

5 船舶操縱模擬試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)方案

考慮到40 萬(wàn)噸級(jí)VLOC 在灌門航道航行的實(shí)際情況（風(fēng)速不超過(guò)8 級(jí)，流速小于1.5 kn），風(fēng)、流條件分別選取偏南風(fēng)和偏北風(fēng)6 級(jí)、漲落潮流速1 kn。在模擬試驗(yàn)中，失控船速設(shè)定為6～8 kn，船舶失控事件是隨機(jī)發(fā)生的。模擬試驗(yàn)方案見表7。

表7 模擬試驗(yàn)方案

5.2 結(jié)果分析

1）漲流（順流）進(jìn)港

漲流進(jìn)港對(duì)船位的控制較為不利，順流條件下船舶失控后的沖程和沖時(shí)相對(duì)較大，船舶施舵的轉(zhuǎn)向效果也相對(duì)較差。由于大型礦砂船受風(fēng)面積大，在不利于減速的環(huán)境下，船舶更容易因風(fēng)影響而偏離航道。因此，在順流情況下，船舶失控后應(yīng)充分注意利用拖輪和施舵盡快降速，必要時(shí)可拋雙錨協(xié)助停船。

漲流（順流）進(jìn)港情況下，船舶操縱模擬試驗(yàn)過(guò)程見圖4，在順流橫風(fēng)條件下，按5 000 hp拖輪1艘+4 000 hp拖輪2艘的護(hù)航拖輪配備標(biāo)準(zhǔn)可較好地協(xié)助船舶降速和保持船位，確保應(yīng)急條件下的船舶航行安全。

圖4 船舶操縱模擬試驗(yàn)過(guò)程（漲流進(jìn)港）

2）落流（頂流）進(jìn)港

落流進(jìn)港對(duì)船位的控制相對(duì)漲流較好，落流條件下船舶失控后的沖程和沖時(shí)相對(duì)減小，船舶施舵的轉(zhuǎn)向效果也相對(duì)較好。在有利于船舶減速的環(huán)境下，船體更容易保持船位、不偏離航道。因此，在落流情況下，船舶失控后可借助拖輪盡快降速，同時(shí)注意盡可能使艏向與航道線平齊，或者略微保持風(fēng)流壓角。當(dāng)船舶減速至4 kn左右時(shí)，即可拋錨停船，同時(shí)，利用拖輪的拖力協(xié)助船舶保持船位，等待救援。落流（頂流）進(jìn)港情況下，船舶操縱模擬試驗(yàn)過(guò)程見圖5，在頂流橫風(fēng)條件下，按5 000 hp拖輪1艘+4 000 hp拖輪2艘的護(hù)航拖輪配備標(biāo)準(zhǔn)可較好地協(xié)助船舶降速和保持船位，確保應(yīng)急條件下的船舶航行安全。

圖5 船舶操縱模擬試驗(yàn)過(guò)程（落流進(jìn)港）

5.3 應(yīng)急操縱要點(diǎn)總結(jié)

1）航速控制

由于大型船舶慣性較大，在風(fēng)速和流速較大的情況下，船舶操縱相對(duì)困難。因此，為保證應(yīng)急情況下的反應(yīng)時(shí)間和舵效，大型礦砂船在拖輪護(hù)航下的航行速度宜控制在6～7 kn?？梢钥紤]順流和逆流對(duì)實(shí)際航速的影響：順流可適當(dāng)增大，逆流可適當(dāng)降低。但無(wú)論如何，船舶在灌門航道內(nèi)的航速不能超過(guò)7 kn。

在船舶失控后，應(yīng)借助一切手段，在確保船體不偏離航道的同時(shí)盡快控制船速。實(shí)踐證明，左右反復(fù)施舵、拖輪協(xié)助、應(yīng)急拋錨均是協(xié)助船舶減速的重要手段。

2）應(yīng)急條件下舵的使用

當(dāng)船舶剛開始失控時(shí)，尚有較好的舵效，應(yīng)立刻用舵控制航向，搶占適當(dāng)?shù)娘L(fēng)流壓角。

在舵效變差后，也應(yīng)盡可能使艏向與航道線平齊，最好略微保持風(fēng)流壓角。若把定存在困難，可左右反復(fù)施舵以協(xié)助自身降速。

3）拖輪的使用

在船舶失控后，拖輪不宜立刻頂推大型礦砂船調(diào)正航向。這是由于在當(dāng)前航速下，不僅調(diào)正航向非常困難，還會(huì)對(duì)拖輪造成一定危險(xiǎn)。拖輪應(yīng)盡可能順著大型礦砂船艏艉方向?yàn)榇敖邓?。此時(shí)應(yīng)充分考慮到纜繩的破斷強(qiáng)度，不宜全速倒車，防止超出主機(jī)負(fù)荷或拉斷纜繩。根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)船舶降速至4 kn左右時(shí)拖輪方可協(xié)助船身調(diào)正，當(dāng)船舶降速至3 kn以下時(shí)拖輪協(xié)助調(diào)正助轉(zhuǎn)的效果最佳。

4）應(yīng)急拋錨

在船舶失控后，應(yīng)立刻啟動(dòng)拋錨程序。建議先將一側(cè)錨鏈放至水面2節(jié)左右，并備妥另一側(cè)錨以防意外。待船舶降速至4 kn左右時(shí)，可在合適時(shí)機(jī)拋錨。拋錨時(shí)應(yīng)注意潮流方向，通常頂流時(shí)可稍早拋錨，順流時(shí)應(yīng)當(dāng)稍晚拋錨。船舶拋錨后，降速效果將十分明顯，拖輪協(xié)助船舶調(diào)正的效果也較為明顯。因此，順流條件下為盡快減速，可先拋錨控制好船速，再使用拖輪調(diào)正船位，拖輪的總拖力是足夠的。

6 結(jié)論

護(hù)航拖輪對(duì)大型礦砂船的進(jìn)出港安全具有重要的保障作用。本文以40萬(wàn)噸級(jí)超大型礦砂船通過(guò)灌門航道為例，分別利用數(shù)值仿真和模擬試驗(yàn)的方法，提出并驗(yàn)證了護(hù)航拖輪配備的具體方案，對(duì)大型礦砂船的航行安全具有一定的參考價(jià)值。大型礦砂船在灌門航道失控后的操作要點(diǎn)分別為：航速控制、應(yīng)急條件下舵的使用、拖輪的使用、應(yīng)急拋錨。應(yīng)急操作的具體時(shí)機(jī)與風(fēng)、流等環(huán)境因素有關(guān)，應(yīng)視當(dāng)時(shí)的具體情況而定。