超大型集裝箱船靠離泊拖輪配置計算

◎梁飛 李榮輝 黃龍生

1.湛江港引航站；2.廣東海洋大學船舶與海運學院 通訊作者：李榮輝

1.引言

20世紀90年代以來，船公司為了追求規模經濟效益，訂造的集裝箱船越來越大，邁入了超大型化的時代。集裝箱船的大型化也給其靠離泊帶來了非常嚴峻的挑戰。大型集裝箱船質量大，慣性也就大；船舶水線以上面積大，受風的影響也就大；水線以下面積大，受流的影響也就大；尤其是在港內低速航行時，船舶的舵效極差。因此大型集裝箱船的靠離泊操縱難度高，危險系數大，一旦在靠離泊過程中發生些許差錯，即有可能發生重大事故，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生，造成碼頭和船舶嚴重損壞。因此，大型集裝箱船港內靠離泊拖輪的合理配置成為了一個值得研究的問題。

正橫風正橫流作用下船舶靠離泊所需拖輪總拖力可通過文獻[1]的附錄G的圖表查取，但超大型集裝箱船的這些參數已經遠遠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算。國內外學者和駕引人員對超大型船舶靠泊的拖輪配置進行過研究。文獻[2]提出了船舶靠離泊所需拖輪總拖力的理論計算模型，并提出了超大型船舶靠泊時拖輪配置建議。文獻[3]提出了橫向風壓力的計算公式。文獻[4]對各類商船（不包括集裝箱船）有關風壓力的大量船模風洞試驗結果按商船上層建筑各特征參數進行回歸分析，得出了計算風壓力系數的回歸方程，并給出了不同風舷角下公式中各參數的取值。文獻[5]基于Fluent軟件建立計算模型，對風壓力系數進行數值模擬，得到了不同風舷角下的風壓力系數的變化規律，并與文獻[4]的方法所得到的結果進行比較分析，結果表明文獻[4]的方法用于計算集裝箱船的風壓力系數同樣具有理想的精度。文獻[6]給出了橫向流壓力的計算公式。文獻[7]對大阪號及系列60的五條母型船進行了計算,并經回歸處理得到無限水深下敞水橫流阻力系數的計算公式，又收集了6艘船的實驗結果，經回歸后得到有限水深下敞水橫流阻力系數的計算公式。文獻[8]依據實驗結果進行回歸處理，得到了有限水深下考慮岸壁效應的橫流阻力系數計算公式。文獻[9]給出了不同類型拖輪的功率與拖力的換算關系。文獻[10]根據作者多次引航超大型集裝箱船靠離廣州港南沙港區碼頭的經驗給出了大風條件下型長超250m且平均吃水11米以上的超大型集裝箱船靠離該港區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，危險系數大，所以必須依靠拖輪的協助，而拖輪的配置尤為重要，若拖輪總功率過大，則會造成能源、資金的浪費，若拖輪總功率不足，則會影響船舶靠離泊的安全。本文針對超大型集裝箱船靠離泊拖輪配置的計算問題，提出具有一定實用性的確定拖輪配置的方法，為港航相關部門安排拖輪提供參考依據。

2.拖輪配置的計算

2.1 影響拖輪配置的因素

（1）自然條件。通常港口都設有防波堤，能夠防御波浪入侵，阻斷波浪的沖擊力，因此波浪對船舶靠離泊的影響可以忽略不計，船舶在靠離泊過程中主要受風、流的影響。船舶在靠離泊過程中，其水線上部分將受風壓力及風壓力矩的影響，其水線下部分將受流的影響，致使船舶向下風側漂移及偏離航向。因此風、流的大小與方向將直接影響拖輪配置。此外，泊位水深與淺水效應密切相關，亦會間接影響拖輪配置。

（2）船舶載態。集裝箱船的裝載狀態亦會影響拖輪配置。不同吃水、不同載箱高度對應不同受流面積及受風面積，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，受風面積則越大，船舶受風壓力的影響也就越大。

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

2.2 靠離泊所需拖輪總拖力的計算

船舶在靠離泊作業過程中主要受到風壓力與流壓力的影響，其受力情況如圖1。風壓力與流壓力的縱向分力可通過船舶自身進車或倒車克服，橫向分力則需通過拖輪以及船舶設備，例如側推器、錨以及舵的合理使用抵消。根據巖井聰[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

為了便于實現計算機自動計算，規定指向碼頭內側方向為矢量正方向，各矢量記作正值，指向碼頭外側方向為矢量負方向，各矢量記作負值。

2.2.1 橫向風壓力的計算

根據賈欣樂、楊鹽生[3]在《船舶運動數學模型——機理建模與辨識建模》提出的公式，橫向風壓力為

圖2 真風、船風、視風構成的矢量三角形

2.2.2 橫向流壓力的計算

根據中華人民共和國交通運輸部[6]發布的《港口工程荷載規范》(JTS 144-1-2010)，橫向流壓力

圖3 絕對流速、船舶運動產生的流速、相對流速構成的矢量三角形

①橫流阻力系數的計算。港內操船，往往都處于淺水狀態下，此時會受到淺水效應，尤其是超大型船舶。淺水效應，是指大型浮體在淺水狀態下，隨著水深與吃水之比的減小，其運動特性會發生較大變化。當水深與船舶吃水的比值小于一定值時，船舶的橫流阻力系數與深水情況有所不同。淺水狀態下，因船底與水底的間距減小，相對流速加大，船舶所受流壓力會增大。一般認為，當水深小于4倍吃水時就會出現所謂淺水效應，而小于2倍吃水時將發生很大差異。不同船型的橫流阻力系數所受水深影響也是不同的，這與其方形系數及水深吃水比有關。

另外，在靠離泊過程中，由于受岸壁效應的影響，橫流阻力系數將急劇增加。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空間受限，會在岸壁前沿形成高壓區，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，則會在岸壁前沿形成低壓區，并阻止船舶離開泊位。

大連海事大學航海學院航海系操縱與避碰教研室的趙月林、古文賢[7]對大阪號及系列60的五條母型船進行了計算,并經回歸處理得到了無限水深下敞水橫流阻力系數的計算公式

為檢驗該公式的準確性，趙月林、古文賢[7]試算了一艘汽車運輸船，其計算值為0.73，而實驗值為0.70，同時試算了大阪號，其計算值為0.568，而實驗值為0.565，試算結果說明該公式計算結果較為精確。趙月林、古文賢[7]還收集了6艘船的實驗結果，經回歸后得到有限水深下敞水橫流阻力系數的計算公式

日本的池田良惠[8]依據實驗結果進行回歸處理，得到有限水深下考慮岸壁效應的橫流阻力系數計算公式

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，船舶應在距碼頭2-3倍型寬處處于停止狀態，然后依靠拖輪推力使船舶移動慢慢靠上碼頭。靠泊開始時，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，船舶的橫移速度要降至0.2m/s以下，在即將接近碼頭時達到所要求的靠泊速度。

對于離泊，沒有相關的規范規定離泊速度，因此離泊速度應根據港口水文氣象條件、引航員經驗以及實際需求綜合決定。由于離泊時不必擔心船舶撞向碼頭，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，本文實例中取船舶在離開碼頭1倍型寬時達到-0.20m/s。

由于靠泊通常要在船舶距碼頭一倍型寬前減速，此后橫向流壓力會減小，離泊則相反，所以所需拖輪總拖力在S＜B處達到最大值，因此靠離泊均取S=B來考慮岸壁效應，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）均為計量功率的常用單位。計算出所需拖輪總拖力后，應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），其換算關系與拖輪的類型有關，應根據拖輪資料進行確定，本文以大連海事大學的史國友、賈傳熒、杜嘉立、洪碧光[9]給出的Z型拖輪的換算關系表為例，如表1。

表1 Z型拖輪每100kW功率所發出的拖力

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），即所需拖輪主機馬力，但通常所稱的拖輪馬力并非指的是拖輪主機馬力，而是指拖輪收費馬力，它不僅包括拖輪主機馬力，還包括輔機等其它設備的功率，通常拖輪收費馬力與拖輪主機馬力有如下關系。

為了保證船舶靠離泊的安全，計算得到所需拖輪收費馬力后，應增加20%-30%的安全余量，以應對突發狀況。需要強調：在風平浪靜或順風順水的條件下按此方法計算可能會得到一個極小的拖輪收費馬力，此時，拖輪需要克服的阻力的確很小，但絕不可以按照該結果來確定拖輪配置，因為過低的拖輪配置（如一艘拖輪）雖然足以使船舶移動，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對各種突發狀況，一旦風速、流速等發生變化，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、急流或逆風逆水等條件下按此方法計算可能會得到一個極大的拖輪收費馬力，說明這種情況并不適宜靠離泊，應暫緩靠離泊。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，而從經濟性角度考慮，通常超大型集裝箱船靠離泊拖輪配置應不多于5艘拖輪。因此，若計算結果少于3艘拖輪，則應取3艘拖輪，而若計算結果多于5艘拖輪，則應等候更適宜的條件再進行靠離泊。

3.拖輪配置的計算實例

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，分別計算其輕載、重載狀態下的靠泊與離泊的拖輪配置來驗證其準確性。該輪基本數據如表2。

表2 船舶基本數據

限于篇幅，本文僅以重載離泊和重載靠泊為例，5級吹開風，各水文氣象條件數據如表3。

表3 水文氣象條件數據

靠離泊時的船舶橫移速度與相對流速如表4。

表4 靠離泊時的船舶橫移速度、相對流速

?=50°時可查得參數～的取值如表5。

表5 =50°時B0～B6的取值

3.1 輕載靠泊

輕載狀態以吃水11m，甲板堆碼4層集裝箱為例，據此查詢船舶資料及計算得到輕載狀態下船舶幾何數據如表6。

表6 輕載狀態下船舶幾何數據

將表5數據代入(3)、(5)、(6)、(7)式計算得到輕載狀態下橫向風壓力系數及各橫流阻力系數如表7。

表7 輕載狀態下橫向風壓力系數及各橫流阻力系數

將各數據代入(1)、(2)、(4)式計算得到輕載狀態下靠泊各力大小如表8。

表8 輕載狀態下靠泊各力大小

根據表1及(8)、(9)式換算得到輕載狀態下靠泊各功率大小如表9。

表9 輕載狀態下靠泊各功率大小

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

重載狀態以吃水14 m，甲板堆碼8層集裝箱為例，據此查詢船舶資料及計算得到重載狀態下船舶幾何數據如表10。

表10 重載狀態下船舶幾何數據

將表10數據代入(3)、(5)、(6)、(7)式計算得到重載狀態下橫向風壓力系數及各橫流阻力系數如表11。

表11 重載狀態下橫向風壓力系數及各橫流阻力系數

將各數據代入(1)、(2)、(4)式計算得到重載狀態下靠泊各力大小如表12。

表12 重載狀態下靠泊各力大小

根據表1及(8)、(9)式換算得到重載狀態下靠泊各功率大小如表13。

表13 重載狀態下靠泊各功率大小

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 計算結果與實際拖輪配置的對比

根據湛江港集裝箱船靠離泊經驗和廣州港南沙港區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碼頭的經驗，南沙港區大風條件下，型長超過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15萬噸級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，超大型船舶靠泊時需要用3～4艘3000馬力以上的拖輪。該輪型長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驗配置，是合理的。

3.4 拖輪配置計算的程序實現

實踐中，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、裝載狀態及風流等環境數據，實現所需拖輪配置的需求的自動計算功能，能夠為駕引人員快速計算拖輪配置提供便利。

4.結語

本文結合經驗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算方法，實例結果表明本文計算方法是可行的，便于實現計算機自動計算，可供港航相關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，對船舶安全靠離泊和節約費用具有重要的實際意義。未來作者將對其他類型的大型船舶靠離泊拖輪配置問題開展深入研究，并按船型開發出智能手機小程序，為駕引人員快速計算拖輪配置提供依據。