拖帶超大型無動力駁船狹窄水域航行關鍵技術研究

摘 要：我國正在大力發展大型海上作業平臺，對海上大型化拖帶作業的需求與日俱增。為了保證超大型無動力駁船在限制水域中的通航安全，本文以“海洋石油228”裝載“恩平20-4”石油導管架通過赤灣航道的拖航過程為例，從拖航阻力、船舶偏蕩、航向航速以及保持合理的風流壓差等角度進行分析，探究了拖帶超大型無動力駁船狹窄水域航行的關鍵技術。

關鍵詞：超大型無動力駁船；拖航；狹窄水域；通航安全

0 引 言

隨著人類社會對海洋資源開發的深入，大型海上作業平臺的建造已成為我國的重點工程，現有海上大型導管架平臺已超過300個。對超大型無動力拖帶，例如拖帶大型海洋石油鉆井平臺、海洋石油導管架、浮式液化天然氣生產儲卸裝置等，需求與日俱增。但這種大型拖帶有著較大的轉向力臂以及慣性，操縱能力嚴重受限，其操縱性能受風、流的影響較為顯著，因此在狹窄水域航行時操縱難度大幅提升。2023年3月17日，“海洋石油228”裝載“恩平20-4”石油導管架由拖船“德進”輪拖離赤灣勝寶旺碼頭，經寬度極端受限的赤灣航道、再經銅鼓航道，駛向距離深圳西南方約200 km的恩平油田海域，操作難度極大。為保證超大型無動力駁船在狹窄水域的通航安全，對于此類航行的關鍵技術的研究至關重要。本文以無動力超大型駁船“海洋石油228”裝載“恩平20-4”石油導管架的引航過程為例，對超大型無動力駁船狹窄水域拖航進行分析，以闡述其中的關鍵技術并進行總結，意在對未來進行此類作業時起到參考作用。

1 赤灣航道、被拖船及其裝載的導管架簡介

1.1 赤灣航道

1.1.1 航道概況

赤灣航道位于珠江口東部，是赤灣港通往銅鼓航道的必經之地，航道軸線位于22°28.264′N，113°52.889′E到22°27.487′N，113°52.956′E之間，長度1 481 m，寬120 m，水深11 m，航道走向為175°～355°。航道西邊線距護堤僅33 m，助航設施有赤灣1-3號燈浮。航道信息如圖1所示。

1.1.2 水文氣象

赤灣港區為不正規半日混合潮，潮汐不等現象明顯。漲潮流向為320°～355°，落潮流向為130°～165°。不論是豐水期或枯水期，落潮流速均大于漲潮流速，半潮時流速最大，最大漲潮流速可達2.2 kn，最大落潮流速可達3.7 kn[1]。2023年3月17日蛇口（ 赤灣）潮汐情況是：01：06潮高49 cm，09：29潮高165 cm，11：44潮高161 cm，18：00潮高241 cm；東北風3級，能見度大于1 n mile。

1.2 超大型無動力駁船“海洋石油228”

“海洋石油228”（HYSY228）為2014年建造的一艘具有1 800 t組塊浮托及導管架滑移下水安裝能力的T型（凸字）駁船[2]，也是我國第一艘自主設計的“T”形下水駁船，甲板平面布置如圖2所示，主要參數見表1[3]。該船主要用于10 000～18 000" t海上油氣田大型導管架的裝船、運輸和下水，也被用于運輸其他甲板貨物和進行大型組塊、深水結構物的運輸和浮式安裝。駁船共32個壓載艙室，駁船自身泵室壓排載能力為4×2 300 m3/h[4]。

1.3 “恩平20-4”石油導管架

石油導管架是海洋石油平臺的核心構件，其主體為鋼制桁架，由中空的腿柱和連接腿柱的縱橫桿組成。作為石油導管架的基礎結構，石油導管架上面搭接固定式采油平臺。“恩平20-4”平臺是南海東部油田2023年新建的重要產能設施，其導管架高104 m，最大寬度為97.78 m，最窄處為76.3 m，整體外形呈梯形，其重量為11 846 t，如圖2所示。

1.4 拖帶組

本次在赤灣航道內拖帶采用船艏拖船吊拖，船艉倒拖，全長約400 m。左側由“中鑫2號”和“海安9號”拖船頂推，右側由“中鑫1號”和“中鑫5號”拖船頂推，船艉由“寶航6號”拖船倒拖，船艏由主拖船“德進”輪進行吊拖拖曳，主拖纜長98 mm，如圖3所示。由于駁船“海洋石油228”寬度52.5 m，導管架裝載上駁船后，船艉左右兩側最窄處可以頂推的位置點導管架外側水平距離81.15 m。但目前國內沒有合適拖船能配合安全頂推作業。擬參加作業拖船駕駛臺至船頭頂推位置最大距離為14.15 m ，須在駁船艉左右兩側進行改造、在駁船船艉兩側分別加裝一個3 ×3 ×6 m的鋼結構（見圖4），為拖船頂推作業提供必要的空間，使船艉兩拖船能夠成功頂推到駁船。

2 狹窄水域拖帶航行的關鍵技術

由于赤灣航道的寬度僅有120 m，航道西邊線距護堤僅33 m。為了保證兩側拖船能夠更加精準地控制船舶拖航，兩側共4艘拖船需要垂直于駁船兩側進行頂推。加上在駁船兩側改造的鋼結構，整個拖帶組的寬度達到了130 m。已經超過了赤灣航道的寬度，這就要求整個拖帶組偏離航道中心線的距離要控制在10 m以內。

考慮到導管架受風面積大，駁船船型較大，導致拖帶組受風流影響非常大，引起拖航過程中偏蕩的可能性增加。考慮到赤灣航道為受限水域，水深吃水比僅為2：1，航道寬度僅有120 m，淺水效應與岸壁效應會更加顯著，對于拖航速度與航向的把控更加困難。根據引航實操經驗，當駁船航速超過2 kn時，兩側的拖船頂部與駁船的摩擦阻力加上螺旋槳的橫向力無法滿足拖船垂直于駁船航行，因此拖帶組航速需要控制在2 kn以內。在這種極端苛刻的航行條件下，“恩平20-4”石油導管架在受限水域的拖航為后續相關工作積累了豐富的經驗，下面結合理論分析對狹窄水域拖帶航行的關鍵技術進行總結。

2.1 拖航阻力

為了分析風流對船舶的影響，本文按照中國船級社2011年發布的《海上拖航指南》中給出的估算公式進行計算。本次計算的對象為無動力駁船，其拖航的阻力R可按以下經驗公式計算：

∑R=（Rf+RB ）+Ra （3.1）

式中R_f為被拖船的摩擦阻力（kN），RB為被拖船的剩余阻力（kN），Ra為空氣阻力。計算公式如下：

Rf =1.67A1+V1.83×10-3 （3.2）

RB =0.147δA2 V1.74+0.15V （3.3）

Ra =0.5ρV^2 ∑CS Ai 10-3 （3.4）

式中A1為船舶水下濕表面積，V為拖航速度，δ為方形系數，A2為浸水部分的船中橫剖面積。ρ為空氣密度，V為風速，Ai為受風面積，CS為受風面積形狀系數（查閱中國船級社標準取1.25）[5]。

計算得Rf為13.42 kN； RB為996.13 kN；Ra為27.53 kN；R為1073.08 kN。

需要注意的是，所用公式只能粗略的估算駁船所受阻力，在實際拖航過程中，船體受淺水效應的影響，船體下沉量會增加，船體的縱傾也會改變。因此船體航行所受阻力也會相應增加。

2.2 抑制偏蕩的措施

由水文氣象條件可知，當天在航道內拖航期間風和流的作用力均作用在拖帶組左側。本次拖航駁船為T型駁船，船型較為瘦長，拖帶組高度最高可達105 m，受風面積較大。在風和流的影響下極易引起船體發生偏蕩，導管架平行于甲板的橫向力Fy計算公式如下：

Fy=MAy+Fq+Fw （3.5）

式中M為導管架質量（t），Ay為橫向加速度（m/s2），Fq為風作用力（kN），Fw為海水飛濺沖擊力（kN）[5]。其中Ay，Fq，Fw按中國船級社《海上拖航指南》中標準計算，由于導管架為鏤空結構，其投影面積按50％計算，結果Fy約為6 160.59 kN，可產生額外的橫向加速度為0.52 m/s2。由計算結果可知，風流對駁船裝載的導管架的影響較大。

（1）分析風流對船舶產生的偏轉力矩可知， 駁船帶好拖纜在船艏進行拖航時，在風流速低的情況下，偏頂風流對拖纜產生的升力相對較小，拖纜張力相對更加穩定，有助于控制船舶的運動，因此狹窄水域拖帶航行盡量選擇偏頂風流的天氣情況進行拖航作業。

（2）拖航航行中，風流作用力與拖拽力需盡量保持平衡狀態。為了避免突然的速度變化而引起偏蕩幅度增大[6]，拖帶過程中應盡量保持整個拖帶組處于平穩慢速狀態。考慮到赤灣航道的具體情況以及拖船頂推效果的發揮，作業速度應控制在2.0 kn以內。

（3）為了控制駁船偏離航道中心線在10 m以內的要求，選擇4艘拖船垂直于駁船進行頂推，以確保拖船能夠更加精準地控制駁船。但不需要側面拖船協助頂推時需保持拖船在合適的位置和運動姿態。

（4）配備多名經驗豐富的引航員，確保每艘拖船能夠及時準確地接到命令并對駁船施加推力以及時改正船舶偏蕩，并保證船艏處2艘拖船與船艉處2艘拖船能夠相互緊密配合。

2.3 拖航速度及航向的控制措施

為了保證超大型駁船在狹窄航道內保持航向的同時以安全航速通過，拖船“寶航6號”協助操縱采用了船艉倒拖制動的方式。拖船“寶航6號”選擇倒八字方式系固在左船艉和右船艉，有效地提供了向后的拖力以及時地控制船速，同時提供抑制船艏向偏離計劃航向的力矩。在本文的案例中，對于穩定駁船的拖曳，適當增加拖纜的長度可增加拖曳過程的穩定性[7]。

駁船在狹窄航道內航行時會引發岸壁效應，由伯努利方程[8]：

P + 12_ρv2+ρgh=C （3.6）

可知，當船體一側與岸壁之間的距離變小，經過船體近岸側的水流流速將會增加，這導致流體的動能增加，壓強減小。所以船體與岸壁之間會產生吸力，且該力的作用中心通常在船中略后，故產生推艏吸艉的轉船力矩，這種現象叫“岸吸與岸推”（又稱岸壁效應），從而導致船體偏離原來的航向。特別是在淺水水域的超大型無動力駁船，船舶本身無操縱動力，加之淺水效應的影響，船體的岸壁效應會更顯著。

（1）在船舶偏向一側岸壁時，應提前準備好應對岸壁效應的措施。應有引航員密切地關注船艏與船艉的動向，與此同時靠近岸壁一側的拖船應時刻做好頂推準備，必要時，船艉的拖船應施加一定拖力控制船舶航向。

（2）在狹窄水域的拖航過程中，船速的控制十分重要。過高的航速會增加船舶的慣性，使得船舶難以及時地轉向。隨著航速的增加，岸壁效應會更加顯著。在具體的實操過程中，當駁船的航速超過2 kn時，兩側的拖船將無法正常垂直頂推船舶，且由于船尾拖輪的距離限制，當拖船偏轉角度過大時，需要解拖船以免導管架碰撞到拖船。這大大增加引了航員的操作難度，甚至有可能引發安全事故。因此在拖航過程中，保持適當的航速是十分重要的。

2.4 保持風流壓差的措施

風中航跡線與真航向線的夾角叫作風壓差角，簡稱風壓差，流中航跡線與真航向線的夾角叫作流壓差角，簡稱流壓差[9]。風流壓差的大小對船舶的航向、航速以及穩定性都有著重要的影響。對于超大型駁船來講，風流壓差角過大時，會增加駁船的偏離角度，從而影響船舶的航向穩定性。風流壓差過小則會影響船舶的操縱性和控制船位的能力。

在拖帶組順利通過赤灣航道后，需進行轉向前往銅鼓航道，并通過該航道前往廣州港。在此過程中，需要考慮風流壓差這一重要因素，適當的風流壓差可以減小船舶阻力以及風浪的影響，以確保整個拖帶組在新航向上的穩定性。

（1）適當調整載荷分布

拖航過程中，駁船的吃水及縱傾會影響風流壓差，根據具體情況調整配載來改變船舶縱傾，可平衡作用在船體上的風壓與流壓，提高船舶的航向穩定性。此外，研究表明當吃水深度較淺時，拖航作業整體的阻力較小，但是航向穩定性會相應降低；反之，航向穩定性會相應提高[10]。

（2）調節拖纜張力

在拖航過程中，拖纜的張力會影響風流壓差。適當調整拖纜張力，可以降低風壓對船體的影響，提高航向穩定性。在實際操作中，可以通過調整主拖船與駁船間的距離、改變拖纜的角度等方法來調整拖纜張力。

（3）實時關注風流條件

實時收集水文氣象數據，并提前預測風流的變化趨勢，根據經驗公式對風流壓差角進行定量預測，提前采取相應的措施，確保風流壓差保持在安全范圍內。

3 結 論

本文針對超大型無動力駁船“海洋石油228”裝載“恩平20-4”石油導管架通過赤灣航道的引航過程進行了詳細分析與總結，得到結論如下：

1）根據對船舶所受阻力以及導管架所受橫向力的計算，可以確定超大型駁船受風流影響較大，易引起偏蕩，最好選擇頂風出港。

2）整體的拖航速度應根據實際情況控制在合適的速度以下，來保證駁船兩側的拖船可垂直頂推，從而最大限度避免駁船的偏蕩。

3）合理地控制好船速以及引航員與拖船組精確及時的配合對保證安全通航十分重要，可以有效規避淺水效應以及岸壁效應的影響。

4）適當調整載荷分布、調節拖纜張力以及提前預測風流壓差角等措施，可以保證整個拖帶組在航向上的穩定性。

參考文獻

[1] 姚廣興. 重載散貨船進靠深圳港赤灣C7泊位的安全操作[J]. 中國水運（下半月）， 2016， 16（1）： 37-38.

[2] 錢建偉， 李新超， 徐京闊， 等. T型駁船用于組塊浮托作業的應用研究[J]. 中國水運（下半月）， 2014， 14（5）： 281-283.

[3] 周蘭辛，羅彬，方懌民.“海洋石油228”船總體設計[J].船舶設計通訊，2014，000（0z2）：56-59.

[4] 李新超， 袁尚晨， 江新偉， 等. T型駁用于大型組塊運輸的計算分析及校核[J]. 中國水運（下半月）， 2014， 14（5）： 78-80.

[5] 中國船級社，海上拖航指南[M].2011.

[6] 林大欽. 拖航中偏蕩分析及其應對措施[C/OL]. 交通運輸部救撈局、中國航海學會救助打撈專業委員會、中國潛水與打撈行業協會， 2008： 90-94. https：//kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx？dbcode=IPFDamp;dbname=IPFD9914amp;filename=ZGHJ200809002025amp;v=.

[7] FITRIADHY A， YASUKAWA H， KOH K K. Course stability of a ship towing system in wind[J/OL]. Ocean Engineering， 2013， 64： 135-145. DOI：10.1016/j.oceaneng.2013.02.001.

[8] YOUNG P T. Degenerate Bernoulli polynomials， generalized factorial sums， and their applications[J/OL]. Journal of Number Theory， 2008， 128（4）： 738-758. DOI：10.1016/j.jnt.2007.02.007.

[9] 徐琳弟， 孫武臣. 基于經驗公式的風流壓差角定量預測[J]. 天津航海， 2019（3）： 16-18.

[10] BAI X， LUO H， XIE P. Experimental investigation on motions behavior and loads characteristic of floatover installation with T-shaped barge[J/OL]. Ocean Engineering， 2020， 195： 106761. DOI：10.1016/j.oceaneng.2019.106761.

作者簡介：

閻濤，高級引航員，主要從事船舶引航，13510031666

王京奎，一級引航員

夏明宇，大連海事大學航海學院研究生