超大型修造船在限制性水域航行的護航拖輪配備

郝慶龍，石京鵬，劉軍坡

（1.大連海事大學 航海學院，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通常需要配置一定的護航拖輪進行安全保障。護航拖輪的數量與總拖力往往通過船舶駕駛人員的經驗確定。馬岙港區公共航道是大型船舶進入馬岙港區的主要航道，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境和潮流情況復雜，為確保10萬噸級以上的大型修造船進出航道的安全性，需要對經過灌門航道的大型修造船舶進行拖輪護航。根據操作經驗，通常對10萬噸級的大型修造船使用1～2艘拖輪進行護航，對30萬噸級的大型修造船使用4艘拖輪進行護航。然而，目前尚無不同風力條件下大型修造船對于拖輪數量及總拖力配備需求的相關資料，也難以通過實船方式對習慣做法的合理性進行驗證。若護航拖輪配備過剩，則會造成不必要的資源浪費；若護航拖輪配備不足，一旦大型修造船發生失控險情，后果將不堪設想。因此，需對大型修造船在不同風力條件下的拖輪配備要求進行定量分析，并論證大型修造船在灌門航道航行時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40萬噸級空載超大型礦砂船（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、維護海洋環境安全。

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，位于航道東側口門的粽子山與龍王跳咀之間。通常情況下，進港時空載超大型礦砂船自秀山東錨地由東向西進入灌門水道；出港時空載超大型礦砂船自秀山西錨地由西向東駛出灌門水道?？蛰d超大型礦砂船在進出灌門水道過程中均由拖輪進行護航。

圖1 灌門航道示意圖

灌門航道所在海區的潮流屬于非正規淺海半日潮，大潮期間最大漲潮流流速約 4.0 m/s，流向為260°～297°；大潮期間最大落潮流流速約4.0 m/s，流向為 75°～88°。船舶通過狹口航門時，要盡量避開流急時段，調整吃水并壓載通過。根據《舟山灌門航道、龜山航道通航安全管理規定》，大型船舶通過灌門時，應選擇流速小于1.5 kn的緩流時段，實測風力不超過蒲氏風級8級，船舶航速控制在6～7 kn為宜。本文對40萬噸級空載VLOC進行研究，其主要參數見表1。

表1 40萬噸級空載VLOC主要參數

2 應急狀態下船體受力分析

2.1 船舶應急操作過程

1）應急拋錨階段

當空載超大型礦砂船在灌門航道內失控時，應立即根據船體所受外力狀況調整艏向，使船舶在航道范圍內減速。此時，護航拖輪應盡可能協助大船大型礦砂船并保持船位。當相對船速降低至3 kn時，應立即拋錨，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。此時，護航拖輪需協助大型礦砂船在航道內擺正船位，盡量保持與航道線平行移動，且移動速度不宜過快。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，拖輪需協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頂流狀態。拖輪應繼續協助大船保持船位，等待救援。由于船體縱向環境載荷基本由錨鏈承受，為防止大型礦砂船船身漂出航道，其橫向環境載荷應全部由護航拖輪提供，直至應急救援拖輪抵達現場。

2）應急拖航階段

當應急救援拖輪抵達現場后，安排2艘應急救援拖輪將大型礦砂船拖航至安全水域，其他應急救援拖輪與護航拖輪一起協助大型礦砂船保持船位。因此，失控船應急拖航與護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克服拖航阻力，保持船位拖輪總推力主要用來克服風浪載荷。

2.2 仿真計算原理

1）保持船位的拖輪需求

對于錨泊狀態下的船舶，錨、錨鏈和船體之間共同構成了錨泊系統。漂浮船體在水平方向上主要受到錨鏈的拉力、風載荷和流載荷作用，船位的變化主要受船體橫向外載荷的控制。此時，為防止船體偏出航道，必須根據風載荷和流載荷，為船體施加一個與橫向環境載荷大小相等、方向相反的力。因此，拖輪的協助對于保證船位穩定起到重要作用。為得到拋錨狀態以及應急拖航過程中的船位保持對拖輪拖力的需求，需要對不同環境載荷條件下的船體受力進行合理預測。

在風、浪、流聯合作用下，自由狀態的船舶可沿笛卡爾坐標軸平動，同時又可繞坐標軸做旋轉運動，即進行六自由度的空間運動。由于船舶運動狀態主要受縱蕩、橫蕩和艏搖的影響，可將船舶在錨鏈拉力、拖輪拖力和環境載荷共同作用下的受力平衡方程表示為

式中：F為環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為環境載荷在平面內產生的力矩；N為錨鏈和拖輪在平面內提供的力矩。

為簡化船舶運動的控制過程，本文做出如下假定：橫向環境載荷完全由護航拖輪的拖力進行抵消，縱向環境載荷則由錨鏈（緊急拋錨階段）或拖航拖輪（拖航階段）進行抵消。

風載荷對船舶產生的縱向分力、橫向分力、偏轉力矩和偏轉力臂計算公式分別見式（2）～式（5）。

式（2）～式（5）中：為風載荷對船舶產生的縱向分力；為風載荷對船舶產生的橫向分力；為風載荷偏轉力矩；為風載荷偏轉力臂；為船體水面以上縱向受風面積；為船體水面以上橫向受風面積；為風速；為縱向風壓力系數；為橫向風壓力系數；為風載荷偏轉力矩系數；為艏艉柱間長度；為空氣密度。

流載荷對船舶產生的縱向分力、橫向分力、偏轉力矩和偏轉力臂計算公式分別見式（6）～式（9）。

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

2）應急拖航的拖力需求

海上拖航總阻力計算公式為

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

拖輪阻力可根據實船資料確定，若無詳細資料，也可通過相似方法計算確定。

3 拖力需求仿真計算

為保證仿真模型能夠真實反映船舶在航道內應急拋錨后的動平衡狀態，在充分考慮船型特點和外界環境條件的基礎之上，利用國際公認的船體受力數值模擬軟件OPTIMOOR-Dynamic對船舶的錨泊受力與運動狀態進行仿真計算。

根據舟山輪駁公司提供的舟山中部港域應急拖輪反應時間資料，一旦大型船舶在灌門航道內失控，應急拖船必須在 20 min內緊急到達救援位置并集結完畢，隨后將失控船舶拖離航道至安全水域。根據通航安全管理相關規定，考慮到應急救援時必要的拋起錨與拖輪拖帶工作時間，并根據測流資料推算，拖輪協助作業需考慮的最大流速為1.5 kn，拖帶作業需考慮的最大流速為2 kn。不同仿真計算方案見表2，船體受力計算結果見表3。

表2 仿真計算方案

表3 船體受力計算結果

續表3 船體受力計算結果

由表2和表3可知：在船舶拋錨后，為保持船位，護航拖輪側向頂推需要的最大橫向拖力為1 524 kN；在拖航過程中，為保持船位，護航拖輪側向頂推需要的最大橫向推力為2 015 kN。根據表3計算結果，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

科學合理的配置和使用現有拖輪是拖輪護航及應急拖帶作業成功的重要保障。舟山輪駁公司在中部港域拖輪待命點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助必要的轉向或控速。此外，對于應急情況，需在原有護航拖輪數量和馬力的基礎上新增配置，配備標準見表6。

表6 拖輪配備標準

4.2 拖輪布置

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

圖2 護航階段拖輪布置形式

圖3 應急拖航階段拖輪布置形式

5 船舶操縱模擬試驗

5.1 試驗方案

考慮到40 萬噸級VLOC 在灌門航道航行的實際情況（風速不超過8 級，流速小于1.5 kn），風、流條件分別選取偏南風和偏北風6 級、漲落潮流速1 kn。在模擬試驗中，失控船速設定為6～8 kn，船舶失控事件是隨機發生的。模擬試驗方案見表7。

表7 模擬試驗方案

5.2 結果分析

1）漲流（順流）進港

漲流進港對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相對較大，船舶施舵的轉向效果也相對較差。由于大型礦砂船受風面積大，在不利于減速的環境下，船舶更容易因風影響而偏離航道。因此，在順流情況下，船舶失控后應充分注意利用拖輪和施舵盡快降速，必要時可拋雙錨協助停船。

漲流（順流）進港情況下，船舶操縱模擬試驗過程見圖4，在順流橫風條件下，按5 000 hp拖輪1艘+4 000 hp拖輪2艘的護航拖輪配備標準可較好地協助船舶降速和保持船位，確保應急條件下的船舶航行安全。

圖4 船舶操縱模擬試驗過程（漲流進港）

2）落流（頂流）進港

落流進港對船位的控制相對漲流較好，落流條件下船舶失控后的沖程和沖時相對減小，船舶施舵的轉向效果也相對較好。在有利于船舶減速的環境下，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，同時注意盡可能使艏向與航道線平齊，或者略微保持風流壓角。當船舶減速至4 kn左右時，即可拋錨停船，同時，利用拖輪的拖力協助船舶保持船位，等待救援。落流（頂流）進港情況下，船舶操縱模擬試驗過程見圖5，在頂流橫風條件下，按5 000 hp拖輪1艘+4 000 hp拖輪2艘的護航拖輪配備標準可較好地協助船舶降速和保持船位，確保應急條件下的船舶航行安全。

圖5 船舶操縱模擬試驗過程（落流進港）

5.3 應急操縱要點總結

1）航速控制

由于大型船舶慣性較大，在風速和流速較大的情況下，船舶操縱相對困難。因此，為保證應急情況下的反應時間和舵效，大型礦砂船在拖輪護航下的航行速度宜控制在6～7 kn?？梢钥紤]順流和逆流對實際航速的影響：順流可適當增大，逆流可適當降低。但無論如何，船舶在灌門航道內的航速不能超過7 kn。

在船舶失控后，應借助一切手段，在確保船體不偏離航道的同時盡快控制船速。實踐證明，左右反復施舵、拖輪協助、應急拋錨均是協助船舶減速的重要手段。

2）應急條件下舵的使用

當船舶剛開始失控時，尚有較好的舵效，應立刻用舵控制航向，搶占適當的風流壓角。

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

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正航向。這是由于在當前航速下，不僅調正航向非常困難，還會對拖輪造成一定危險。拖輪應盡可能順著大型礦砂船艏艉方向為船舶降速。此時應充分考慮到纜繩的破斷強度，不宜全速倒車，防止超出主機負荷或拉斷纜繩。根據操作經驗，當船舶降速至4 kn左右時拖輪方可協助船身調正，當船舶降速至3 kn以下時拖輪協助調正助轉的效果最佳。

4）應急拋錨

在船舶失控后，應立刻啟動拋錨程序。建議先將一側錨鏈放至水面2節左右，并備妥另一側錨以防意外。待船舶降速至4 kn左右時，可在合適時機拋錨。拋錨時應注意潮流方向，通常頂流時可稍早拋錨，順流時應當稍晚拋錨。船舶拋錨后，降速效果將十分明顯，拖輪協助船舶調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，再使用拖輪調正船位，拖輪的總拖力是足夠的。

6 結論

護航拖輪對大型礦砂船的進出港安全具有重要的保障作用。本文以40萬噸級超大型礦砂船通過灌門航道為例，分別利用數值仿真和模擬試驗的方法，提出并驗證了護航拖輪配備的具體方案，對大型礦砂船的航行安全具有一定的參考價值。大型礦砂船在灌門航道失控后的操作要點分別為：航速控制、應急條件下舵的使用、拖輪的使用、應急拋錨。應急操作的具體時機與風、流等環境因素有關，應視當時的具體情況而定。