探讨大连30万吨级原油码头船舶航行及靠离泊安全模拟试验的方案

2014-09-17

天津职业院校联合学报 2014年5期

(天津海运职业学院，天津 300350)

国内外现在均有使用先进的大型船舶模拟器来研究港口船舶通航和港口建设安全评估等实际工作，而且新公约下船员培养过程中也要利用模拟器来完成BRM(驾驶台资源管理)的考核。在未来，大型船舶模拟器的应用前景必将更加广阔。现在我们来探讨一下如何制定大连30万吨级原油码头船舶航行及靠离泊安全模拟试验的方案。

一、模拟试验概述

大连港正在施工建设中的30 万吨级原油码头位于辽东半岛、大连湾东北部，港址位于大孤山沙坨子南侧海域，与鮎鱼湾相邻(图1-1)。该码头陆上距大连经济开发区10km，距大连西太平洋石油化工有限公司约7km，水上距大连湾约12.5km。根据港口安全和操作部门的要求，从船舶操纵安全角度出发，码头建成后，对其航道、掉头水域以及泊位前沿水域是否满足30万吨船舶在各种载况及外界条件下的航行及靠离泊安全的要求进行模拟试验论证。

图1-1 大连港口附近水域示意图

二、船舶操纵模拟试验方案的设备和考虑的因素

1.模拟试验设备

模拟试验平台为大连海事大学V.Dragon-3000A型大型船舶操纵模拟器,它采用了先进的分布交互仿真和高层体系结构的设计思想、可以和互联网方便相连的先进网络技术，将系统的各计算机相互连接。该系统包括：教练员控制台、主本船及视景系统、副本船及视景系统、多媒体教室与桌面系统，每一套系统均包括与本船相似的各种训练软件(导航仪器、带三维视景的船舶操纵、雷达与ARPA、ECDIS与GMDSS等模拟功能)。

V.Dragon-3000A型大型船舶操纵模拟器具有较高的仿真精度，模拟器的性能指标完全满足挪威船级社(DNV)有关大型船舶操纵模拟器的性能标准(NO.RP-DTP-23-99 Rev.1)和其他国际公认的模拟器标准以及中国海事局和STCW公约对用于培训和V.Dragon-3000A 型大型船舶操纵模拟器采用当今先进的技术手段和方法，如计算机成象技术、虚拟现实技术、无缝拼接宽视场角环幕投影技术等。

可根据试验设计的方案，通过先进的船舶模拟器来实现(如图1-2)，效果逼真并趋于实际。

图1-2 模拟实验的效果截图

2.影响安全的因素

(1)人为因素的影响

船舶驾驶员是决定船舶操纵安全的关键因素之一，船舶设备再先进也离不开船舶驾驶员的正确操作和监控。作为操纵人员操船时应遵循下列原则。

1)泊位前沿操纵特点

进港靠泊时，船舶从航道进港至泊位前沿的航行过程中，需向右转向30°，在船舶抵达泊位之前，由于船速较低，用右满舵不可能转过如此大的角度，需要用拖轮协助转向。转向后，将船舶平行摆在离泊位一定距离上，然后进行平行靠泊。“吹拢风”靠泊时，船舶抵达泊位前沿时距离泊位的宽度应大一些，“吹开风”靠泊时，该宽度应小一些。特别是压载状态情况下靠离泊，更应严格遵循这些原则。

2)船舶靠离泊操纵方式

根据上述船舶载重状态的靠离泊情况，本泊位未来可能既有满载靠泊、压载离泊情况，还可能有压载靠泊、满载离泊的情况。在选择靠泊方式时一般遵循下列原则：

满载船进港靠泊时，采用“顺靠”方式，离泊为压载，采用“掉头离”方式；压载船进港靠泊时，采用“掉头靠”方式，离泊为满载，采用“顺离”方式。

满载进港靠泊应选择在顶流(涨潮流)时机，满载出港也应选择在顶流(落潮流)时机，并应避免急涨急落时进行靠离泊作业。

压载掉头受风的影响较大，若环境允许应选择向下风的掉头方式进行操纵。

(2)环境因素的影响

从船舶操纵角度来讲，大连30万吨级泊位通航水域分为两段，第一段是航道以外自然水深航区。该航段的特点是水域较宽，在此操作船舶不太困难。第二段是航道至泊位前沿部分，长度约1.62海里，该航段为船舶航道航行、掉头操纵和靠离泊区域，水深及水域均受到限制，操纵相对困难，是模拟试验的重点水域。

1)航道通航特点

显然，第二航段风险性要比第一航段大得多，也是模拟试验的重点。由于航道长度只有3000m，而30万吨VLCC惯性较大，因此，在船舶进入航道端部时是控制船速的关键时刻。并根据船舶停船性能的特点，适时停车，以便在泊位前沿的适当位置把船停住。必要时，可适时运用拖轮协助减速。由于进港航道的两侧为海产养殖区，船舶只能在370米的航道内航行，船速过低时，舵效降低，风、流的作用也增强，因此，在风大、流急的条件下，该段航程船舶操纵十分困难。

2)风的影响

根据大连港的风力风向的统计资料，常风向为N向，次常风向为S和NW向。航道走向(017°-197°)与常风向(N)交角为17°；与次常风向(S 和 NW)交角分别为163°和62°。从保证船舶安全的角度来看，模拟试验中对操船安全影响较大的风向NW和SE，风力选取6 和7 级。

3)海流的影响

从气象统计资料来看，大连30万吨级原油码头附近水域为往复流，涨落潮流流向(约 225°)基本与码头走向平行(2°交角),但与航道走向成28°的交角；落潮流流向(约054°)与码头线交角约7°，与航道走向成37°的交角。

4)潮高的影响

由于航道水深受限，满载低潮时富裕水深较小，将使船舶操纵受到影响。船舶压载出港时，航道、码头水域的水深不受限制，可以在任意潮高时间通过航道和靠离泊。

5)波浪的影响

码头水域常浪向为SE向，与航道交角约118°(或 62°)，与码头轴线交角约88°(或 92°)；次常浪向为SSE向，与航道交角约140°(或 40°)，与码头轴线交角约110°(或 70°)；强浪向为SSW 向，与航道交角约185°(或 5°)，与码头轴线交角约155°(或25°)。船舶在出港时若遭遇常浪向，可能引起较大的横摇和升沉运动，进而增加船舶的吃水。

(3)船舶因素的影响

根据大连30万吨级原油码头的营运计划，船舶因素的影响主要考虑船舶载重状态、进港初始船速等。

1)船舶进出港的载况类型

根据港口设计部门的要求和大连30万吨原油码头投产后的需求，船舶进出、靠离 30 万吨原油码头的营运种类一般包括四种类型：

满载进港靠泊；空载离泊出港；空载进港靠泊；满载离泊出港。

2)进出港船速的影响

船舶航速的大小是决定船舶在航道中航行安全的重要因素之一。因此，船舶驾驶员一定要以安全航速谨慎驾驶，与当时的情况和环境相适应，从而保证船舶的航行安全。

3、拖轮的运用

(1)影响拖轮作用效率的因素

1)拖力、推力作用点

可根据实际情况按照下列原则确定拖轮带缆位置：需转向或掉头时，为了获得最大的转船力矩，带缆位置应尽可能接近船首和(或)船尾；需平移时，为了获得最大的平移力，合力作用点应尽可能接近船舶首尾方向的重心水平位置。

2)拖力的垂直角

拖缆垂直角大小将会影响拖力的使用效率。由于试验中30万吨VLCC 压载状态时的吃水只有10 m 左右，水面以上的船舷高度为20 m左右，而拖轮的拖缆长度是有限的(一般为 100 m)，且在使用中要留有一定的余量，不可能将100m 的拖缆全部使用。拖轮拖带效果如图1-3所示。

图 1-3 拖轮拖带效率示意图

经计算，出缆长度为80m时，效率为96%；出缆长度为60m时，效率为94%。因此，实际使用中应适当增加使用拖轮的总功率。

(2)拖轮马力及其数量

使用拖轮的数量应根据港口实际情况确定。除考虑船舶本身的运动所需拖轮功率外，还应考虑风、流和波浪的影响。另外，根据经验，对于VLCC 船舶，应使用大马力拖轮。船舶在港口靠泊操作过程中，既有大角度转向又有掉头回转，因此，其操作难度要远大于一般船舶。

三、模拟试验方案的设计

综合考虑到上述因素的影响和操船的安全，针对最不利于船舶操纵的情况，有针对性地设计了以下模拟试验方案：

1.满载进港靠泊

(1)涨潮流(225°)1kn, N 风 6 级，6 艘拖轮协助

(2)涨潮流(225°)1kn, NW 风 7 级，5 艘拖轮协助

(3)涨潮流(225°)2kn, NW 风 6 级，6 艘拖轮协助

(4)涨潮流(225°)1kn, SE 风 6 级；5 艘拖轮协助

(5)涨潮流(225°)2kn, SW 风 6 级，6 艘拖轮协助

(6)落潮流(045°)1kn, NW 风 6 级，5 艘拖轮协助

(7)落潮流(045°)2kn, NW 风 6 级，6 艘拖轮协助

(8)落潮流(054°)1kn, SE 风 5 级；5 艘拖轮协助

(9)落潮流(054°)2kn, SE 风 5 级；6 艘拖轮协助

2.满载离泊出港

(10)落潮流(054°)2kn, NW 风 6 级，5 艘拖轮协助

(11)涨潮流(225°)2kn, SE 风 6 级，5 艘拖轮协助

(12)落潮流(054°)2kn, SE 风 6 级，5 艘拖轮协助

(13)涨潮流(225°)2kn, NW 风 6 级，5 艘拖轮协助

3.压载进港掉头靠泊

(14)涨潮流(225°)1kn, NW 风 7 级，5 艘拖轮协助

(15)落潮流(054°)2kn, NW 风 6 级，5 艘拖轮协助

(16)落潮流(054°)1kn, SE 风 6 级，5 艘拖轮协助

(17)落潮流(054°)2kn, SE 风 6 级，5 艘拖轮协助

4.压载掉头离泊出港

(18)落潮流(054°)2kn, NW 风 6 级，5 艘拖轮协助

(19)涨潮流(225°)2kn, NW 风 6 级，5 艘拖轮协助

(20)落潮流(054°)1kn, SE 风 6 级，5 艘拖轮协助

(21)落潮流(054°)1kn, S 风 6 级，4 艘拖轮协助

(22)涨潮流(225°)2kn, SW 风 6 级，5 艘拖轮协助

5.特殊情况满载进港靠泊

(23)横流(107°)1kn, NW 风 6 级，6 艘拖轮协助

(24)横流(107°)1kn, SE 风 6 级，6 艘拖轮协助

上述设计方案中每种试验可进行 2～3 次模拟，其方案种类和试验次数可以根据引航员的经验和实际情况进行取舍或增加。

四、模拟试验方案的实施

船舶操纵由船长及大连港一级以上的引航员执行操纵。针对不同的风流条件，进行一系列模拟操船。模拟操船水域为自进港航道第一灯浮至泊位之间的水域。模拟试验表明，每次模拟操船所需时间与实船操纵基本一致，约需时 40 分钟～1.5 小时。每次试验都对船位、航向、航速、主机工况、操舵舵角等运动参数以及风流数据进行记录，可为后期的分析试验结果提供数据支撑。