大风浪情况下大型集装箱船的靠离泊

宁波引航站 谢迎春

从上世纪60年代末70年代初装箱量一般不超过 1000 TEU 开始，到“马士基.迈克-凯尼·穆勒”在海运界惊叹声中的下水，集装箱船一直没有停止其大型化的脚步，而且在最近的几年，集装箱船的大型化势头越来越强劲。众所周知，大型集装箱船的受风面积大，大风浪时的靠离泊存在极大的事故隐患和风险。比如集装箱船首尾削进的船型和风浪急流中拖轮的上下颠簸及漂移造成的拖轮系缆困难，拖缆位置不理想和拖轮马力不足导致拖轮不能克服大船的横移和偏转，大船的前冲后缩和拖轮的剧烈运动造成拖缆断裂。顺流顶风靠泊时，风流对大船的转头效应的叠加，造成大船本身主辅机、锚机及舵机的失灵等 等[1]。这些潜在危险一旦发生或者未及时消除，不仅影响船舶、码头的作业效率，还可能造成财产损失和环境污染，甚至威胁到人命安全。众所周知，风力大小相等时，吹开风时靠离泊比吹拢风时要安全得多，本文主要对强拢风情况下的大型集装箱船舶进行受力分析，继而对拖轮的配置和靠泊方法进行探讨，并提出靠离泊注意事项[2]。

一、风流影响下的大型集装箱船受力情况分析及拖轮功率计算

1.风力

船舶受到的风力可以分解为纵向风力和横向风力，纵向风力可通过船舶自身用车加以克服，而横向风力则需通过拖轮、侧推器、锚、车、舵等的合理使用来加以克服。根据Hughes 公式，横向风压力大小为：

其中：Ya为风力横向分力；Fa为水线以上船体所受的风力；α为风力角；ρa为空气密度；Ca为风力系数，其值随风舷角以及船体水线以上受风面积的形状的变化而变化；Aa为水线以上船体正面投影面积；Ba为水线以上船体侧面投影面积；θ为相对风舷角；va为相对风速（m/s）。

下面对代表船型“MSC SOLA”号船及“CSCL LONG BEACH”号船的满载、半载、空载3 种载况进行横向风力的计算，“MSC SOLA” 号船及“CSCL LONG BEACH” 号船的船型数据如表1所示。

表1 实船船型尺度数据表 m

根据Hughes 公式，横向风力计算结果如表2所示。

表2 论证船型所受横向风力计算表 t

从表2 可知，当相对风舷角从30°增加到90°时，横向风力大幅增加。风速10 m/s、风舷角60°时所产生的横向风力比风速13.8 m/s、风舷角30°时所产生的横向风力还要大。可见，风向对大型集装箱船的靠离泊影响非常大。

2.水动力

正横方向的水动力用以下公式进行计算：

式中：Yw为横向水动力；ρw为水密度；Cwy为横向水动力系数；L为船舶水线长度；d为船舶吃水；vw为船舶与水的相对速度。

从表3 可知，对于论证船型在不同装载状态下，漂角由10°增加到20°时，横向水动力差不多增加1 倍，相对速度由1 kn 增加到2 kn 时，横向水动力增加3 倍左右。

3.所需拖轮功率的估算

影响靠离泊的主要是横向风压力和水阻力，横向的风压力和水阻力主要依靠拖轮来克服。平流时，船舶在拖轮协助下，从静止开始横向启动，横向水阻力逐渐增加，到风力、拖力、水阻力合力为零时达到最大横移速度进入匀速运动。船舶启动时间和距离估算公式为：

其中：t0为启动时间，指船舶启动后达到定常速度所需时间；S0为启动距离，指船舶启动后达到定常速度的航进距离；R0为船舶启动后达到定常速度时的最大水阻力。

根据船舶启动时间和距离估算公式，针对受风流影响较大的满载和半载状态，计算船舶在平流条件下横移200 m 和300 m 所需时间，其结果如表4所示。

船舶离码头在拖轮协助下必须达到一定的横移速度，如果离泊时间过长，说明拖轮配备不够，既不安全又不经济[3]。从表4 可以看出，船舶最大横移速度为0.5 kn 时离泊横移 300 m 所需时间大约21 min，船舶最大横移速度为0.25 kn 时离泊横移 300 m 所需时间大约42 min。如果船舶最大横移速度仅能达到0.25 kn，加上解缆和掉头的时间，船舶实际离泊时间至少需要1 ～1.5 h，既不经济又不安全；如果船舶最大横移速度能达到0.5 kn，基本可以保证船舶在 0.5 ～1 h 内离开，不仅经济也符合实际港口生产需要。根据表4 的最大水阻力数据，论证船型在受风影响下达到0.5 kn 横移速度所需配备的拖轮马力计算结果见表5。

从表5 可以看出，横移速度要达到0.5 kn，在风速为10 m/s、风舷角为60°的情况下，对于336 m 长集装箱船(满载)所需拖轮马力为76.3 t，对于366 m 长集装箱船(满载)所需

拖轮马力为93.7 t；在风速为13.8 m/s、风舷角为60°的情况下，对于336 m 长集装箱船(满载)所需拖轮马力为150.2 t，对于366 m 长集装箱船(满载)所需拖轮马力为177.5 t。大风浪时，大型集装箱船舶除受到风力和水动力外，还受到来自波浪的作用力。船舶所受的横向波浪漂移力与海水密度、波浪幅值、波浪漂移力系数等有关。对于一艘船长为335 m 的集装箱船舶，5 级吹拢风时，横向波浪漂移力吨数为一位数，但是风力为7 级时，该值可能达到或超过30 t。

表3 论证船型所受横向水动力计算表 t

表4 论证船型在平流条件下横移200m和300m所需时间

表5 论证船型在受风影响下达到0.5kn横移速度所需配备的拖轮马力 t

二、大风浪情况下大型集装箱船舶靠离泊注意事项

1.靠离泊时机的选择。在大风浪条件下，大型集装箱船舶靠离泊作业应尽可能选择缓流时进行，避开潮水急涨急落时段。风大流急时，拖轮为了保持拖力方向和自身的船位，导致其作用于大船的有效拖力大大减弱。当大船对水运动时，拖轮对水也会产生相对速度，继而影响其推拉力。当拖轮对水速度达到5 ～7 kn 时，拖轮就完全失去了作用。急流不仅影响拖轮效能的发挥，侧推器的效率也会大打折扣。当大船对水速度超过5 kn 时，侧推器的作用微乎其微[4]。

2.拖轮的配备既要考虑经济因素，又要考虑安全因素。对于大型集装箱船舶，由于其惯性巨大，操纵中不易控制，通常需要两艘及以上拖轮协助靠离泊。拖轮的配置还需要考虑泊位地理条件、自然条件的影响，船舶在掉头过程中遭遇不利的切变流时，船首尾遇到反向流，流致偏转力矩大，单靠船舶自身可能难以克服，这时需要足够的拖轮来抑制切变流带来的不利偏转[5]。

3.充分认识到大风浪情况下拖轮带缆和操作的困难。船长或引航员应留出足够的时间带拖轮，带拖轮时大船的速度尽可能慢，必要时为拖轮做下风。首尾带缆人员应提前准备好带撇缆头的引缆，避免引缆在大风中飘荡而无法让拖轮上的船员拿到。有经验的拖轮上一般配有带钩子的长篙，用来钩撇缆头。船首带缆时，船方可以从外舷接近船首的导缆孔处拉出一根引缆，到一、二舱位置，交给拖轮，拖轮上的船员系好引缆和拖缆，大船用绞缆机绞上即可。船尾也可以用这种方法带缆。带缆过程中，船长和引航员要控制好自身的船位，防止被风流压向码头，造成紧迫局面[6]。使用拖轮时，船速越慢，拖轮越容易摆位（特别是两条拖轮间距离有限时），有利于拖轮马力发挥。风浪大，拖轮从顶到拖或从拖到顶，时间较长，要给拖轮留足余地。大风浪情况下，拖轮功率的发挥一般只有其核定功率的60%～70%，浪越大、流越急，拖轮能发挥的有效拖力就越小，甚至不到一半。

三、结语

“集装箱船怕风，拖轮怕浪”，大风浪时大型集装箱船舶的靠离泊风险和难度大，技术要求高。靠离泊作业前，船长和引航员应根据风、浪和流的预报和实测数据、环境自然条件以及本船的装载情况和操纵性能，制定出靠离泊预案，靠离泊预案应包括拖轮的配置要求。作业中，船方、引航员、码头调度和带缆人员、拖轮等要保持良好的沟通，密切配合，谨慎细致地操作，对靠离泊预案中未尽事项作出及时正确的反应[7]。大型集装箱船舶在大风浪时的靠离泊需要科学严谨的态度，切不可冒险蛮干。经过认真全面的分析和评估，确信无法达到靠离泊作业的安全要求时，切不可实施靠离泊作业，以免造成严重的后果和无可挽回的损失。

[1]茅开松.大型集装箱船平行靠泊研究[J].港口科技,2011(3)：15-16.

[2]潘国华.大风浪时大型集装箱船安全靠、离泊的思考[J].航海技术,2006(4)：8-11.

[3]陈利忠.浅谈超大型集装箱船舶在港内的操纵[J].港口科技,2011(8)：4-7.

[4]韩冬林,林晓梁.世界最大集装箱船进靠洋山深水港的安全引航技术[J].中国水运,2009(2)：25-28.

[5]刘大刚,郑中义,吴兆麟.大风浪中船舶安全性评估方法综述[J].交通运输工程学报,2003(1)：31-35.

[6]熊振南,翁跃宗,张寿桂.超大型船舶靠离泊操纵中拖轮助操的应用[J].集美大学学报(自然科学版),2009(3)：34-37.

[7]孙友林.船舶安全靠离泊应考虑的因素[J].航海技术,2008(S1)：20-24.