负角度靠泊在船舶靠泊操纵中的应用

李飞镝，潘国华

（宁波引航站，浙江 宁波315800）

掌控好靠泊角度对船舶靠泊操纵风险控制甚为重要.这个重要性主要体现在三个方面：安全、时效、和经济.在船舶周转快速化的时代，每一个小时对船舶、对港口来说都相当珍贵，因此，如果驾引人员能快速的操纵船舶靠妥码头，则能保障船舶和港口各系统的快速顺利运转[1].在船舶操纵的某些特殊情况下，如果还是按照常规的方法操纵船舶入泊，则可能出现费时费力的情况，有时还潜伏了很大的风险[2].这时需要转换思维方式，采取负角度入泊的方法进行靠泊操纵.

1 负角度靠泊

图1是船舶靠泊的三种姿态，有流港顶流靠泊或静水港顶风靠时一般在外有一定的入泊角度图1（a），用“β”来表示，然后靠至码头一定横距的时候船舶基本与码头呈平行状态图1（b）.β是指[1]船舶淌航至泊位外档，靠向码头时，船的首尾线与码头所在直线的交角，即船头甩向码头线闭合的角度.如果我们把这个角度称为正角度，负角度则是相对于正角度β的.负角度也是码头所在直线和船首向之间的交角，也就是船头甩出码头线打开的角度，用“α”表示，如图1（b）和（c）所示.

图1 船舶靠泊的三种姿态Fig.1 Three states of vessel berthing

负角度靠泊是指靠泊过程的初始阶段船尾较船头先靠向码头[3]，在最后一定距离实现平靠的靠泊操纵.在微顺流的情况下，负角度靠泊主要是借助船尾外档受流将船压往码头.在有一定角度轧拢流的码头水域，负角度靠泊主要是甩出船头减小流压角实现安全靠泊[4].在风来自正横前的强拢风天气时，负角度靠泊主要是减小风舷角进而减小横向风压力，从而较好的控制船舶入泊[5].

2 负角度靠泊的注意事项

2.1 负角度靠泊的时机

在某些水域，不同时间的潮流难以准确推定，或者船舶靠泊时潮流和风力风向较之前推测的快速快速变化.负角度靠泊的主要运用区域：位于岸线转角处的码头、位于岬角、弯底的码头，岛礁背面的码头，回流明显的区域的码头等.

2.2 负角度靠泊的条件

驾引人员有娴熟的操船技能，对负角度靠泊中可能遇到的局面有应对的能力.驾引人员应对靠泊操作的水域环境，包括潮流潮汐、风向风力及其变化有一个清晰的了解，对转流时间、流速大小等心中有数[6].具有能在合适的距离内控制住船舶首尾入泊的速度以实现平行靠泊的能力.泊位前或后端要有足够的可操纵水域.船舶主机性能良好，能满足频繁启动的能力.

2.3 负角度靠泊过程的控制

驾引人员在操船过程中遭遇与预想不一样的风、流或者拖船的总马力配置较低时，常通过调整船舶姿态减小风流合压力或者充分利用风压力、流压力来实现靠离泊操纵[7].负角度靠泊时，大船一定要在合适的距离之外带好拖船，以便在微顺流的情况下帮助大船减速和顶推船尾先行入泊、在强拢风天气尽早实施试拖以便更好掌握本次靠泊拖船是否能够控制局面等[8-9].负角度靠泊只是靠泊的初始和中间阶段，最后阶段要回归平行靠泊.因此，靠泊开始阶段大胆将船头甩出一定的角度，通过拖船的拖拉或顶推使得船舶的横移速度控制在合适的区间内.一般在横距2倍船宽内应将船舶调整到与泊位平行，以便最终实现平行靠泊[10].

3 负角度靠泊在船舶操纵中的应用

3.1 负角度在微顺流中的靠泊应用

在码头前沿掉头水域受限、港池水域狭窄等靠泊条件不利的情况下可采用负角度靠泊；此外，有些情况下船舶淌航至码头边时处于尴尬潮水，航道上是涨流，码头边已平流或微落，比如，大榭港区实华原油码头1号泊位[11-12].当然，微顺流靠泊的前提是流速较弱（流速≤1节时进行）.

根据流压力计算公式[13]：

式中，ρw为水密度；Cwy为流压力横向分力系数；Vw为相对流速；L为船舶两柱间长；d为船舶吃水.

从（1）式可知，在水密度ρw、相对流速V、船舶两柱间长L、船舶吃水d一定的情况下，流压力的横向分力计算的结果主要与流压力横向分力系数Cwy有关，而的取值与流压角关系密切.

以333 m VLCC靠泊某油轮码头为例.该类船型一般满载吃水为22.5 m左右，假定本次靠泊操纵船舶吃水为20 m，码头前沿涨流流向与码头基本平行，船舶淌航至码头横距3cable时前进速度为1.5节，当时流速为涨末顺流约0.5节，微顺流靠泊时流来自船尾方向.根据相关文献查资料可知船舶横向流压力情况，然后根据式（1）计算出不同靠泊角情况下船舶受力大小和方向如表1所示.

表1 不同靠泊角情况下船舶受力大小和方向Table 1 Force magnitude and direction of vessel under different berthing angles

若某一拖船顶推力量为30吨作用于船尾，则与上表的结果叠加之后船舶受外力合力的结果可得到图2.

显然，靠泊角逐渐变成负角度时，同样大小拖船顶推下船舶受到的合力变化有利于靠泊的需要.即使靠泊角只是由10°变成-10°，这种改变对船舶受到外力的变化近25吨，相当于一艘小拖船的力量.此类情况下，当船舶以正角度入泊时，里档受到的流压力对于船舶来说是推开力.因此，在这个阶段拖船的作用力大部分只是用于克服向外的流压力，对于船舶的拢泊帮助很小.这个局面的改变时机要么是当地的潮流发生变化，要么是改变入泊角度，否则船舶难以入泊.在时机到来之前，拖船的燃油做功绝大部分都是做无用功，船舶甚至可能越靠越开.改变靠泊操纵的思维模式，一来可以省下将近一艘小拖船的推力，还可以大大缩短靠泊时间，相应减少其他拖船的顶推作业时间，省时又省力，既提高了作业效率，又实现了绿色引航[14].

图2 给定30 t外力情况下船舶所受合力随靠泊角变化图Fig.2 Variation of vessel's resultant force with berthing angle given 30 tons external force

3.2 负角度在自然条件较差水域的靠泊操纵

在某些自然条件较差、轧拢流或者推开流较强的码头水域，按照常规的做法进行靠泊操作常常会有难以拢泊的困难.但是如果改变思路，接近泊位时采用负角度入泊，则可能更安全、更容易控制局面.比如，处于岛礁区水域的码头，由于不规则海岸线地形的影响，主航道的潮流在流经突出的礁石或山脚时常常会形成挑流，导致在一些码头前沿形成与主航道截然相反的流向.这种挑流形成的回流变化快，外面主航道涨水急且延续时间长，码头边落水范围小流速急，常常难以捉摸，如图3所示.

图3 码头内外流向不一致时不同靠泊角度作业图Fig.3 Operation drawing of different berthing angles in contrary current direction

在这些水域操纵靠泊时，如果按照平常的操纵思路进行靠泊，船舶很难入泊.相反，由于正角度靠泊如图3（a），船舶受到强有力的里档推开流影响，船舶的矢量线指向码头外侧，船舶越顶越开.换作图3（b）的靠泊模式后，由于船舶转心靠前，流来自右船尾，加上尾拖船的顶推，力臂发挥到最佳，F为Yw和Ft的矢量和.这时，船尾很容易入泊，可以发现船舶动态矢量线大角度指向码头.在进入落流区以后，逐渐调整靠泊姿态，同时里档落流对船舶横移起到一个自然的降速作用，靠泊很好控制.

3.3 负角度在大风浪天气靠泊中的应用

大风寒潮来袭时，为了港口生产，常常在强吹拢风的情况下进行靠泊作业.在大风浪天气靠泊（以右前八字吹拢风为例）时最主要要考虑的是如何抑制船舶入泊横移速度过快.目前一般做法是利用拖船的拖力抑制风的横向压力.在大风浪天气进行靠泊作业时，在拖船已经带好的前提下，拖力已知，如果通过减小风流压角进而减小外力形成的横向压力，当外力的横向压力之和减小到小于拖船的拖力时，靠泊局面就能得到较好的控制.风动压力和风动压力角的计算式[1]为：

式中，ρa为空气密度；Ca为风动压力系数；Va为相对风速；θ为风舷；Aa为水上船体正面投影面积；Ba为水线上船体侧面投影面积；Fα为风动压力；α为风动压力角.

通过式（2）简化计算可以知道，查表可知Ca为1.34，风力5、6、7级时的风速分别为10.7 m/s、13.8 m/s、15.5 m/s，以“XIN LOSANGELES”轮半载吃水12米为例进行计算，该轮半载受风面积分别为Aa=1 600 m2，Ba=9 300 m2，表2、表3是6级风和7级风时，“XIN LOSANGELES”轮横向风压力情况.

通过流压力计算公式可知该船相对流压力Yw的受力情况，表4是“XIN LOSANGELES”轮的横向流压力.

在强风吹拢的情况下，设定风舷角为45°，当时顶流1节（流向设定与码头平行），若分别采取负角度10°进行靠泊与采取与平行码头靠泊、正角度10°靠泊进行船舶所受合力比较，根据式（1）和式（4），可知

表2 6级风时“XIN LOSANGELES”轮横向风压力Table 2 Lateral wind pressure of“XIN LOSANGELES”in case of 6-level wind

表3 7级风时“XIN LOSANGELES”轮横向风压力Table 3 Lateral wind pressure of“XIN LOSANGELES”in case of 7-level wind

表4 “XIN LOSANGELES”轮横向流压力Table 4 Transverse flow pressure of“XIN LOSANGELES”

式中，F为船舶所受横向力的合力；Ya为横向风压力；Yw为横向流压力.

通过上述公式，可以得到不同靠泊方式下船舶外力受力，图4是不同靠泊方式下船舶外力受力变化图.

从图4可以明显的看出，在改变靠泊方式之后，同一船舶、同样的外界风流情况下船舶所受外力合力情况迥然不同.在正角度靠泊的时候，风流影响是叠加作用在船舶上，因此受力较高.在负角度靠泊的时候随着风舷角的变小，风动压力变小，另外由于里档受流，流对船舶的作用力指向外档，因此合力下降非常明显.在外力下降显著的情况下，拖船工作时即便由于风浪、带缆位置或操纵方法等的影响而产生一定程度的功率折扣，对于引航员来说依然可以很好的控制靠泊局面，安全靠泊.

图4 不同靠泊方式下船舶外力受力变化图Fig.4 Change of external force of vessel under different berthing modes

3.4 负角度靠泊在大角度轧拢流水域的应用

某些码头由于受到自然条件的约束，导致流向与码头存在较大的角度.在平常的靠泊中，若使用正角度入泊，存在一个普遍的现象就是：行进中的船舶转心靠近船首，外档受流产生绕着船首的偏转.落水靠泊时不管大小船，船首拖船均难以控制住船头的外甩.船长超过250 m的大型船舶若要强力控制住外向的转头力矩，一般需要动车满舵结合艏侧推和船首拖船的全力顶推方能抑制.这样做的后果是船舶横移速度非常快，临近码头时前后拖船均需要提早起拖才能安全靠泊，在北风天由于其码头走向的缘故导致风动压力角比其他水域来的更大，因此安全隐患尤其突出.

在操纵实践中，笔者常选择在一定的横距范围内随潮流将船头向外摆出，实现10°～15°、有时甚至达20°角度的负角度靠泊，在1倍左右横距根据横移速度的大小调整靠泊角度最终实现平行靠泊.这样通过减小流压角从而减小转船力矩、减小船舶受到的横向流压力，减缓靠泊速度，从实践来看效果明显，既有效控制了横移速度，也不需要首拖船长时间全力顶推，安全、绿色.相关数学计算在此不再展开，可根据公式（1）和（4）等很方便算出.

4 结论

负角度靠泊与常规靠泊存在思维方式上的不同，但最后达到的目的是一致的，即安全平行靠泊.在具体操纵上，驾引人员要把握好实施靠泊操纵的实际，核实负角度靠泊所需要的条件是否满足，对影响船舶的外力如风流、拖轮的影响力要经过一定的科学计算，确保其可行性，要在负角度靠泊和平行靠泊之间找到契合点，实现船舶安全靠泊.