超大型修造船在限制性水域航行的护航拖轮配备

郝庆龙，石京鹏，刘军坡

（1.大连海事大学 航海学院，辽宁大连 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时通常需要配置一定的护航拖轮进行安全保障。护航拖轮的数量与总拖力往往通过船舶驾驶人员的经验确定。马岙港区公共航道是大型船舶进入马岙港区的主要航道，包括马岙航道口外公共段、灌门航道和龟山航门航道等3部分。由于灌门航道附近环境和潮流情况复杂，为确保10万吨级以上的大型修造船进出航道的安全性，需要对经过灌门航道的大型修造船舶进行拖轮护航。根据操作经验，通常对10万吨级的大型修造船使用1～2艘拖轮进行护航，对30万吨级的大型修造船使用4艘拖轮进行护航。然而，目前尚无不同风力条件下大型修造船对于拖轮数量及总拖力配备需求的相关资料，也难以通过实船方式对习惯做法的合理性进行验证。若护航拖轮配备过剩，则会造成不必要的资源浪费；若护航拖轮配备不足，一旦大型修造船发生失控险情，后果将不堪设想。因此，需对大型修造船在不同风力条件下的拖轮配备要求进行定量分析，并论证大型修造船在灌门航道航行时拖轮配置方案的合理性。考虑到灌门航道的特殊情况以及大型修造船在通航安全要求方面的特殊性，本文以40万吨级空载超大型矿砂船（Very Large Ore Carrier，VLOC）为例，研究灌门航道空载超大型矿砂船的拖轮配备方案，以确保通航安全、提高航道使用效率、维护海洋环境安全。

1 灌门航道及VLOC概况

如图1所示，灌门航道界位于舟山本岛北部上圆山、下圆山与秀山岛之间的海域。最窄处狭口段宽度约370 m，位于航道东侧口门的粽子山与龙王跳咀之间。通常情况下，进港时空载超大型矿砂船自秀山东锚地由东向西进入灌门水道；出港时空载超大型矿砂船自秀山西锚地由西向东驶出灌门水道。空载超大型矿砂船在进出灌门水道过程中均由拖轮进行护航。

图1 灌门航道示意图

灌门航道所在海区的潮流属于非正规浅海半日潮，大潮期间最大涨潮流流速约 4.0 m/s，流向为260°～297°；大潮期间最大落潮流流速约4.0 m/s，流向为 75°～88°。船舶通过狭口航门时，要尽量避开流急时段，调整吃水并压载通过。根据《舟山灌门航道、龟山航道通航安全管理规定》，大型船舶通过灌门时，应选择流速小于1.5 kn的缓流时段，实测风力不超过蒲氏风级8级，船舶航速控制在6～7 kn为宜。本文对40万吨级空载VLOC进行研究，其主要参数见表1。

表1 40万吨级空载VLOC主要参数

2 应急状态下船体受力分析

2.1 船舶应急操作过程

1）应急抛锚阶段

当空载超大型矿砂船在灌门航道内失控时，应立即根据船体所受外力状况调整艏向，使船舶在航道范围内减速。此时，护航拖轮应尽可能协助大船大型矿砂船并保持船位。当相对船速降低至3 kn时，应立即抛锚，以固定船位，防止船体漂出航道。若大型矿砂船顶流航行，船体将在潮流作用下逐渐减速至0 kn，并缓缓后退至顶流状态。此时，护航拖轮需协助大型矿砂船在航道内摆正船位，尽量保持与航道线平行移动，且移动速度不宜过快。若大型矿砂船顺流航行，船体将在潮流作用下逐渐减速至0 kn，并向前甩尾，直至艏部顶流。此时，拖轮需协助大型矿砂船减慢甩尾速度，且不至于甩出航道。最终，船体将在锚链拉力作用下呈艏部顶风顶流状态。拖轮应继续协助大船保持船位，等待救援。由于船体纵向环境载荷基本由锚链承受，为防止大型矿砂船船身漂出航道，其横向环境载荷应全部由护航拖轮提供，直至应急救援拖轮抵达现场。

2）应急拖航阶段

当应急救援拖轮抵达现场后，安排2艘应急救援拖轮将大型矿砂船拖航至安全水域，其他应急救援拖轮与护航拖轮一起协助大型矿砂船保持船位。因此，失控船应急拖航与护航的拖轮总拖力需求为拖航拖轮总拖力与保持船位拖轮总推力之和。其中，拖航拖轮总拖力主要用来克服拖航阻力，保持船位拖轮总推力主要用来克服风浪载荷。

2.2 仿真计算原理

1）保持船位的拖轮需求

对于锚泊状态下的船舶，锚、锚链和船体之间共同构成了锚泊系统。漂浮船体在水平方向上主要受到锚链的拉力、风载荷和流载荷作用，船位的变化主要受船体横向外载荷的控制。此时，为防止船体偏出航道，必须根据风载荷和流载荷，为船体施加一个与横向环境载荷大小相等、方向相反的力。因此，拖轮的协助对于保证船位稳定起到重要作用。为得到抛锚状态以及应急拖航过程中的船位保持对拖轮拖力的需求，需要对不同环境载荷条件下的船体受力进行合理预测。

在风、浪、流联合作用下，自由状态的船舶可沿笛卡尔坐标轴平动，同时又可绕坐标轴做旋转运动，即进行六自由度的空间运动。由于船舶运动状态主要受纵荡、横荡和艏摇的影响，可将船舶在锚链拉力、拖轮拖力和环境载荷共同作用下的受力平衡方程表示为

式中：F为环境载荷在方向上的分力；P为拖轮拖力和锚链拉力在方向上的分力；F为环境载荷在方向上的分力；P为拖轮拖力和锚链拉力在方向上的分力；M为环境载荷在平面内产生的力矩；N为锚链和拖轮在平面内提供的力矩。

为简化船舶运动的控制过程，本文做出如下假定：横向环境载荷完全由护航拖轮的拖力进行抵消，纵向环境载荷则由锚链（紧急抛锚阶段）或拖航拖轮（拖航阶段）进行抵消。

风载荷对船舶产生的纵向分力、横向分力、偏转力矩和偏转力臂计算公式分别见式（2）～式（5）。

式（2）～式（5）中：为风载荷对船舶产生的纵向分力；为风载荷对船舶产生的横向分力；为风载荷偏转力矩；为风载荷偏转力臂；为船体水面以上纵向受风面积；为船体水面以上横向受风面积；为风速；为纵向风压力系数；为横向风压力系数；为风载荷偏转力矩系数；为艏艉柱间长度；为空气密度。

流载荷对船舶产生的纵向分力、横向分力、偏转力矩和偏转力臂计算公式分别见式（6）～式（9）。

式（6）～式（9）中：为流载荷对船舶产生的纵向分力；为流载荷对船舶产生的横向分力；为流载荷偏转力矩；为流载荷偏转力臂；为流速；为纵向流压力系数；为横向流压力系数；为流载荷偏转力矩系数；为船舶吃水；为流体密度。

2）应急拖航的拖力需求

海上拖航总阻力计算公式为

式中：为被拖船摩擦阻力，计算公式见式（11）；为被拖船剩余阻力，计算公式见式（12）；为拖船摩擦阻力；为拖船剩余阻力。

式（11）和式（12）中：为拖航速度；为被拖船方形系数；为被拖船水下湿表面；为被拖船水下浸水部分船中横剖面积。

拖轮阻力可根据实船资料确定，若无详细资料，也可通过相似方法计算确定。

3 拖力需求仿真计算

为保证仿真模型能够真实反映船舶在航道内应急抛锚后的动平衡状态，在充分考虑船型特点和外界环境条件的基础之上，利用国际公认的船体受力数值模拟软件OPTIMOOR-Dynamic对船舶的锚泊受力与运动状态进行仿真计算。

根据舟山轮驳公司提供的舟山中部港域应急拖轮反应时间资料，一旦大型船舶在灌门航道内失控，应急拖船必须在 20 min内紧急到达救援位置并集结完毕，随后将失控船舶拖离航道至安全水域。根据通航安全管理相关规定，考虑到应急救援时必要的抛起锚与拖轮拖带工作时间，并根据测流资料推算，拖轮协助作业需考虑的最大流速为1.5 kn，拖带作业需考虑的最大流速为2 kn。不同仿真计算方案见表2，船体受力计算结果见表3。

表2 仿真计算方案

表3 船体受力计算结果

续表3 船体受力计算结果

由表2和表3可知：在船舶抛锚后，为保持船位，护航拖轮侧向顶推需要的最大横向拖力为1 524 kN；在拖航过程中，为保持船位，护航拖轮侧向顶推需要的最大横向推力为2 015 kN。根据表3计算结果，综合考虑拖轮的顶推效率，确定各阶段的拖力需求见表4。

表4 定各阶段拖力需求（单位：kN）

4 拖轮配备方案

4.1 拖轮的功率配备

科学合理的配置和使用现有拖轮是拖轮护航及应急拖带作业成功的重要保障。舟山轮驳公司在中部港域拖轮待命点的拖轮配置情况见表5。

表5 拖轮配置情况

一般情况下，至少安排1艘大马力拖轮在艏部拖航，另外配置1艘小马力拖轮在艉部协助必要的转向或控速。此外，对于应急情况，需在原有护航拖轮数量和马力的基础上新增配置，配备标准见表6。

表6 拖轮配备标准

4.2 拖轮布置

护航阶段和应急拖航阶段的拖轮布置形式分别见图2和图3。其中，正常护航情况下，在大型矿砂船的上风流舷侧的艏艉各布置1艘护航拖轮，在下风流舷侧的艏部布置1艘护航拖轮。应急拖航情况下，在大型矿砂船的艏艉各布置1艘拖航拖轮，在上风流舷侧和下风流舷侧的艏艉各布置1艘护航拖轮。

图2 护航阶段拖轮布置形式

图3 应急拖航阶段拖轮布置形式

5 船舶操纵模拟试验

5.1 试验方案

考虑到40 万吨级VLOC 在灌门航道航行的实际情况（风速不超过8 级，流速小于1.5 kn），风、流条件分别选取偏南风和偏北风6 级、涨落潮流速1 kn。在模拟试验中，失控船速设定为6～8 kn，船舶失控事件是随机发生的。模拟试验方案见表7。

表7 模拟试验方案

5.2 结果分析

1）涨流（顺流）进港

涨流进港对船位的控制较为不利，顺流条件下船舶失控后的冲程和冲时相对较大，船舶施舵的转向效果也相对较差。由于大型矿砂船受风面积大，在不利于减速的环境下，船舶更容易因风影响而偏离航道。因此，在顺流情况下，船舶失控后应充分注意利用拖轮和施舵尽快降速，必要时可抛双锚协助停船。

涨流（顺流）进港情况下，船舶操纵模拟试验过程见图4，在顺流横风条件下，按5 000 hp拖轮1艘+4 000 hp拖轮2艘的护航拖轮配备标准可较好地协助船舶降速和保持船位，确保应急条件下的船舶航行安全。

图4 船舶操纵模拟试验过程（涨流进港）

2）落流（顶流）进港

落流进港对船位的控制相对涨流较好，落流条件下船舶失控后的冲程和冲时相对减小，船舶施舵的转向效果也相对较好。在有利于船舶减速的环境下，船体更容易保持船位、不偏离航道。因此，在落流情况下，船舶失控后可借助拖轮尽快降速，同时注意尽可能使艏向与航道线平齐，或者略微保持风流压角。当船舶减速至4 kn左右时，即可抛锚停船，同时，利用拖轮的拖力协助船舶保持船位，等待救援。落流（顶流）进港情况下，船舶操纵模拟试验过程见图5，在顶流横风条件下，按5 000 hp拖轮1艘+4 000 hp拖轮2艘的护航拖轮配备标准可较好地协助船舶降速和保持船位，确保应急条件下的船舶航行安全。

图5 船舶操纵模拟试验过程（落流进港）

5.3 应急操纵要点总结

1）航速控制

由于大型船舶惯性较大，在风速和流速较大的情况下，船舶操纵相对困难。因此，为保证应急情况下的反应时间和舵效，大型矿砂船在拖轮护航下的航行速度宜控制在6～7 kn。可以考虑顺流和逆流对实际航速的影响：顺流可适当增大，逆流可适当降低。但无论如何，船舶在灌门航道内的航速不能超过7 kn。

在船舶失控后，应借助一切手段，在确保船体不偏离航道的同时尽快控制船速。实践证明，左右反复施舵、拖轮协助、应急抛锚均是协助船舶减速的重要手段。

2）应急条件下舵的使用

当船舶刚开始失控时，尚有较好的舵效，应立刻用舵控制航向，抢占适当的风流压角。

在舵效变差后，也应尽可能使艏向与航道线平齐，最好略微保持风流压角。若把定存在困难，可左右反复施舵以协助自身降速。

3）拖轮的使用

在船舶失控后，拖轮不宜立刻顶推大型矿砂船调正航向。这是由于在当前航速下，不仅调正航向非常困难，还会对拖轮造成一定危险。拖轮应尽可能顺着大型矿砂船艏艉方向为船舶降速。此时应充分考虑到缆绳的破断强度，不宜全速倒车，防止超出主机负荷或拉断缆绳。根据操作经验，当船舶降速至4 kn左右时拖轮方可协助船身调正，当船舶降速至3 kn以下时拖轮协助调正助转的效果最佳。

4）应急抛锚

在船舶失控后，应立刻启动抛锚程序。建议先将一侧锚链放至水面2节左右，并备妥另一侧锚以防意外。待船舶降速至4 kn左右时，可在合适时机抛锚。抛锚时应注意潮流方向，通常顶流时可稍早抛锚，顺流时应当稍晚抛锚。船舶抛锚后，降速效果将十分明显，拖轮协助船舶调正的效果也较为明显。因此，顺流条件下为尽快减速，可先抛锚控制好船速，再使用拖轮调正船位，拖轮的总拖力是足够的。

6 结论

护航拖轮对大型矿砂船的进出港安全具有重要的保障作用。本文以40万吨级超大型矿砂船通过灌门航道为例，分别利用数值仿真和模拟试验的方法，提出并验证了护航拖轮配备的具体方案，对大型矿砂船的航行安全具有一定的参考价值。大型矿砂船在灌门航道失控后的操作要点分别为：航速控制、应急条件下舵的使用、拖轮的使用、应急抛锚。应急操作的具体时机与风、流等环境因素有关，应视当时的具体情况而定。