大风天气下大型船舶靠离泊拖轮配置研究和应用

李佑兴，朱齐茂

（上海港引航站，上海 200082）

上海港平均每年受恶劣气象影响达160 天左右，其中大风（风力大于6 级）影响近40 天，大风浪天气进行靠离泊作业的难点在于拖轮能否拖得住或拉得开大船，合理配置拖轮和充分发挥其功率是降低船舶靠离泊速度，确保码头设施和船舶安全的关键。本文旨在通过数据计算为大风天气下靠离泊操作时拖轮的配置和使用提供理论依据。

1 靠离泊作业中所需拖轮马力的估算方法

大型船舶靠离泊时，所需拖轮的马力大小和数量取决于所需克服外力的大小和本船所采用的靠离泊作业方式。日本岩井聪曾提出：所需拖轮马力的假定条件包括两项要求，一是克服入泊或离泊时的水阻力，二是克服推船入泊或离泊时的风力影响。

所需拖轮马力的两种常用估算方式如下：

1.1 按交通部“海港总平面设计规范”，根据船舶的载重吨计算

BHP=KQ

式中：BHP－总功率（kW）；K－系数，当DWT>50000吨，满载取0.05，空载取0.07；Q－载重吨，当DWT<50000吨，按：DWT×7.4 %(kW) 或GT×11 % (kW)；GT 为船舶总吨。

1.2 根据日本岩井聪公式，计算横向风压力和横向流压力的矢量总和

P=F+Rw=9.8/2×ρa×Ca（Aacos2θ ＋Basin2θ）×Va2+ 9.8/2×ρw×CW×V2W×L×d

式中：P 为所需拖轮拖力(N)；ρw为海水密度(取1018kg/m3)；ρa为空气密度(取1.226kg/m3)；Cw 为横向水动力系数；Ca 为横向风动压力系数；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；L 为船舶两柱间长；d 为船舶吃水；Va 为相对风速(m/s)；Vw 为相对流速；θ 为风舷角。

2 影响大型船舶安全靠离泊的动态因素，包括风、流、浪、能见度等

2.1 风的影响

风是大风浪天气条件下影响靠离泊安全的最重要、最直接的因素，包括风力和风向的影响。

举例1：“XIN LOS ANGELES”轮船长334m，船宽45.6m，首侧推45t，当d=12m 时，Aa=1700m2,Ba=6800 m2，不同风向风速条件下所受横向风压力如下表1：

表1

当d=9m 时，Aa=1800 m2,Ba=6000 m2,不同风向风速条件下所受横向风压力如下表2：

表2

再举例2：“COSCO KOBE”轮船长260m，船宽32.2m，首侧推22t，当d=12m 时，Aa=1000m2,Ba=5800 m2，不同风向风速条件下所受横向风压力如下表3：

表3

当d=10m 时，Aa=1000 m2,Ba=4000 m2不同风向风速条件下所受横向风压力如下表4：

表4

从上面两个例子可以看出风舷角在30°左右时与正横方向拢风时所受横向风压力相差一倍多，六级风风舷角60°时所受风压力比七级风风舷角30°时所受横向风压力也要大很多，可见风向对大型船舶大风中靠离泊影响之大。

那么，当吹拢风风速分别为10.7m/s(5 级)、13.8m/s(6 级)、17.1m/s(7 级) 时，5600TEU(LT)、6500TEU(CMA)、7700TEU(COSCO)、9200TEU(MSC) 的集装箱船以及大型滚装船等船型其水线以上船体侧面积分别为多少？离泊需要多少拖力？用几条拖轮？

表5所列为各船型受风面积、所受外力和所需拖轮配置的参考数据。（计算略）

表5

注：① 表中外力大小中诸如4、8、26 等数值分别为不同吹拢风时的横向波浪漂移力，其公式为Ya=1/2×ρw×g×Cydק2d×L，式中§d 为平均波浪幅值，Cyd 为波浪漂移力系数。② 大风天气下100 马力拖力相当于1.3t。

2.2 流的影响

流对靠泊安全的影响表现为流压力和流压转船力矩对船舶的影响以及对拖轮、侧推器效率发挥程度的影响。

以“MSC SOLA”(LBP=348m，d=11m)为例，顶流左后来风（Vw=1m/s）靠外四期码头，假设靠泊时相对流压角为10°，取Cw=0.3，则

流压力Rw=1/2wCwVw2Lwd=1/2×1018×0.3×12×3 48×11=60t

流压作用点中心位于距船首0.25L 的位置，故船首拖轮至少应配置45t 拖力，船位配置15t 拖力，才能克服流压力确保安全。

同时，流对拖轮、侧推器效率产生影响，流越急拖轮保持拖拉方向和自身船位难度就越大，导致其作用于大船的拖力减弱；对侧推器的影响也是如此，一般当船舶相对水的速度大于5 节时侧推器效率大大降低，故船速快或流急都对侧推效率发挥影响很大，从而影响靠离泊操作安全。

2.3 浪的影响

浪对靠离泊操作的影响主要表现在对协助拖轮的影响，包括对拖缆的影响及拖轮效率发挥程度的影响。操纵中应充分考虑到大风浪中带缆的难度和风险，尽力为拖轮带拖缆创造有利条件，同时控制住自身船位，留有安全余量，防止带缆过程中被风压向码头。

横向波浪漂移力Ya=1/2×ρw×g×Cydק2d×L，式中ρw为海水密度，§d 为平均波浪幅值，Cyd 为波浪漂移力系数，§d 为平均波浪幅值。

实际操作中浪和能见度对靠离泊操作安全的影响并不大，注意做到给拖轮带拖缆创造有利条件，留有足够的时间和空间就可以了，这里不进行计算累计。

3 安排拖轮时要考虑下列因素

（1）由风压力和水压力矢量之和得出所需拖轮的总马力后，根据所受风压（风向、风力）情况、流的情况、浪的情况、侧推器马力大小、风力作用点等来配置和使用拖轮，大风浪情况下拖轮功率只能发挥出其额定功率的60%—70%，浪越大、流越急，拖轮发挥的拖力就会越小。

（2）有了总拖力，还要考虑不同风动力中心位置情况下，前后拖轮承担的拖力比例会有所不同。对于前八字吹拢风，风舷角越小，风动力中心位置越靠近船首，船首拖轮承担的拖力相对就越大；同理，后八字拢风，船尾拖轮承担的拖力相对就越大。一般认为，风舷角30°时风动力中心位置点距船首船尾的比例为3：7，风舷角60°时比例为4：6，正横风比例为5：5，应依据该比例配置相应拖力的拖轮。

（3）根据拖船的特性，对于z 型拖轮每100 马力输出推力约14.7KN，拖力是其顶推力的90%，大风浪中拖轮要克服风流影响而损失的拖力大，一般要求安排大马力拖轮来协助靠泊；了解大风浪中拖轮拉力只有顶推力的75%，老旧拖轮实际发挥出的功率只有额定功率的60%。

（4）船舶有前进或后退速度时，拖轮作用效果降低，大船航速超过5 节，拖轮、侧推器都将不起明显作用。

（5）流速1 节拖力将减少10%，遇到浪大时拖轮会剧烈摇晃，拖力将更小，甚至无法协助靠泊；一般风力≥10m/s，大型船舶靠离泊时就应增加拖轮。

（6）在拖带中应密切注视拖轮位置，如拖轮位置不当时应该及时提醒，并防止倒拖和横拖现象。为保证操纵的灵活性和避免拖缆承受更大的张力，最小俯角不大于15°，拖缆的长度应不小于从出缆口到水面高度的4 倍，实践中一般最少为拖轮长度的2 倍。

4 靠离泊操作中注意事项

（1）六级风以上泊位留足船长的130%。

（2）考虑风向对靠泊的影响，适当增加拖轮并调。整拖轮马力配置。

（3）了解六级风相当于2 节流，七级风相当于2.5-3节流的影响。

（4）了解大风浪时拖轮仅能发挥额定功率的75%，老旧拖轮甚至只能发挥60%。

（5）尽可能将拖轮带在靠近船首船尾位置，尽量大地发挥拖轮效能。

（6）给拖轮带缆和拖顶操作预留足够的时间，缓慢用力，避免发生因人为顿力致使断缆情况。

（7）必要时使用车、舵、侧推器和锚，抛锚的有效距离是60 米以上，出链长度为2-3 倍水深，约能产生20—30t 的拉力。

（8）尽量减少船舶受风面积，比如流不是很急的情况下，用大角度插入法以减少受风面积，前提是抵泊前横距要大。

（9）靠泊时在与码头横距300 米左右测试拖轮是否拖得住，如发现不行立即采取措施，中止靠泊操作。

（10）当风力达8 级以上、浪高大于2～3 米时，拖轮会上下跳跃和摇晃，不仅发挥不出应有的作用，拖轮自身的安全也受到威胁。因此，在这种恶劣气象条件下，除非抢险，否则大型船舶不宜进行靠离泊操作，尤其是当风向接近正横或正横时。

5 结束语

上海港每年受大风影响天数较多，尤其是冬季寒潮期，靠离泊作业面临较大影响，为确保港口的生产和城市的运营不受影响，安全靠离泊作业显得尤为重要，其中拖轮的合理配置与使用是安全保障中的重要一环，笔者依靠多年操作经验结合船舶大型化发展的实际情况，对靠离码头操作中拖轮马力配置进行计算、比对和分析，计算得出的所需拖轮的总拖力与实际情况基本相符，考虑到自然环境、船型、排水量、拖轮实际功率、拖轮的维护保养、缆绳的质量、驾驶员操作经验等诸多影响拖力配置的重要因素，建议操作者在拖轮配置和使用上留有一定余地，确保安全靠离泊作业顺利完成。