超大型集装箱船靠离泊拖轮配置计算

◎梁飞 李荣辉 黄龙生

1.湛江港引航站；2.广东海洋大学船舶与海运学院 通讯作者：李荣辉

1.引言

20世纪90年代以来，船公司为了追求规模经济效益，订造的集装箱船越来越大，迈入了超大型化的时代。集装箱船的大型化也给其靠离泊带来了非常严峻的挑战。大型集装箱船质量大，惯性也就大；船舶水线以上面积大，受风的影响也就大；水线以下面积大，受流的影响也就大；尤其是在港内低速航行时，船舶的舵效极差。因此大型集装箱船的靠离泊操纵难度高，危险系数大，一旦在靠离泊过程中发生些许差错，即有可能发生重大事故，造成巨大的损失。近年来大型集装箱船在靠离泊过程中事故多次发生，造成码头和船舶严重损坏。因此，大型集装箱船港内靠离泊拖轮的合理配置成为了一个值得研究的问题。

正横风正横流作用下船舶靠离泊所需拖轮总拖力可通过文献[1]的附录G的图表查取，但超大型集装箱船的这些参数已经远远超出该附录中图表的查取范畴，因此不适用于超大型集装箱船靠离泊拖轮配置的计算。国内外学者和驾引人员对超大型船舶靠泊的拖轮配置进行过研究。文献[2]提出了船舶靠离泊所需拖轮总拖力的理论计算模型，并提出了超大型船舶靠泊时拖轮配置建议。文献[3]提出了横向风压力的计算公式。文献[4]对各类商船（不包括集装箱船）有关风压力的大量船模风洞试验结果按商船上层建筑各特征参数进行回归分析，得出了计算风压力系数的回归方程，并给出了不同风舷角下公式中各参数的取值。文献[5]基于Fluent软件建立计算模型，对风压力系数进行数值模拟，得到了不同风舷角下的风压力系数的变化规律，并与文献[4]的方法所得到的结果进行比较分析，结果表明文献[4]的方法用于计算集装箱船的风压力系数同样具有理想的精度。文献[6]给出了横向流压力的计算公式。文献[7]对大阪号及系列60的五条母型船进行了计算,并经回归处理得到无限水深下敞水横流阻力系数的计算公式，又收集了6艘船的实验结果，经回归后得到有限水深下敞水横流阻力系数的计算公式。文献[8]依据实验结果进行回归处理，得到了有限水深下考虑岸壁效应的横流阻力系数计算公式。文献[9]给出了不同类型拖轮的功率与拖力的换算关系。文献[10]根据作者多次引航超大型集装箱船靠离广州港南沙港区码头的经验给出了大风条件下型长超250m且平均吃水11米以上的超大型集装箱船靠离该港区码头的拖轮配置建议。

由于超大型集装箱船靠离泊操纵难度高，危险系数大，所以必须依靠拖轮的协助，而拖轮的配置尤为重要，若拖轮总功率过大，则会造成能源、资金的浪费，若拖轮总功率不足，则会影响船舶靠离泊的安全。本文针对超大型集装箱船靠离泊拖轮配置的计算问题，提出具有一定实用性的确定拖轮配置的方法，为港航相关部门安排拖轮提供参考依据。

2.拖轮配置的计算

2.1 影响拖轮配置的因素

（1）自然条件。通常港口都设有防波堤，能够防御波浪入侵，阻断波浪的冲击力，因此波浪对船舶靠离泊的影响可以忽略不计，船舶在靠离泊过程中主要受风、流的影响。船舶在靠离泊过程中，其水线上部分将受风压力及风压力矩的影响，其水线下部分将受流的影响，致使船舶向下风侧漂移及偏离航向。因此风、流的大小与方向将直接影响拖轮配置。此外，泊位水深与浅水效应密切相关，亦会间接影响拖轮配置。

（2）船舶载态。集装箱船的装载状态亦会影响拖轮配置。不同吃水、不同载箱高度对应不同受流面积及受风面积，吃水越大，受流面积则越大，船舶受流的影响也就越大，载箱高度越大，受风面积则越大，船舶受风压力的影响也就越大。

（3）船舶设备的配备。船舶在靠离泊过程中除了使用拖轮外，还可以合理使用侧推器、锚以及舵等船舶设备来协助靠离泊。最大载箱量10000TEU以上的超大型集装箱船往往会配备2台艏侧推器以改善其在港内尤其是靠离泊过程中的操纵性能。若船舶配有侧推器，且各船舶设备性能良好，可根据侧推器数目与推力等适当减少拖轮的使用。

2.2 靠离泊所需拖轮总拖力的计算

船舶在靠离泊作业过程中主要受到风压力与流压力的影响，其受力情况如图1。风压力与流压力的纵向分力可通过船舶自身进车或倒车克服，横向分力则需通过拖轮以及船舶设备，例如侧推器、锚以及舵的合理使用抵消。根据岩井聪[2]在《操船论》中提出的船舶靠离泊所需拖轮总拖力的理论计算模型，船舶靠离泊所需拖轮总拖力与船舶靠离泊过程中所受风压力与流压力的横向分量的矢量和大小相等、方向相反，即

图1 船舶靠离泊过程中受力情况示意图

为了便于实现计算机自动计算，规定指向码头内侧方向为矢量正方向，各矢量记作正值，指向码头外侧方向为矢量负方向，各矢量记作负值。

2.2.1 横向风压力的计算

根据贾欣乐、杨盐生[3]在《船舶运动数学模型——机理建模与辨识建模》提出的公式，横向风压力为

图2 真风、船风、视风构成的矢量三角形

2.2.2 横向流压力的计算

根据中华人民共和国交通运输部[6]发布的《港口工程荷载规范》(JTS 144-1-2010)，横向流压力

图3 绝对流速、船舶运动产生的流速、相对流速构成的矢量三角形

①横流阻力系数的计算。港内操船，往往都处于浅水状态下，此时会受到浅水效应，尤其是超大型船舶。浅水效应，是指大型浮体在浅水状态下，随着水深与吃水之比的减小，其运动特性会发生较大变化。当水深与船舶吃水的比值小于一定值时，船舶的横流阻力系数与深水情况有所不同。浅水状态下，因船底与水底的间距减小，相对流速加大，船舶所受流压力会增大。一般认为，当水深小于4倍吃水时就会出现所谓浅水效应，而小于2倍吃水时将发生很大差异。不同船型的横流阻力系数所受水深影响也是不同的，这与其方形系数及水深吃水比有关。

另外，在靠离泊过程中，由于受岸壁效应的影响，横流阻力系数将急剧增加。在利用拖轮顶推船舶向泊位靠拢过程中，因水体在船岸之间的流动空间受限，会在岸壁前沿形成高压区，并阻止船舶拢向泊位，而在利用拖轮吊拖船舶离开泊位过程中，则会在岸壁前沿形成低压区，并阻止船舶离开泊位。

大连海事大学航海学院航海系操纵与避碰教研室的赵月林、古文贤[7]对大阪号及系列60的五条母型船进行了计算,并经回归处理得到了无限水深下敞水横流阻力系数的计算公式

为检验该公式的准确性，赵月林、古文贤[7]试算了一艘汽车运输船，其计算值为0.73，而实验值为0.70，同时试算了大阪号，其计算值为0.568，而实验值为0.565，试算结果说明该公式计算结果较为精确。赵月林、古文贤[7]还收集了6艘船的实验结果，经回归后得到有限水深下敞水横流阻力系数的计算公式

日本的池田良惠[8]依据实验结果进行回归处理，得到有限水深下考虑岸壁效应的横流阻力系数计算公式

②船舶横移速度的取值范围。船舶横移速度包括入泊速度及离泊速度。超大型船舶在靠泊前，船舶应在距码头2-3倍型宽处处于停止状态，然后依靠拖轮推力使船舶移动慢慢靠上码头。靠泊开始时，可以靠拢快一些，之后逐渐降低靠泊速度，船舶距码头1倍型宽时，船舶的横移速度要降至0.2m/s以下，在即将接近码头时达到所要求的靠泊速度。

对于离泊，没有相关的规范规定离泊速度，因此离泊速度应根据港口水文气象条件、引航员经验以及实际需求综合决定。由于离泊时不必担心船舶撞向码头，只需保证不撞向其他船舶即可，所以通常离泊速度可等于或略高于靠泊速度，本文实例中取船舶在离开码头1倍型宽时达到-0.20m/s。

由于靠泊通常要在船舶距码头一倍型宽前减速，此后横向流压力会减小，离泊则相反，所以所需拖轮总拖力在S＜B处达到最大值，因此靠离泊均取S=B来考虑岸壁效应，能够保证求出的总拖力是足够的。

2.3 拖轮拖力与拖轮功率的换算

千瓦（kW）与马力（PS）均为计量功率的常用单位。计算出所需拖轮总拖力后，应先将所需拖轮总拖力（单位kN）换算为所需拖轮总功率（单位kW），其换算关系与拖轮的类型有关，应根据拖轮资料进行确定，本文以大连海事大学的史国友、贾传荧、杜嘉立、洪碧光[9]给出的Z型拖轮的换算关系表为例，如表1。

表1 Z型拖轮每100kW功率所发出的拖力

将所需拖轮总拖力（单位kN）换算为所需拖轮总功率（单位kW）后，再由千瓦与马力的换算关系

将所需拖轮总功率（单位kW）换算为所需拖轮总功率（单位PS），即所需拖轮主机马力，但通常所称的拖轮马力并非指的是拖轮主机马力，而是指拖轮收费马力，它不仅包括拖轮主机马力，还包括辅机等其它设备的功率，通常拖轮收费马力与拖轮主机马力有如下关系。

为了保证船舶靠离泊的安全，计算得到所需拖轮收费马力后，应增加20%-30%的安全余量，以应对突发状况。需要强调：在风平浪静或顺风顺水的条件下按此方法计算可能会得到一个极小的拖轮收费马力，此时，拖轮需要克服的阻力的确很小，但绝不可以按照该结果来确定拖轮配置，因为过低的拖轮配置（如一艘拖轮）虽然足以使船舶移动，但却难以控制船舶方向，而且海上状况瞬息万变，过低的拖轮配置无法应对各种突发状况，一旦风速、流速等发生变化，或船舶移速过大，则极易造成船舶失控，从而撞向码头或其他船舶。而在大风、急流或逆风逆水等条件下按此方法计算可能会得到一个极大的拖轮收费马力，说明这种情况并不适宜靠离泊，应暂缓靠离泊。从安全性与操纵性角度考虑，通常超大型集装箱船靠离泊拖轮配置不得少于3艘拖轮，而从经济性角度考虑，通常超大型集装箱船靠离泊拖轮配置应不多于5艘拖轮。因此，若计算结果少于3艘拖轮，则应取3艘拖轮，而若计算结果多于5艘拖轮，则应等候更适宜的条件再进行靠离泊。

3.拖轮配置的计算实例

本文以一艘最大载箱量为19273TEU，甲板最高可堆码11层集装箱的超大型集装箱船为例，分别计算其轻载、重载状态下的靠泊与离泊的拖轮配置来验证其准确性。该轮基本数据如表2。

表2 船舶基本数据

限于篇幅，本文仅以重载离泊和重载靠泊为例，5级吹开风，各水文气象条件数据如表3。

表3 水文气象条件数据

靠离泊时的船舶横移速度与相对流速如表4。

表4 靠离泊时的船舶横移速度、相对流速

?=50°时可查得参数～的取值如表5。

表5 =50°时B0～B6的取值

3.1 轻载靠泊

轻载状态以吃水11m，甲板堆码4层集装箱为例，据此查询船舶资料及计算得到轻载状态下船舶几何数据如表6。

表6 轻载状态下船舶几何数据

将表5数据代入(3)、(5)、(6)、(7)式计算得到轻载状态下横向风压力系数及各横流阻力系数如表7。

表7 轻载状态下横向风压力系数及各横流阻力系数

将各数据代入(1)、(2)、(4)式计算得到轻载状态下靠泊各力大小如表8。

表8 轻载状态下靠泊各力大小

根据表1及(8)、(9)式换算得到轻载状态下靠泊各功率大小如表9。

表9 轻载状态下靠泊各功率大小

考虑25%的安全余量，约需17136.6马力，共需4艘4300马力的拖轮。

3.2 重载靠泊

重载状态以吃水14 m，甲板堆码8层集装箱为例，据此查询船舶资料及计算得到重载状态下船舶几何数据如表10。

表10 重载状态下船舶几何数据

将表10数据代入(3)、(5)、(6)、(7)式计算得到重载状态下横向风压力系数及各横流阻力系数如表11。

表11 重载状态下横向风压力系数及各横流阻力系数

将各数据代入(1)、(2)、(4)式计算得到重载状态下靠泊各力大小如表12。

表12 重载状态下靠泊各力大小

根据表1及(8)、(9)式换算得到重载状态下靠泊各功率大小如表13。

表13 重载状态下靠泊各功率大小

考虑25%的安全余量，约需21738.7马力，共需5艘4300马力的拖轮。

3.3 计算结果与实际拖轮配置的对比

根据湛江港集装箱船靠离泊经验和广州港南沙港区引航站的引航员何锋[10]多次引航超大型集装箱船靠离该港区码头的经验，南沙港区大风条件下，型长超过250m且平均吃水11m以上的超大型集装箱船一般安排3艘3400～4300马力全回旋Z型拖轮协助靠离码头。福州港引航站的黄荔飞和福州海事局指挥中心的刘必胜[11]也指出，福州港罗源湾港区15万吨级超大型船舶靠泊通常配置4艘3000马力以上全回旋拖轮助操。岩井聪[2]在《操船论》中也提出建议，超大型船舶靠泊时需要用3～4艘3000马力以上的拖轮。该轮型长382m，总载重量197061t，尺度较大，因此拖轮配置大于上述三种情况的经验配置，是合理的。

3.4 拖轮配置计算的程序实现

实践中，可以将本文给出的拖轮配置算法采用Microsoft Excel编程，输入船舶尺度、装载状态及风流等环境数据，实现所需拖轮配置的需求的自动计算功能，能够为驾引人员快速计算拖轮配置提供便利。

4.结语

本文结合经验回归公式和船舶受力分析提出了超大型集装箱船拖轮配置的计算方法，实例结果表明本文计算方法是可行的，便于实现计算机自动计算，可供港航相关单位及驾引人员用于估算大型集装箱船靠离泊所需拖轮配置，对船舶安全靠离泊和节约费用具有重要的实际意义。未来作者将对其他类型的大型船舶靠离泊拖轮配置问题开展深入研究，并按船型开发出智能手机小程序，为驾引人员快速计算拖轮配置提供依据。