船艉靠泊碼頭的抗風操縱方法

吳衛兵，王 越

(大連海事大學，遼寧 大連 116026)

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船艉靠泊碼頭的抗風操縱方法

吳衛兵，王 越

(大連海事大學，遼寧 大連 116026)

依據某船舶成功抗風靠泊碼頭的事例，分析風的作用、纜繩和錨鏈的受力情況以及對應的船舶姿態的變化，總結出車、舵、側推器相配合的抗風操縱方法和注意事項。

船艉靠泊；錨鏈；纜繩；抗風；側推器；操縱方法

絕大部分船舶靠泊都以左右舷靠泊為主，但是對于一些特種船舶，如重大件運輸船、半潛船等，考慮到其裝卸貨方法的特殊性，經常需要船艉靠泊。絕大多數的船舶抗風研究局限在船舶航行、錨泊和舷靠碼頭時，且很多學者將船舶的航行抗風能力、船舶在大風天氣條件下的運動姿態作為研究的重點[1-4]。也有關于海上建筑物、船舶上層建筑的風載荷的相關的研究[5-6]，以及對航行船舶和舷側靠泊的船舶抗風方法進行的研究[7-8]。對于船艉靠泊碼頭時的船舶抗風操縱的研究非常少。

船艉靠泊對于一些特種船舶因其特殊的裝卸貨作業方式而經常使用。如圖1所示，船艉靠泊時通常依靠船舶自身纜繩來控制船艉的運動，而船艏主要依靠錨和錨鏈來控制船艏的運動，在抗風期間雖然也會增加船艏與碼頭之間的連接纜繩，但是因纜繩長度太長，纜車的功率有限，很難讓纜繩均勻受力等因素導致船艏的纜繩作用有限。如遇風力強且風向接近正橫，船舶2舷還有他船靠泊的情況，僅僅依靠錨鏈和纜繩的作用來控制船舶是很難實現的。因此，必須正確地操縱船舶自身的車、舵、側推來配合錨鏈和纜繩進行操縱，以達到控制船舶的目的。一旦操縱不慎將會出現斷纜導致船舶與碼頭或他船發生碰撞的事故。為此從一起抗風靠泊事例出發，分析船舶受力，總結船艉靠泊時船舶抗風的操縱方法和注意事項。

圖1 船尾靠泊示意

1 船艉靠泊抗風案例

“海洋石油225輪”(以下簡稱225輪)為艏駕駛樓型甲板重大件運輸船，船長153.2 m；船寬38 m；載重量17 289.18 t；雙車，功率2×3 089 kW；雙舵；配有首側推，功率為350 kW，實際艏推功率只能利用到50%左右。225輪船艉在靠泊天津海工碼頭，裝載海上鉆井平臺上的生活樓和電器間模塊期間，遇到最大風力達到九級，陣風十級的橫風。

泊位情況見圖2，225輪左舷距離浮吊船“濱海108輪”(以下簡稱108輪)右舷約10 m，右舷為上風舷且與它船距離較大，不存在危險。225輪裝載的2個大型模塊已經上船，且生活樓模塊上的飛機平臺伸出左舷舷邊約8 m，高度與108輪的主作業吊機的吊臂相差不大。225船艉纜繩為船舶自身纜繩，左右2舷共4根纜繩(見圖中1中①②③④)為碼頭纜繩，由碼頭絞車控制。做抗風準備時，225輪船艏增加了1根船上纜繩(圖2中⑤)。

圖2 泊位示意

海工一號碼頭走向接近東西向，當時風向為偏西風。約05:00時風力約6級，此時船艏開始有偏轉，錨鏈的作用力能使船艏左右轉的角度能控制在一定范圍內。108輪處于225輪的下風舷，船長較225輪小50 m左右，因此108輪受到的風作用力小，船艏出現偏轉的幅度很小。當225輪船首轉到最左側時2船船舷之間的距離約8 m。風力逐漸增強，約12:00時，風力約8級，225輪船艏向左偏轉的幅度越來越大，操縱側推全速向右，在纜繩和錨鏈的作用力下基本能使船艏穩定。2船船舷之間的距離約5 m，225輪的生活樓飛機平臺與108輪吊臂的距離最近約3 m，船艉左舷已經接觸到碼頭的碰墊。風力還在繼續增強，因碼頭系泊絞車功率有限，船艏右側的碼頭系泊纜繩已經無法絞緊剎牢，因此225輪船艏再增加一根纜繩(見圖2⑥)，但是船上絞車也無法將船艏向右絞動，只是依靠纜車的剎車力對船艏能施加一定的控制力。船艉增加向右的3根的纜繩(見圖2⑦)，右車微速倒車，側推全速向右，在錨鏈和纜繩的共同作用下，基本能控制船首繼續向左轉。約14:00時，風力達到九級，陣風十級，實測最大風速達到27.5 m/s。右車后退一，勉強能控制船艏偏轉，但是風暴潮情況下的高潮潮高使船艉封板高出碼頭面，不能繼續倒車，否則船艉將坐在碼頭上。左車前進一，右滿舵，基本可以控制船艏偏轉，且船艉左舷離開碼頭約1 m的距離。約14:30時風力開始有減小的趨勢，減車直至停車，停側推，最后調整錨鏈和纜繩使船舶回到最初位置。

2 風作用下的船舶姿態

運動中的船舶受風影響主要表現在船速發生變化，船體向下風產生漂移，同時船艏將向上風或下風偏轉，靠泊中的船舶必須依靠纜繩、車、舵、側推、錨及錨鏈等來抵消作用于船體水線以上部分所受到的空氣動壓力才能保證船舶靠泊安全。

計算橫向風壓力方法很多，如美國海軍設計手冊(MIL-HDBK)、挪威特朗海姆大學公式，以及石油公司海事論壇(OCIMF)提供的公式等。《港口工程荷載規范》(JTJ215—98)在10.1.2中提出“風、浪和流比較復雜的開敞式碼頭水域，作用在固定式系船、靠船結構上的船舶荷載應通過數學模型計算或物理模型試驗確定”[8]。這里采用應用較為廣泛的OCIMF計算式[9]。

(1)

式中：FXw為橫向風壓力,kN；CXw為橫向風力阻尼系數,按圖3求取；ρw為空氣密度,t/m3；Vw為風速的橫向分量,m/s；AL為船體水面以上橫向受風面積,m2。

圖3 風力阻尼系數(CXw)

結合225輪實際情況，各參數取值情況如下。

查圖3曲線得橫向風力阻尼系數CXw=0.8;

空氣密度ρw取標準空氣密度0.013 t/m3;

風速Vw取實測最大風速27.5 m/s;

因風向為右正橫,按照225輪實際貨物尺寸以及船體參數計算得到AL=1 399.4 m2。

綜合以上取值代入式(1)，得到225輪受到的橫向風壓力為FXw≈550 kN。

當船舶右舷受橫風影響時，如圖4所示，右舷纜繩和錨鏈將被拉伸，雙錨鏈方向將向右轉，一旦纜繩和錨鏈對船舶的作用力能夠抵消作用到船舶上的外力時，船舶將達到平衡狀態，否則船舶將繼續向下風方向漂移。

圖4 橫風影響下的船舶姿態示意

拋錨靠泊過程中要時刻調整船舶位置，因此不可能絕對保證雙錨鏈是嚴格的直線，錨鏈或多或少的會出現彎曲現象，當船舶收到外力作用后，隨著錨鏈受力越來越大，近船端的錨鏈將被拉直，如外力一直增加則被拉直的錨鏈越來越長，船首將向下風漂移，如船首受到的橫風作用力足夠大，導致側推力、纜繩和拖輪所有的外力不足以抵消風壓力，船舶將向下風漂移，并且掙脫錨鏈及錨的抓力，造成拖錨現象的發生。

纜繩在拉力的作用下會伸長，其伸長率取決于纜繩的彈性模量[10]：

(2)

式中：ε為纜繩的伸長率；P為外力；E為彈性模量；F為纜繩橫截面積。

當外力加強時，纜繩的伸長率將增加，纜繩將被拉長，當外力一直增加致使纜繩伸長率達到破斷值，將出現斷纜現象。如出現一根纜繩的破斷，則其他纜繩的伸長率將瞬間增加，很可能導致其他纜繩短時間內相繼破斷。

3 車舵和側推與纜繩的配合操縱方法

雙車船在回轉過程中由于2槳距回轉中心的距離不同，引起2槳的來流速度不同，導致螺旋槳的進速系數也不同，使得2槳的推力產生差異，從而產生轉艏力矩[11-12]。雙車船使用單車時會造成船舶的偏轉，船越寬，使用舵配合單車導致的偏轉現象就越明顯。如船艉靠泊的船舶用單車配合的抗風過程中，借助舵可以將螺旋槳推力的一部分轉換成橫向力。225輪抗風過程中使用右車倒車，在船艉方向向右的纜繩的拉力和錨鏈拉力的共同作用下，有一部分的倒車力轉化成船艏向右的橫向力來抵消一部分橫風作用力；同理左車進車，加之右舵，在船艉方向向右的纜繩的作用力下，也有一部分的推力轉化成船艏向右的力。進車抗風，船尾纜繩尤其是方向向右的纜繩受力非常大。225船在抗風過程中優先選擇使用了右車倒車，左車進車是在潮高不允許的情況下才采取的措施，主要是因為當時船舶左舷船尾已經貼靠碼頭，這樣右車倒車的倒車力有一部分是不需要纜繩來承擔的，而是直接作用在碼頭上的，這樣能減小纜繩和錨鏈的受力程度，使斷纜或斷鏈的可能性減小。一般情況下，錨鏈的破斷負荷要遠大于纜繩，因此即使是左舷沒有貼靠碼頭的情況也應優先選擇倒車。

側推器的使用主要是控制船艏的偏轉運動，其作用力直接為橫向作用力可以直接抵消掉一部分橫風作用力。因此在抗風過程中首先考慮使用側推，如側推不足以控制船艏的偏轉，再考慮使用車舵。

4 船艉靠泊抗風操縱的注意事項

1)大風來臨之前，應盡量增加纜繩的數量，且盡可能讓所有纜繩均勻受力。一旦大風來臨要調整纜繩的受力會很困難且很危險。

2)將雙錨鏈盡量收緊，讓船艉盡可能離開碼頭3～5 m的距離。因為受大風影響，錨鏈將會拉直，上風舷錨鏈角度將會增加，下風舷錨鏈角度會減小甚至過船艏，這樣船舶會有一定的后退和偏轉現象，偏轉的角度越大則錨鏈作用力能抵消的橫風作用力也越大。如有可能在大風來臨前解纜起錨重新靠泊，則應增加上風舷錨鏈的偏開角度，減小下風舷錨鏈角度或下風舷拋直錨，以便在受橫風作用后雙錨鏈拉力的橫向力能較大程度地抵抗橫風作用力。

3)使用車舵和側推配合時，首先考慮使用側推，再考慮使用車舵，如必須使用車舵時也應優先考慮使用倒車。

4)車舵和側推配合操縱時，逐漸加車至能穩定住船舶即可，如將船舶控制到起初位置，則船舶需要的推力和側推力就會增加，從而導致纜繩和錨鏈受力過大，容易出現斷纜或斷鏈的情況。

5)長時間用車和側推配合操縱時，應要求輪機長在機艙值守，并督促輪機員注意設備的工況，出現問題及時匯報。尤其是主機，因為長時間高負荷工作容易造成排煙溫度升高，必要且可行時應左右車交替使用。

6)抗風過程中如出現斷纜現象，依靠船舶自身能力控制船舶基本不可能實現，因此建議在需要用車之前與岸基相關應急部門或人員取得聯系，爭取岸基支持。

7)船艉靠泊抵抗八級以上的橫風是很危險的，因此在大風來臨前如能將船舶轉移至錨地避風將更為穩妥。如實在無法離泊也應要求碼頭相關部門確保本船與2舷的他船有足夠的安全距離并采取增加纜繩等其他必要的措施。

8)單車船舶船艉靠泊抗風時車舵的操縱方法與雙車船類似。但單車船螺旋槳位于船中，其推力轉換成抵抗橫風的作用力相對較小，倒車的偏轉效應也很差，因此可能需要用較大的進車配合舵才能實現抵消橫風作用力的目的，此時尤其應注意各纜繩的受力情況，以防斷纜。

[1] 楊興晏.船舶風荷載算法的比較研究[J].港工技術,2006(2):12-13.

[2] 蔡文山.船舶風載荷研究現狀及計算方法比較[J].上海船舶運輸科學研究所學報,2013(4)：1-6，19.

[3] 楊興晏,陳敏.關于船舶受風面積計算方法的探討.[J].港工技術,2013(1):19-21.

[4] 施國良,李建新.淺議海上船舶的抗風等級[J].船海工程,2002(6)：5-6.

[5] HADDARA M R．Wind loads on marine structure[J]．Marine structure，1999(12)：199-209．

[6] Fujiwara, Toshifumi ; Ueno, Michio ; Ikeda, Yoshiho;Fujiwara, Toshifumi .Cruising performance of ships with large superstructures in heavy sea -2nd report: Added resistance induced by wind and waves, and optimum ship routing[J].Journal of the Japan Society of Naval Architects and Ocean Engineers, 2006(3)：147-155.

[7] Isherwood R M．Wind resistance of merchant ship[J]．The Royal Institution of Naval Architects，1972(112)：327-338．

[8] 交通部第一航務工程勘察設計院有限公司，交通部第二航務工程勘察設計院有限公司.港口工程荷載規范JTJ144-1-2010[S].北京:人民交通出版社，2010.

[9] OCIMF. Prediction of wind and current loads[s].2nd Ed,994.

[10] 劉正江.船用纜繩強度的計算[J].大連海事大學學報,1992(3)：255-260.

[11] 胡曉芳,陳松林.基于螺旋槳負荷特性的雙槳船操縱性預報[J].中國艦船研究,2014(2):17-21.

[12] 吳恒.船舶動力裝置技術管理[M].大連:大連海事大學出版社，1999.

The Manoeuvring Method for Wind Resistance Based on Vessel Getting Alongside by Stern

WU Wei-bing, WANG Yue

(Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

From a successful case of wind resistance for getting alongside by stern vessel, the force condition of the mooring lines and anchor chain was analyzed, so as to summarize the manoeuvring method by coordinating the main engine, rudder and side thruster, and put forward precautions during the course of manoeuvring.

getting alongside by stern; anchor chain; mooring line; wind resistance; side thruster; manoeuvring method

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.046

2016-12-05

中央高校基本科研業務專項資金 (3132015014)

吳衛兵 (1979—),男,碩士，副教授

研究方向：航海技術

U675.5

A

1671-7953(2017)04-0202-04

修回日期：2016-12-26