拖帶大型重載無動(dòng)力船舶進(jìn)上海港的論證和實(shí)操

沈 灝

（上海港引航站，上海 200082）

0 引言

2019 年12 月18 日，“雅達(dá)”（YADAR）輪，全長209 m、吃水11.3 m，在長江口一號(hào)錨地準(zhǔn)備起錨進(jìn)港時(shí)，發(fā)現(xiàn)主器故障無法修復(fù)，失去動(dòng)力。該輪的代理公司隨即申請作為無動(dòng)力船舶，要求拖帶進(jìn)港，便于卸貨和進(jìn)廠修理。由于大型重載無動(dòng)力船舶進(jìn)港拖帶作業(yè)的特殊性、復(fù)雜性和高風(fēng)險(xiǎn)性，一般引航員相對缺乏相關(guān)的拖帶作業(yè)經(jīng)驗(yàn)。為此，上海港引航站首先評(píng)估拖帶作業(yè)的可行性，根據(jù)在一定拖帶速度條件下的受力情況計(jì)算，確定無動(dòng)力船舶的拖帶應(yīng)該使用的拖船數(shù)量和功率；其次，考慮如何在拖帶時(shí)減小偏蕩和航跡帶寬度，防止偏離航線而導(dǎo)致擱淺或碰撞燈浮等事故的發(fā)生；最后選擇合適的拖帶方式、合理的配置拖船、一定的水文氣象條件、以老帶新雙人引航的模式，確保該輪的拖帶作業(yè)安全。

1 大型重載無動(dòng)力船舶信息和選擇的水文氣象

1）“雅達(dá)”輪，總長Loa為209 m、垂線間長LPP為192m、型寬B 為32.3 m、型深D 為21.2 m、吃水D 為11.3m，排水量為73214.4 t，方形系數(shù)Cb為0.832，水線以上船體正面投影面積約為720 m2，水線以上船體側(cè)投影面積約為2610 m2。

2）大型重載無動(dòng)力船舶的拖帶作業(yè)條件。根據(jù)以往成功拖帶的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)選擇能見度良好，視程大于2 nmile；風(fēng)速小于4 級(jí)（最大值10 m/s）的天氣，便于拖船發(fā)揮作用和確保其安全；避開大潮汛，以減小橫流對拖帶船隊(duì)偏蕩和航跡帶的影響。

2 拖船配置

大型重載無動(dòng)力船舶進(jìn)行拖帶進(jìn)港作業(yè)，在狹窄的航道內(nèi)受風(fēng)流影響較大，為了保持船位，防止偏蕩帶來的擱淺和碰撞燈浮風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行保向、改向、推進(jìn)和制動(dòng)等復(fù)雜多變的操縱，因此拖船的配置方案顯得尤其重要。只有進(jìn)行科學(xué)計(jì)算和制定合理的拖船配備方案，才能保證大型重載無動(dòng)力船舶的拖帶進(jìn)港安全。

2.1 拖帶船隊(duì)阻力的計(jì)算

無動(dòng)力船舶需要依靠拖船提供的動(dòng)力來克服阻力，拖船的拖力決定無動(dòng)力船舶的拖帶速度。無動(dòng)力船舶和拖船在航行時(shí)都會(huì)產(chǎn)生阻力，整個(gè)船隊(duì)的總阻力是無動(dòng)力船舶的總阻力與所有拖船的總阻力之和，拖帶速度與整個(gè)船隊(duì)的總拖力成正比關(guān)系。

1）無動(dòng)力船舶總阻力的計(jì)算

無動(dòng)力船舶的總阻力R無，由摩擦阻力Rs、剩余阻力Rr和附加阻力Re組成，其計(jì)算公式如下：

阻力計(jì)算公式有很多系數(shù)，在計(jì)算不同對水速度下的阻力值時(shí)，為了安全起見都選用最大值。這里取風(fēng)速4 級(jí)、拖帶速度6 kn 為例進(jìn)行計(jì)算。

①摩擦阻力的計(jì)算

式中：Rs為摩擦阻力，kN；f 為摩擦阻力系數(shù)，取0.167；V為拖帶速度，m/s；A1為船舶的水下濕表面積，m2。A1根據(jù)船舶吃水在船舶資料中查得，或根據(jù)船舶的船長、船寬、吃水、方形系數(shù)Cb等基本數(shù)據(jù)求得。散貨船：A1=LPP（1.7d+BCb），式中LPP為船舶垂線間長、B 為船舶型寬、d 為船舶吃水。

則：Rs=0.167［LPP（1.7d+BCb）］V1.83×10-3=114.4 kN。

②剩余阻力的計(jì)算

式中：Rr為剩余阻力，kN；μ 為剩余阻力系數(shù)，取14.7；A2為水線下船中橫剖面積，A2=CmBd（m2）；Cm為船舯剖面系數(shù)，范圍0.85～0.99；這里取最大值0.99。

則：Rr=14.7CbCmBdV1.74+0.15V×10-2=526.3 kN。

③附加阻力的計(jì)算

式中：Re 為附加阻力，kN；Rw為空氣阻力，其計(jì)算公式為：Rw=1.6488Aa（Vw+V）2×10-2；Aa為船舶水線以上船體正面投影面積；Vw為風(fēng)速，m/s；R1、R2、R3分別為船舶的附體阻力、污底阻力和洶濤阻力，其大小僅為船舶空氣阻力與基本阻力之和的2%～4%，這里取3%。

則：Rw=1.6488Aa（Vw+V）2×10-2=222.5 kN，Re=Rw+R1+R2+R3=Rw+（Rw+Rs+Rr）3%=248.4 kN，

無動(dòng)力船舶在風(fēng)速4 級(jí)、拖帶速度6 kn 時(shí)的總阻力為：R無=Rs+Rr+Re=889.1 kN。

2）拖船總阻力的計(jì)算

在整個(gè)拖帶船隊(duì)中，拖船能發(fā)揮出的有效拖力是在克服自身所受的阻力后剩余的。在進(jìn)行大型無動(dòng)力船舶進(jìn)港拖帶作業(yè)時(shí)，往往使用多艘拖船，盡管拖船的尺度不大，但是多艘拖船的總阻力不能忽略，有必要對所有拖船的總阻力進(jìn)行計(jì)算。因上海港的作業(yè)拖船在船型尺度上接近，在外部形狀上相似，阻力也基本相同，因此根據(jù)前面的阻力計(jì)算公式只計(jì)算一艘尺度最大的拖船在6 kn 對水速度時(shí)的阻力即可，得出R拖=49.8 kN。

3 確定拖帶無動(dòng)力船舶時(shí)使用拖船的功率和數(shù)量

按照對主要3 種拖船（Z 型、VSP 型、CPP 型）的試驗(yàn)比較得出，對于全旋回式拖船（Z 型）每73.5 kW（100 HP）主機(jī)輸出功率可提供15.3 kN 的拖力。在拖船的實(shí)際使用中，由于拖船船齡、纜繩系帶方式、風(fēng)浪的影響及運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性等原因，同時(shí)也考慮到拖船不能長時(shí)間以滿負(fù)荷的方式工作，在計(jì)算拖船的常用拖力時(shí)，可按正車系柱拖力的80%來考慮。“海港61”輪的額定功率是4420 kW，作為主拖船，可以提供的系柱拖力為920.1 kN，那么常用拖力為736.1 kN。當(dāng)只考慮“雅達(dá)”輪的總阻力時(shí)，“海港61”輪的系柱拖力可保證拖帶船隊(duì)速度接近6 kn。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在港口水域的短距離拖帶作業(yè)，一般用一艘大功率拖船在船首吊拖作為主拖船，但拖纜的水平張角過大會(huì)損失一部分拖力。在船尾部左右舷各綁一艘功率約2000 kW 的拖船，既能提供前進(jìn)的動(dòng)力，又能進(jìn)行制動(dòng)和協(xié)助轉(zhuǎn)向。在船首部右舷綁一艘功率約2000 kW拖船，用于應(yīng)急、協(xié)助轉(zhuǎn)向和抑制偏蕩；按計(jì)劃，該拖帶船隊(duì)趁潮水順?biāo)M(jìn)港，抵達(dá)碼頭附近水域時(shí)是初落水，左舷靠泊，所以系帶在船首右舷。由此可見，這樣配置拖船和考慮拖船的阻力，在“海港61”輪常用拖力的拖帶下，速度能超過6 kn，滿足拖帶的需要。圖1 為此次大型重載無動(dòng)力船舶拖帶的拖船配置示意圖。

圖1 大型重載無動(dòng)力船舶拖帶的拖船配置示意圖

4 大型重載無動(dòng)力船舶拖帶作業(yè)所需航道寬度計(jì)算

大型重載無動(dòng)力船舶在航道中行駛時(shí)，對水速度較低，易受到風(fēng)流的影響，船位較難保持在航道的中心線上，需要預(yù)配較大的風(fēng)流壓角，占用航道寬度相應(yīng)增加。因此有必要對“雅達(dá)”輪的航行寬度進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，所需航道寬度W 的取值按下面公式計(jì)算。

雙向航道：W=2A+b+2c；

單向航道：W=A+2c；

航跡帶寬度：A=n（Lsinγ+B總）。

式中：n 為滿載船舶漂移倍數(shù)；γ 為風(fēng)、流壓偏角；L 為拖帶船隊(duì)總長；B總為拖帶船隊(duì)總寬度；C 為船舶和航道底邊的富裕寬度；b 為船舶間的富裕寬度。

根據(jù)該大型重載無動(dòng)力船舶參數(shù)和本港的水文氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算得到較大橫流1.5 kn 時(shí)，取n=1.59、γ=10°、C=0.75B，計(jì)算得出拖帶船隊(duì)所需要航道寬度為172.7 m。航道的寬度能夠滿足“雅達(dá)”輪進(jìn)港拖帶作業(yè)所需要單向航道寬度的要求，本次無動(dòng)力拖帶作業(yè)是安全可行的。

5 “雅達(dá)”輪拖帶進(jìn)港的實(shí)際操縱

考慮到“雅達(dá)”輪的吃水深、噸位大、受風(fēng)和流等的影響大，進(jìn)港航道比較狹窄，航行距離較長，所以應(yīng)選擇在氣象、水文較合適的時(shí)機(jī)拖帶進(jìn)港，根據(jù)氣象預(yù)報(bào)和《潮汐表》，接受引航申請的第二天滿足要求。12 月19 日，能見度良好，視線為4 nmile；風(fēng)速9 m/s，風(fēng)向330°；當(dāng)日小潮汛，高潮時(shí)間為09:36。計(jì)劃引航員于0500 時(shí)在長江口錨地登上該輪，以便帶拖船和提前準(zhǔn)備，于初漲潮時(shí)段到達(dá)長江口燈船。拖帶過程中主要的工作及操縱要點(diǎn)：

1）兩位引航員從北槽引航船乘坐拖船到長江口錨地，于04:45 登上“雅達(dá)”輪。登輪后，引航員立刻與船長詳細(xì)交流了拖帶方案、核對了船舶資料，征求船長對拖帶方案的意見和建議。船長向引航員說明該輪除了主機(jī)無法使用外，其他設(shè)施都正常；目前處于拋錨狀態(tài)，錨鏈7 kn。引航員要求船長安排船員帶妥4 艘拖船，并做好起錨的準(zhǔn)備。兩位引航員進(jìn)行了分工，主引航員負(fù)責(zé)引領(lǐng)船舶、指揮拖船；輔助引航員負(fù)責(zé)定位、VHF 通報(bào)和聯(lián)系周圍船舶，協(xié)助瞭望等。

2）引航員給4 艘拖船分配了工作，也就是“海港61”輪作為主拖，系帶在船首；“海港10”和“海港11”輪作為綁拖，系帶在船尾的左右舷；“海港14”輪系帶在船首右舷主甲板的位置。同時(shí)交待了拖帶的要求和發(fā)生斷纜等意外的應(yīng)對措施、通信聯(lián)系的VHF 頻道和應(yīng)急聯(lián)系方式等。

3） 4 艘拖船系帶完畢后，“雅達(dá)”輪開始起錨，0600時(shí)錨離底，“海港61”輪開始起拖，“海港10”和“海港11”輪也開慢車協(xié)助，拖帶船隊(duì)開始趁著潮水順流進(jìn)港。

4） 07:22 時(shí)，“雅達(dá)”輪經(jīng)過長江口燈船，此時(shí)船隊(duì)航速達(dá)到8.7 kn。盡管北槽航道基準(zhǔn)水深為12.5 m、航道寬度為500 m，但對于該拖帶船隊(duì)來說可航行水域?qū)挾惹也桓辉＃枰絾T依靠平時(shí)積累的經(jīng)驗(yàn)、助航設(shè)備等精準(zhǔn)的操縱和拖船的高度配合以及對當(dāng)時(shí)潮流風(fēng)向?qū)Υ暗挠绊懹兄A(yù)先的判斷。07:30 時(shí)正是長江口漲水的時(shí)期，航道走向是270°，預(yù)配了約15°的風(fēng)流壓差。引航員還通過及時(shí)調(diào)整航向，使船位始終保持在航道中間偏右的位置。

5）兩位引航員運(yùn)用船上先進(jìn)的雷達(dá)和電子海圖信息顯示系統(tǒng)（ECIDS），時(shí)刻檢查船位的偏差，根據(jù)船位及時(shí)指揮拖船的操縱。為了減少“雅達(dá)”輪的偏蕩和航跡帶寬度，用該輪操大角度的舵角進(jìn)行抑制。該拖帶船隊(duì)08:14過D11燈浮、09:36 過D25 燈浮、10:42 過D37 燈浮、11:55 過圓圓沙燈船。

6）北槽航道有3 個(gè)彎頭，是這次拖帶的難點(diǎn)之一。引航員采取慢速過彎和拖船協(xié)助的方法，即拖帶船隊(duì)在抵達(dá)彎頭前先減慢船速，推送命令“海港14”輪做好拖或頂?shù)臏?zhǔn)備，順利通過了3 個(gè)彎頭。

7） 靠泊操縱。“雅達(dá)”輪在安全抵達(dá)泊位附近水域時(shí)，解掉主拖“海港61”輪和左舷綁拖的“海港10”輪，利用右舷綁拖的“海港11”輪和“海港14”輪，根據(jù)“雅達(dá)”輪的橫移速度指揮二艘拖船調(diào)整拖拉或頂推的力量，最后于14:22安全靠妥碼頭。

6 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

經(jīng)過這次長達(dá)九個(gè)半小時(shí)“雅達(dá)”輪的拖帶引航任務(wù)，對大型重載無動(dòng)力船舶拖帶進(jìn)上海港的理論與實(shí)踐有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和理解。1）港內(nèi)狹窄水域大型重載無動(dòng)力船舶的拖帶操縱是一項(xiàng)高難度的引航作業(yè)，拖航前應(yīng)進(jìn)行可行性分析；提前制定拖帶引航方案，并且與拖船、船方和港方等相關(guān)的單位協(xié)調(diào)溝通，共同研討拖帶引航方案，明確職責(zé)、任務(wù)和分工。2）要選擇氣象狀況良好、風(fēng)力較小、小潮汛的情況下進(jìn)港，可以大大降低風(fēng)致漂移和流致漂移對無動(dòng)力船產(chǎn)生的影響和造成的碰撞燈浮和擱淺事故的發(fā)生，確保拖帶安全。3）本次拖帶引航任務(wù)，拖船的作用非常重要，因此大型重載無動(dòng)力船舶應(yīng)與拖船之間保持有效的通信聯(lián)絡(luò)，確定應(yīng)急措施和備用頻道，密切配合、協(xié)調(diào)動(dòng)作，并隨時(shí)注意拖船纜繩情況并體諒其操縱的難處，確保拖船安全。4）拖帶引航中要運(yùn)用良好船藝，充分估計(jì)風(fēng)流壓差，利用一切可用的導(dǎo)航設(shè)施和助航設(shè)備，及時(shí)修正船位，在航道中保持船位在上風(fēng)上流的位置，防止船隊(duì)偏航而造成碰撞燈浮或擱淺。5）除了主拖“海港61”輪帶拖纜外，其他三艘拖船都應(yīng)該帶纜繩進(jìn)行綁拖，可以預(yù)防拖帶過程中的不測。6）保持與海事部門的聯(lián)系，便于海事部門對拖航經(jīng)過的水域進(jìn)行交通組織；安排海巡船全程護(hù)航，防止其他施工船舶、漁船等妨礙拖航操縱。7）要合理利用潮水，趁著漲潮時(shí)進(jìn)港，以保證一定的安全航速，盡快、安全通過北槽深水航道。事實(shí)證明，只要選擇合適的外部條件、做好充分的準(zhǔn)備和發(fā)揮駕駛臺(tái)資源的作用，大型重載無動(dòng)力船舶在上海港的進(jìn)港拖帶是安全可行的。

7 結(jié)語

較之有動(dòng)力的普通大型重載船舶進(jìn)出港引航，大型重載無動(dòng)力船舶拖帶作業(yè)難度大、風(fēng)險(xiǎn)大、技術(shù)要求高，從確保航行安全的角度考慮，事先進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算和理論研究非常有必要，能使引航員預(yù)估到各個(gè)航行階段的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、難處和要注意的問題，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果做好拖帶方案。通過對這次大型重載無動(dòng)力船舶拖帶作業(yè)的事前計(jì)算、事后總結(jié)，對今后大型重載無動(dòng)力船舶的拖帶作業(yè)和主機(jī)突然故障情況下的應(yīng)急處置具有一定的參考意義。