超大型油船冰區靠泊關鍵技術
——以大連長興島恒力石化碼頭為例

李 林

(大連港引航站， 遼寧 大連 116001)

1 大連長興島恒力石化碼頭冬季冰情對船舶靠泊的影響

1.1 冬季冰情概況

恒力石化30萬t碼頭位于大連長興島北部高腦子海域已建好的北港區(恒力石化港區)西防波堤西側水域，軸線為62°～242°。該區域冬季常風向為NW，次常風向為NNW，區域內受季風的影響較大。因此，冬季NW風極易將浮冰吹向碼頭，其分布態勢大致與長興島北港區東西防波堤平行，平整冰厚度一般為30.0～47.6 cm，并伴有碎冰。此種冰情受風向和風力影響甚烈：風向越接近W，風力越大，因碎冰向岸攏去形成的岸側冰情越嚴重。風對冰量的影響分布見圖1。渤海冰情等級隨時間的變化見圖2。

圖1 風對冰量的影響分布

圖2 渤海冰情等級隨時間的變化

1.2 冬季冰情對船舶靠離泊影響

由圖2可知:恒力石化碼頭每年12月到翌年3月會有大量平整冰和碎冰浮動，且近岸冰情受W風的影響更大。上述冰情態勢對超大型油船(Very Large Crude Carrier,VLCC)靠泊時各種與安全相關的內外因素的影響如下。

1.2.1影響人為因素

冰情嚴重會對引航員和船長的心理形成巨大的震懾，易于造成船舶駕駛人員心理扭曲，在焦躁中蠻干，致操船方法失宜。

1.2.2影響外部環境

(1) 當浮冰嚴重時，可在距岸1 km范圍內形成浮冰集聚區。當船舶因特殊原因不得不在長興島恒力石化港區防波堤外拋錨時，有可能在重新起錨過程中因浮冰堆積而導致絞錨困難，嚴重時甚至丟錨或使錨鏈受損。

(2) 恒力石化防波堤走向為62°～242°，防波堤口朝西側。因此，受偏西風影響(冬季多為NW向)，每年12月至翌年3月，碎冰和平整冰往往隨著洋流位移。大量浮冰會順風涌向防波堤(甚至碼頭邊緣)，阻塞航道和碼頭。同時，當平整冰厚度達到20～30 cm時，船舶基本上不能自力破冰航行，甚至會被冰夾住，產生隨冰漂流的險情。VLCC的滿載吃水通常在20 m以上，即便半載,通常也有約18 m的吃水，如果隨冰漂移至淺水區域，極易引發擱淺事故。

(3) 當冰情嚴重時，碼頭與船舶間始終存有大量浮冰，阻滯船舶如期貼靠碼頭。

(4) 當冰情嚴重時，拖船極易出現主機因海底閥被冰堵而停轉和錨鏈損丟的情況，導致拖船(甚至是破冰拖船)“騎”上碎冰而無法移動等危險。此時，拖船自身安全難以保證，對于靠離泊需要拖船輔助的30萬噸級油船而言，極易誘發失控的隱患。

1.2.3影響VLCC的結構與設備

(1) 當浮冰存在時，如果船舶的海底閥使用不當或沒有轉入內循環冷卻水系統，浮冰有可能進入海底閥堵塞循環冷卻水系統，造成船舶主機出現故障。

(2) 在螺旋槳沉深不足的情景下，停車易被冰困，而盲目倒車易導致螺旋槳碰冰受損，陷于進退維谷的境地。

(3) 當冰情嚴重時，船舶一般采用慢速快車的方法破冰，即緩慢觸碰浮冰，逐漸加大主機轉速，加大船舶推力破冰。但是,長時間地采用此法易致船舶主機負荷過載，產生安全隱患。

2 冰區靠離泊的關鍵點分析及超角度靠泊方案

綜上可知，解決VLCC冰區安全靠泊的關鍵是減小冰對船舶靠岸的影響。

VLCC靠泊,特別是滿載靠泊時，為克服船體的巨大慣性，船長會選擇攏流靠泊法，即利用攏流頂推大船和拖船頂推大船的合力來緩慢平推大船進入泊位。然而,為避免大船因合力而過快地攏向碼頭，通常采用增加橫距的方法。一般情況下，船與碼頭的橫距以0.1～0.2 n mile為宜，流急時會達到0.3 n mile以上。但在冰區靠泊過程中，當冰區由冰泥固結的軟冰層組成時，冰阻力遠大于水阻力。因此，流對大船的頂推影響可忽略不計。此時，大船受到的冰阻力過大，攏流壓力過小，如果采用常規的單獨依靠拖船頂推大船靠泊碼頭的辦法，往往因冰阻力大于拖船推力而使大船不能入泊。因此，VLCC在冰區靠泊過程中需解決兩項技術難題,即：

1) 船舶在靠泊碼頭過程中的轉向角度要能減少船岸間冰量，使得冰阻力等于或小于船舶平行碼頭后的拖船阻力；

2) 按照上述角度實施轉向的最晚施舵點。

為解決這兩個難點，本文提出VLCC冰區靠泊的超角度靠泊法。

2.1 VLCC冰區靠泊的超角度靠泊法

超角度靠泊法是指在靠泊過程中揚棄傳統的平行抵泊法，改用增大入泊角度、減小入泊橫距，以減小大船與泊位之間的冰量，從而減小冰阻力的方法。見圖3。

圖3 VLCC常規靠泊與超角度靠泊示意

2.2 超角度靠泊法特點

較之傳統平行抵泊法，超角度靠泊法有以下特點：

1) 船舶用于接近泊位的“旋回”范圍增大。

2) 船舶接近泊位的角度較大。

3) 船舶和泊位間的冰量減少,冰阻力減小。

超角度靠泊法旨在減少船舶與泊位間的冰量，從而減小冰阻力對靠泊的影響。船舶在碎冰區域航行時與冰相互作用的阻力遠大于與水相互作用的阻力(見圖4)。

圖4 船舶速度與阻力的關系

顯而易見，超角度靠泊法的最大優點在于船舶航向與碼頭走向的入泊角度較大，橫距較小，有利于減少冰量和減小冰阻力，從而易于大船靠泊。但是,其不足之處在于因船舶與碼頭入泊角度較大，易給駕駛人員造成視覺上的沖擊，心理上造成負擔，以為大船始終與碼頭有交角，難以平行入泊，擔心發生船舶與碼頭碰撞的事故。因此，超角度靠泊法的實施關鍵是尋求大船入泊角度，尋求與碼頭走向平行的最晚施舵點。

2.3 最晚施舵點與入泊角度的數學模型分析

2.3.1最晚施舵點數學模型

船舶在采用最晚施舵點后平行于碼頭時，需靠拖船頂推入泊。此推力應大于等于冰阻力，且在頂推入泊過程中，船舶的變形應為可逆變形，即因冰與拖船的作用力而產生的船體變形應在許可的彈性模量的物理范圍內。鑒于此，引入冰的彈性模量與冰的體積之間的換算關系，通過計算船舶新航向距離和拖船頂推力，建立關于最晚施舵點的換算關系的數學模型。

最晚施舵點至碼頭的距離為L(見圖5)，最小轉向施舵距離L的計算式為

L=Dnc+b

(1)

式(1)中：Dnc為轉向過程中的新航向距離，m;b為大船與碼頭中間冰的寬度，m。

由式(1)可知:在計算最晚施舵點到碼頭的垂

圖5 最晚施舵點到碼頭垂直距離L示意

直距離時,需先計算出新航向距離Dnc與大船與碼頭中間冰的寬度b。以下為Dnc與b的數學模型推導。

Dnc的計算式為

(2)

式(2)中:vs為旋回初速度，m/s;K和T為船舶操縱指數;t1為操舵時間，s;δ為操舵角，(°);φ為轉向角，(°)。

新航向距離計算示意見圖6。

圖6 新航向距離計算示意

b的計算式為

(3)

式(3)中：h為冰的厚度，m；Vb為船舶與碼頭間冰的體積，m3；l為船舶長度，m。

在已知船舶l和h(可根據當地氣象預報得出)的前提下，通過下列數學推導可得船岸間冰的Vb。

船岸間冰對船舶的阻力(Fb)應小于等于協助大船靠泊的拖船的總推力F，即

Fb≤F

(4)

F的計算方程式如下:

先計算出VLCC滿載所需拖船總功率P，即

P=TDW×5.15%

(5)

式(5)中:TDW為船舶總載重量,t。

根據總功率可計算出拖船總推力為

(6)

因式(4)中Fb≤F，可計算出冰阻力Fb的極限值，即Fb=F。

通過Fb的極限值與海水密度、海冰與船舶接觸面的投影寬度之間的數學關系，可計算出海冰的特征長度。計算式為

(7)

式(7)中:ks為海水密度,kg/m3;D為海冰與船舶接觸面的投影寬度，m;li為海冰的特征長度。

根據li與冰的彈性模量的關系可得冰的彈性模量E為

li={Eh3/[12(1-n2)ks}0.25

(8)

式(8)中:h為海冰厚度，m;n為泊松比，船舶在冰區中的泊松比經驗值為0.25～0.36，推薦值為0.30。

根據E與冰體積之間的關系，可得

(9)

在計算出Vb后，根據式(3)可算出b值，根據式(1)可算出轉向施舵的最晚施舵距離L。

2.3.2入泊角度的數學模型

在計算冰中最晚施舵距離L、選擇轉向時機時，亦需參考船舶的入泊角度。為減小Vb，船舶在冰中的入泊角度要大于在靜水中的入泊角度(見圖7)。

圖7 靜水入泊角度與冰區入泊角度對比

根據文獻[13]可得船舶在冰中旋回運動時漂角與冰對舵阻力的關系。因此，在計算出冰對舵阻力的前提下，根據漂角與冰阻力的關系可得漂角的平均值。根據漂角與角速度的關系式可計算出船舶在冰中的旋回角速度，再根據角速度與時間的乘積等于入泊角的關系式，便可得到入泊角度。

具體計算式為

θ=ω·TC

(10)

式(10)中:θ為船舶冰中靠泊入泊角，(°);ω為旋回角速度，(°)/min;TC為旋回運動時間，min。式(10)中ω的計算式為

(11)

式(11)中:v為航速，m/min;R為船舶回轉半徑，m;β為漂角，(°);t2為旋回時間，min。

由此可得知船舶冰中旋回的漂角，進而可通過式(11)計算出船舶的ω。

另外,由文獻[13]可知:通過漂角β和冰阻力的試驗數據可列表查出在不同冰阻力的作用下漂角β的數值(見表1)。

表1 冰船相互作用模型試驗阻力均值與漂角關系

由表1可知:在不同冰阻力前提下，通過冰阻力計算可得到對應的漂角。

由文獻[14]可知冰阻力計算式為

(12)

由式(12)可得Pice，據表1可查得漂角β，再據式(11)可算出旋回角速度ω，最后據式(10)取得入泊角θ。

3 結束語

目前,國內外針對船舶冰區靠泊的研究尚處于起步階段，本文論證VLCC冰區靠泊的關鍵技術，從理論上提供了解決這一難題的一種實踐方案——超角度靠泊法，這對于確保冰區靠泊作業安全具有一定的理論指導價值和實踐借鑒意義。但考慮到冰區靠泊過程中冰情、洋流和海浪等因子對船舶的干擾度難以量化，故在具體的操作實踐中尚需援以相關的技術協調，如VLCC冰區航前準備、應急預案的準

備和碼頭方面的配合等，這將是今后研究的重點。