拖帶超大型無(wú)動(dòng)力駁船狹窄水域航行關(guān)鍵技術(shù)研究

摘 要：我國(guó)正在大力發(fā)展大型海上作業(yè)平臺(tái)，對(duì)海上大型化拖帶作業(yè)的需求與日俱增。為了保證超大型無(wú)動(dòng)力駁船在限制水域中的通航安全，本文以“海洋石油228”裝載“恩平20-4”石油導(dǎo)管架通過(guò)赤灣航道的拖航過(guò)程為例，從拖航阻力、船舶偏蕩、航向航速以及保持合理的風(fēng)流壓差等角度進(jìn)行分析，探究了拖帶超大型無(wú)動(dòng)力駁船狹窄水域航行的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：超大型無(wú)動(dòng)力駁船；拖航；狹窄水域；通航安全

0 引 言

隨著人類社會(huì)對(duì)海洋資源開(kāi)發(fā)的深入，大型海上作業(yè)平臺(tái)的建造已成為我國(guó)的重點(diǎn)工程，現(xiàn)有海上大型導(dǎo)管架平臺(tái)已超過(guò)300個(gè)。對(duì)超大型無(wú)動(dòng)力拖帶，例如拖帶大型海洋石油鉆井平臺(tái)、海洋石油導(dǎo)管架、浮式液化天然氣生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置等，需求與日俱增。但這種大型拖帶有著較大的轉(zhuǎn)向力臂以及慣性，操縱能力嚴(yán)重受限，其操縱性能受風(fēng)、流的影響較為顯著，因此在狹窄水域航行時(shí)操縱難度大幅提升。2023年3月17日，“海洋石油228”裝載“恩平20-4”石油導(dǎo)管架由拖船“德進(jìn)”輪拖離赤灣勝寶旺碼頭，經(jīng)寬度極端受限的赤灣航道、再經(jīng)銅鼓航道，駛向距離深圳西南方約200 km的恩平油田海域，操作難度極大。為保證超大型無(wú)動(dòng)力駁船在狹窄水域的通航安全，對(duì)于此類航行的關(guān)鍵技術(shù)的研究至關(guān)重要。本文以無(wú)動(dòng)力超大型駁船“海洋石油228”裝載“恩平20-4”石油導(dǎo)管架的引航過(guò)程為例，對(duì)超大型無(wú)動(dòng)力駁船狹窄水域拖航進(jìn)行分析，以闡述其中的關(guān)鍵技術(shù)并進(jìn)行總結(jié)，意在對(duì)未來(lái)進(jìn)行此類作業(yè)時(shí)起到參考作用。

1 赤灣航道、被拖船及其裝載的導(dǎo)管架簡(jiǎn)介

1.1 赤灣航道

1.1.1 航道概況

赤灣航道位于珠江口東部，是赤灣港通往銅鼓航道的必經(jīng)之地，航道軸線位于22°28.264′N，113°52.889′E到22°27.487′N，113°52.956′E之間，長(zhǎng)度1 481 m，寬120 m，水深11 m，航道走向?yàn)?75°～355°。航道西邊線距護(hù)堤僅33 m，助航設(shè)施有赤灣1-3號(hào)燈浮。航道信息如圖1所示。

1.1.2 水文氣象

赤灣港區(qū)為不正規(guī)半日混合潮，潮汐不等現(xiàn)象明顯。漲潮流向?yàn)?20°～355°，落潮流向?yàn)?30°～165°。不論是豐水期或枯水期，落潮流速均大于漲潮流速，半潮時(shí)流速最大，最大漲潮流速可達(dá)2.2 kn，最大落潮流速可達(dá)3.7 kn[1]。2023年3月17日蛇口（ 赤灣）潮汐情況是：01：06潮高49 cm，09：29潮高165 cm，11：44潮高161 cm，18：00潮高241 cm；東北風(fēng)3級(jí)，能見(jiàn)度大于1 n mile。

1.2 超大型無(wú)動(dòng)力駁船“海洋石油228”

“海洋石油228”（HYSY228）為2014年建造的一艘具有1 800 t組塊浮托及導(dǎo)管架滑移下水安裝能力的T型（凸字）駁船[2]，也是我國(guó)第一艘自主設(shè)計(jì)的“T”形下水駁船，甲板平面布置如圖2所示，主要參數(shù)見(jiàn)表1[3]。該船主要用于10 000～18 000" t海上油氣田大型導(dǎo)管架的裝船、運(yùn)輸和下水，也被用于運(yùn)輸其他甲板貨物和進(jìn)行大型組塊、深水結(jié)構(gòu)物的運(yùn)輸和浮式安裝。駁船共32個(gè)壓載艙室，駁船自身泵室壓排載能力為4×2 300 m3/h[4]。

1.3 “恩平20-4”石油導(dǎo)管架

石油導(dǎo)管架是海洋石油平臺(tái)的核心構(gòu)件，其主體為鋼制桁架，由中空的腿柱和連接腿柱的縱橫桿組成。作為石油導(dǎo)管架的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，石油導(dǎo)管架上面搭接固定式采油平臺(tái)。“恩平20-4”平臺(tái)是南海東部油田2023年新建的重要產(chǎn)能設(shè)施，其導(dǎo)管架高104 m，最大寬度為97.78 m，最窄處為76.3 m，整體外形呈梯形，其重量為11 846 t，如圖2所示。

1.4 拖帶組

本次在赤灣航道內(nèi)拖帶采用船艏拖船吊拖，船艉倒拖，全長(zhǎng)約400 m。左側(cè)由“中鑫2號(hào)”和“海安9號(hào)”拖船頂推，右側(cè)由“中鑫1號(hào)”和“中鑫5號(hào)”拖船頂推，船艉由“寶航6號(hào)”拖船倒拖，船艏由主拖船“德進(jìn)”輪進(jìn)行吊拖拖曳，主拖纜長(zhǎng)98 mm，如圖3所示。由于駁船“海洋石油228”寬度52.5 m，導(dǎo)管架裝載上駁船后，船艉左右兩側(cè)最窄處可以頂推的位置點(diǎn)導(dǎo)管架外側(cè)水平距離81.15 m。但目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有合適拖船能配合安全頂推作業(yè)。擬參加作業(yè)拖船駕駛臺(tái)至船頭頂推位置最大距離為14.15 m ，須在駁船艉左右兩側(cè)進(jìn)行改造、在駁船船艉兩側(cè)分別加裝一個(gè)3 ×3 ×6 m的鋼結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖4），為拖船頂推作業(yè)提供必要的空間，使船艉兩拖船能夠成功頂推到駁船。

2 狹窄水域拖帶航行的關(guān)鍵技術(shù)

由于赤灣航道的寬度僅有120 m，航道西邊線距護(hù)堤僅33 m。為了保證兩側(cè)拖船能夠更加精準(zhǔn)地控制船舶拖航，兩側(cè)共4艘拖船需要垂直于駁船兩側(cè)進(jìn)行頂推。加上在駁船兩側(cè)改造的鋼結(jié)構(gòu)，整個(gè)拖帶組的寬度達(dá)到了130 m。已經(jīng)超過(guò)了赤灣航道的寬度，這就要求整個(gè)拖帶組偏離航道中心線的距離要控制在10 m以內(nèi)。

考慮到導(dǎo)管架受風(fēng)面積大，駁船船型較大，導(dǎo)致拖帶組受風(fēng)流影響非常大，引起拖航過(guò)程中偏蕩的可能性增加。考慮到赤灣航道為受限水域，水深吃水比僅為2：1，航道寬度僅有120 m，淺水效應(yīng)與岸壁效應(yīng)會(huì)更加顯著，對(duì)于拖航速度與航向的把控更加困難。根據(jù)引航實(shí)操經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)駁船航速超過(guò)2 kn時(shí)，兩側(cè)的拖船頂部與駁船的摩擦阻力加上螺旋槳的橫向力無(wú)法滿足拖船垂直于駁船航行，因此拖帶組航速需要控制在2 kn以內(nèi)。在這種極端苛刻的航行條件下，“恩平20-4”石油導(dǎo)管架在受限水域的拖航為后續(xù)相關(guān)工作積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，下面結(jié)合理論分析對(duì)狹窄水域拖帶航行的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。

2.1 拖航阻力

為了分析風(fēng)流對(duì)船舶的影響，本文按照中國(guó)船級(jí)社2011年發(fā)布的《海上拖航指南》中給出的估算公式進(jìn)行計(jì)算。本次計(jì)算的對(duì)象為無(wú)動(dòng)力駁船，其拖航的阻力R可按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

∑R=（Rf+RB ）+Ra （3.1）

式中R_f為被拖船的摩擦阻力（kN），RB為被拖船的剩余阻力（kN），Ra為空氣阻力。計(jì)算公式如下：

Rf =1.67A1+V1.83×10-3 （3.2）

RB =0.147δA2 V1.74+0.15V （3.3）

Ra =0.5ρV^2 ∑CS Ai 10-3 （3.4）

式中A1為船舶水下濕表面積，V為拖航速度，δ為方形系數(shù)，A2為浸水部分的船中橫剖面積。ρ為空氣密度，V為風(fēng)速，Ai為受風(fēng)面積，CS為受風(fēng)面積形狀系數(shù)（查閱中國(guó)船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)取1.25）[5]。

計(jì)算得Rf為13.42 kN； RB為996.13 kN；Ra為27.53 kN；R為1073.08 kN。

需要注意的是，所用公式只能粗略的估算駁船所受阻力，在實(shí)際拖航過(guò)程中，船體受淺水效應(yīng)的影響，船體下沉量會(huì)增加，船體的縱傾也會(huì)改變。因此船體航行所受阻力也會(huì)相應(yīng)增加。

2.2 抑制偏蕩的措施

由水文氣象條件可知，當(dāng)天在航道內(nèi)拖航期間風(fēng)和流的作用力均作用在拖帶組左側(cè)。本次拖航駁船為T型駁船，船型較為瘦長(zhǎng)，拖帶組高度最高可達(dá)105 m，受風(fēng)面積較大。在風(fēng)和流的影響下極易引起船體發(fā)生偏蕩，導(dǎo)管架平行于甲板的橫向力Fy計(jì)算公式如下：

Fy=MAy+Fq+Fw （3.5）

式中M為導(dǎo)管架質(zhì)量（t），Ay為橫向加速度（m/s2），F(xiàn)q為風(fēng)作用力（kN），F(xiàn)w為海水飛濺沖擊力（kN）[5]。其中Ay，F(xiàn)q，F(xiàn)w按中國(guó)船級(jí)社《海上拖航指南》中標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，由于導(dǎo)管架為鏤空結(jié)構(gòu)，其投影面積按50％計(jì)算，結(jié)果Fy約為6 160.59 kN，可產(chǎn)生額外的橫向加速度為0.52 m/s2。由計(jì)算結(jié)果可知，風(fēng)流對(duì)駁船裝載的導(dǎo)管架的影響較大。

（1）分析風(fēng)流對(duì)船舶產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)力矩可知， 駁船帶好拖纜在船艏進(jìn)行拖航時(shí)，在風(fēng)流速低的情況下，偏頂風(fēng)流對(duì)拖纜產(chǎn)生的升力相對(duì)較小，拖纜張力相對(duì)更加穩(wěn)定，有助于控制船舶的運(yùn)動(dòng)，因此狹窄水域拖帶航行盡量選擇偏頂風(fēng)流的天氣情況進(jìn)行拖航作業(yè)。

（2）拖航航行中，風(fēng)流作用力與拖拽力需盡量保持平衡狀態(tài)。為了避免突然的速度變化而引起偏蕩幅度增大[6]，拖帶過(guò)程中應(yīng)盡量保持整個(gè)拖帶組處于平穩(wěn)慢速狀態(tài)。考慮到赤灣航道的具體情況以及拖船頂推效果的發(fā)揮，作業(yè)速度應(yīng)控制在2.0 kn以內(nèi)。

（3）為了控制駁船偏離航道中心線在10 m以內(nèi)的要求，選擇4艘拖船垂直于駁船進(jìn)行頂推，以確保拖船能夠更加精準(zhǔn)地控制駁船。但不需要側(cè)面拖船協(xié)助頂推時(shí)需保持拖船在合適的位置和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

（4）配備多名經(jīng)驗(yàn)豐富的引航員，確保每艘拖船能夠及時(shí)準(zhǔn)確地接到命令并對(duì)駁船施加推力以及時(shí)改正船舶偏蕩，并保證船艏處2艘拖船與船艉處2艘拖船能夠相互緊密配合。

2.3 拖航速度及航向的控制措施

為了保證超大型駁船在狹窄航道內(nèi)保持航向的同時(shí)以安全航速通過(guò)，拖船“寶航6號(hào)”協(xié)助操縱采用了船艉倒拖制動(dòng)的方式。拖船“寶航6號(hào)”選擇倒八字方式系固在左船艉和右船艉，有效地提供了向后的拖力以及時(shí)地控制船速，同時(shí)提供抑制船艏向偏離計(jì)劃航向的力矩。在本文的案例中，對(duì)于穩(wěn)定駁船的拖曳，適當(dāng)增加拖纜的長(zhǎng)度可增加拖曳過(guò)程的穩(wěn)定性[7]。

駁船在狹窄航道內(nèi)航行時(shí)會(huì)引發(fā)岸壁效應(yīng)，由伯努利方程[8]：

P + 12_ρv2+ρgh=C （3.6）

可知，當(dāng)船體一側(cè)與岸壁之間的距離變小，經(jīng)過(guò)船體近岸側(cè)的水流流速將會(huì)增加，這導(dǎo)致流體的動(dòng)能增加，壓強(qiáng)減小。所以船體與岸壁之間會(huì)產(chǎn)生吸力，且該力的作用中心通常在船中略后，故產(chǎn)生推艏吸艉的轉(zhuǎn)船力矩，這種現(xiàn)象叫“岸吸與岸推”（又稱岸壁效應(yīng)），從而導(dǎo)致船體偏離原來(lái)的航向。特別是在淺水水域的超大型無(wú)動(dòng)力駁船，船舶本身無(wú)操縱動(dòng)力，加之淺水效應(yīng)的影響，船體的岸壁效應(yīng)會(huì)更顯著。

（1）在船舶偏向一側(cè)岸壁時(shí)，應(yīng)提前準(zhǔn)備好應(yīng)對(duì)岸壁效應(yīng)的措施。應(yīng)有引航員密切地關(guān)注船艏與船艉的動(dòng)向，與此同時(shí)靠近岸壁一側(cè)的拖船應(yīng)時(shí)刻做好頂推準(zhǔn)備，必要時(shí)，船艉的拖船應(yīng)施加一定拖力控制船舶航向。

（2）在狹窄水域的拖航過(guò)程中，船速的控制十分重要。過(guò)高的航速會(huì)增加船舶的慣性，使得船舶難以及時(shí)地轉(zhuǎn)向。隨著航速的增加，岸壁效應(yīng)會(huì)更加顯著。在具體的實(shí)操過(guò)程中，當(dāng)駁船的航速超過(guò)2 kn時(shí)，兩側(cè)的拖船將無(wú)法正常垂直頂推船舶，且由于船尾拖輪的距離限制，當(dāng)拖船偏轉(zhuǎn)角度過(guò)大時(shí)，需要解拖船以免導(dǎo)管架碰撞到拖船。這大大增加引了航員的操作難度，甚至有可能引發(fā)安全事故。因此在拖航過(guò)程中，保持適當(dāng)?shù)暮剿偈鞘种匾摹?/p>

2.4 保持風(fēng)流壓差的措施

風(fēng)中航跡線與真航向線的夾角叫作風(fēng)壓差角，簡(jiǎn)稱風(fēng)壓差，流中航跡線與真航向線的夾角叫作流壓差角，簡(jiǎn)稱流壓差[9]。風(fēng)流壓差的大小對(duì)船舶的航向、航速以及穩(wěn)定性都有著重要的影響。對(duì)于超大型駁船來(lái)講，風(fēng)流壓差角過(guò)大時(shí)，會(huì)增加駁船的偏離角度，從而影響船舶的航向穩(wěn)定性。風(fēng)流壓差過(guò)小則會(huì)影響船舶的操縱性和控制船位的能力。

在拖帶組順利通過(guò)赤灣航道后，需進(jìn)行轉(zhuǎn)向前往銅鼓航道，并通過(guò)該航道前往廣州港。在此過(guò)程中，需要考慮風(fēng)流壓差這一重要因素，適當(dāng)?shù)娘L(fēng)流壓差可以減小船舶阻力以及風(fēng)浪的影響，以確保整個(gè)拖帶組在新航向上的穩(wěn)定性。

（1）適當(dāng)調(diào)整載荷分布

拖航過(guò)程中，駁船的吃水及縱傾會(huì)影響風(fēng)流壓差，根據(jù)具體情況調(diào)整配載來(lái)改變船舶縱傾，可平衡作用在船體上的風(fēng)壓與流壓，提高船舶的航向穩(wěn)定性。此外，研究表明當(dāng)吃水深度較淺時(shí)，拖航作業(yè)整體的阻力較小，但是航向穩(wěn)定性會(huì)相應(yīng)降低；反之，航向穩(wěn)定性會(huì)相應(yīng)提高[10]。

（2）調(diào)節(jié)拖纜張力

在拖航過(guò)程中，拖纜的張力會(huì)影響風(fēng)流壓差。適當(dāng)調(diào)整拖纜張力，可以降低風(fēng)壓對(duì)船體的影響，提高航向穩(wěn)定性。在實(shí)際操作中，可以通過(guò)調(diào)整主拖船與駁船間的距離、改變拖纜的角度等方法來(lái)調(diào)整拖纜張力。

（3）實(shí)時(shí)關(guān)注風(fēng)流條件

實(shí)時(shí)收集水文氣象數(shù)據(jù)，并提前預(yù)測(cè)風(fēng)流的變化趨勢(shì)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)風(fēng)流壓差角進(jìn)行定量預(yù)測(cè)，提前采取相應(yīng)的措施，確保風(fēng)流壓差保持在安全范圍內(nèi)。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)超大型無(wú)動(dòng)力駁船“海洋石油228”裝載“恩平20-4”石油導(dǎo)管架通過(guò)赤灣航道的引航過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)分析與總結(jié)，得到結(jié)論如下：

1）根據(jù)對(duì)船舶所受阻力以及導(dǎo)管架所受橫向力的計(jì)算，可以確定超大型駁船受風(fēng)流影響較大，易引起偏蕩，最好選擇頂風(fēng)出港。

2）整體的拖航速度應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況控制在合適的速度以下，來(lái)保證駁船兩側(cè)的拖船可垂直頂推，從而最大限度避免駁船的偏蕩。

3）合理地控制好船速以及引航員與拖船組精確及時(shí)的配合對(duì)保證安全通航十分重要，可以有效規(guī)避淺水效應(yīng)以及岸壁效應(yīng)的影響。

4）適當(dāng)調(diào)整載荷分布、調(diào)節(jié)拖纜張力以及提前預(yù)測(cè)風(fēng)流壓差角等措施，可以保證整個(gè)拖帶組在航向上的穩(wěn)定性。

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作者簡(jiǎn)介：

閻濤，高級(jí)引航員，主要從事船舶引航，13510031666

王京奎，一級(jí)引航員

夏明宇，大連海事大學(xué)航海學(xué)院研究生