超大型船舶靠离泊操纵中拖轮助操

第14卷　第3期集美大学学报(自然科学版)Vol .14　No .3 2009年7月Journal of J i m ei University (Natural Science )Jul .2009 [收稿日期]2008-06-30 [修回日期]2008-11-10[作者简介]熊振南(1965—),男,副教授,从事航海技术研究.[文章编号]1007-7405(2009)03-0260-05超大型船舶靠离泊操纵中拖轮助操的应用熊振南,翁跃宗,张寿桂(集美大学航海学院,福建厦门361021)[摘要]在码头工程通航环境安全评估的专题研究中,应用日本MMG 分离建模方法,建立超大型船舶操纵运动的仿真模型;根据超大型船舶操纵运动的特性,给出了超大型船舶靠离泊操纵中所需拖轮数量、配备要求和具体的助操方法.在此基础上,运用大型船舶操纵模拟器,对3×105t 级超大型油轮靠离泊操纵中拖轮的应用进行了仿真试验,仿真结果为超大型船舶在靠离泊过程中拖轮的协调应用提供了科学依据.[关键词]超大型船舶;靠离泊操纵;拖轮助操;船舶操纵模拟器[中图分类号]U 661133[文献标志码]A0　引言在超大型船舶靠离泊过程中,由于码头前沿水域平面条件和水深条件的限制以及超大型船舶载质量大、吃水深、尺度大、惯性大、冲程大,受风流的影响大、运动状态不易控制等特点,使得超大型船舶在靠离泊操纵时必须配备足够数量或功率的拖轮协助船舶操纵,并且操作方法必须合理有效,以确保码头以及超大型船舶靠离泊操纵的安全.但是,目前国内各港口对于超大型船舶拖轮的配备和协调联系方法没有统一的规定,各自都是按照自己的习惯做法配备和联系拖轮.本文结合“天津港南一泊位3×105t 级油轮减载通航安全模拟试验”课题项目,运用大型船舶操纵模拟器对超大型船舶靠离泊操纵作业中拖轮的配备数量和功率进行了分析,并且对驾引人员和拖轮的联系方法等问题进行了探讨.1　船舶操纵数学模型船舶运动数学模型是船舶操纵模拟器的核心部分,也直接关系到仿真结果的可信度.在描述船舶操纵运动时,一般取图1所示的两种平面直角坐标系,即空间固定坐标系X 0O Y 0和随船运动坐标系xGy (G 为船舶重心).在图1中,X,Y 为作用于船体上的外力,N 为作用于船体上的外力矩;u,v 分别为船舶运动的速度分量,r为船舶运动的转首角速度;φ为航向角;δ为舵角;u a 、v a 分别为绝对风速和相对风速;φa ,αa 分别为绝对风弦角和相对风舷角;u c 、φc 分别为流速角和流向角;β为漂角.本数学模型主要考虑船舶的平面运动,忽略船舶横摇、纵摇及垂荡对操纵运动的影响.并假设船舶的操纵运动是准定常的,认为水动力与频率无关,不考虑波浪　第3期熊振南,等:超大型船舶靠离泊操纵中拖轮助操的应用的影响,水的自由表面作刚性壁处理,采用下列操纵运动方程式:(m +m x ) u -(m +m y )vr =X P +X R +X A +X H +X O ,(m +m y ) v +(m +m x )u r =X P +X R +X A +X H +X O ,(I zz +J zz ) r =N H -X G Y H +N P +N R +N A +N O ,2π(I PP +J PP ) n =Q E +Q P +Q F ,T E δ+δ=δE ,(1)其中:m 为船舶质量;m x 和m y 为X 向、Y 向船体附连质量;I zz 为船体自身绕Z 轴的转动惯性矩,J zz 为附加惯性矩;I PP 、J PP 分为桨及轴系的转动惯性矩和附加惯性矩;Q E 为主机发出的转矩;Q P 为螺旋桨消耗的转矩;Q F 为轴系摩擦消耗的转矩;δE 为命令舵角;T E 为舵机时间常数;X G 为船重心坐标,在船中前为正,船中后为负.式(1)中各量下标含义为:H 表示船体;P 为螺旋桨;R 表示舵;A 为风;O 为船体.对于舵机,通常还有δ≤35°, δ≤3°/s 的限制.由于模型试验求取船体的水动力导数是取船中心作为坐标原点的,所以式(1)将把对船中的力矩转换为对船重心的力矩.按照作用在船体上各水动力的不同属性,船舶操纵运动模型可以由船体水动力模型、外界水动力模型、操纵设备力模型及其他力学模型组成[1].2　超大型船舶靠离泊操纵拖轮助操的应用211　超大型船舶靠离泊操纵所需拖轮的总功率港作拖轮所需的总功率,可以根据进出港船舶的载质量吨位按下列经验公式计算:BHP =kQ,式中:BHP —所需港作拖船总功率(k W );Q —进出港设计船型的载质量吨(t );k —系数.当D W T (Dead W eight T onnage,载质量吨)≤20000t 时,k 取01075;当20000t <DW T ≤50000t 时,k 取01060;当D W T >50000t 时,k 取01050.为控制3×105t 油船,需要拖轮的总功率为:BHP =01050×300000=15000(k W ).212　超大型船舶靠离泊操纵拖轮数量的估算表1　拖船功率与拖力换算Ta b .1　Co nve rsi o n o f tug πs pow e r a nd f o rce 类型进车/k N 倒车/k N CPP 型17.69.50VSP 型12.711.20Z 型20.018.20船舶匀速横向靠泊过程中拖船推力的总和等于风动力与水动力的总和,港作拖船的推力(或拖力)与拖船的类型有关,拖船每100k W 功率发出的拖力如表1所示.船舶横向移动的水动力和风动力的估算公式为:Y w =1/2ρw L dv 2y ,Y a =73.6×10-5A y v 2a ξ,C w y =6.06-2.8H /d,(2)其中:Y w 为水动力;Y a 为风动力;C w y 为船舶横向移动水动力系数;ρw 为水的密度;L 为船长;v y 为船舶横移速度;A y 为船体水面以上横向受风面积;ξ为风压不均匀折减系数和相对风速;v a 为相对风速;d 为船舶吃水;H 为水深.按文献[2]的标准,大型船舶横向入泊速度不可超过0110m /s,按文献[3]的标准,1×105t 船舶横向入泊速度有掩护泊位时为0106～0108m /s,开敞式泊位时为0108～0115m /s .风压不均匀折减系数一般取1,油船的满、压载船体水面以上横向受风面积可按下式估算[3]:lg A y =0.485+0.5741lg DW ,lg A y =0.618+0.621lg DW ,(3)其中:DW (Dead W eight )为油船总载质量;A y 为控制3×105t 油船在风流中的横移.按Z 型推进器拖船计算所需的拖船功率见表2.・162・集美大学学报(自然科学版)第14卷表2　Z 型拖船功率估算表Tab.2　Pow e r e s ti m a te o f Z 2tug 风级风动力/N 流速/kn 水动力/N 拖轮功率/k W 61056.200.5119.995765.724285.950.227.641537.27238.880.227.64326.13213　超大型船舶靠离泊操纵拖轮助操的应用3×105t 级船舶惯性大,船舶操纵性能相对较差,因而拖轮的运用方式就十分重要,而且对于引航员来说,较好地同时控制5艘以上拖轮的作业也是新的课题.港内拖轮作业常用方法有吊拖、顶推2种.1)吊拖引航员根据港口码头前沿水域平面、水文气象和水深等条件,在使用拖轮协助大型船舶操纵时,一般由拖轮出缆系于大型船舶缆桩上进行助操.考虑到拖轮的有效拖力和操纵灵活性,一般拖缆的水平俯角不超过15°,即拖缆长度应大于被拖船拖缆出口至水面高度的4倍,如果该高度很低,拖缆长度也不应小于45m ,一般取拖轮长的2倍左右,但还需视实际操纵水域来确定.吊拖助操方式在港内作业使用较多,主要是协助大型船舶离泊.具体操作方法如图2所示.有时大型船舶进靠速度过快时,为发挥出拖轮的最大有效拖力,也采用这种方式减缓进靠速度,甚至把大型船舶拉停,重新调整进泊角度和船位.有时因水域限制,协助大型船舶掉头时也采用拖首顶尾或拖尾顶首的方式.有时,由于水域限制和过往船只过多,出缆长度无法达到上述要求时,只能采用带缆后拖轮紧贴大船船身拖拽的助操方法.吊拖具有能减少两船间的水阻力,充分发挥拖船的牵引力,可使用于长距离拖带和港内作业等优点.但其缺点是:若被拖船无动力,则很难准确控制停船;船队较长,往往在河道上影响其他船舶的航行;被拖船容易发生左右偏荡.2)顶推顶推方式主要是在拖轮助操时拖轮力作用点位置及方向处于经常变换的情况下使用.带缆方式有单首缆、双首缆和紧绑3种.港内拖船作业时一般都是由拖轮从船艏出单缆,顶推助操一般是靠泊时采用.两条拖轮时采用分别顶首顶尾的方法,带上缆绳主要是为了有利于在进泊过快时控制进靠速度,摆好船位和调整进靠角度.操作方法如图3所示.顶推不但可使大型船舶横移,还可使大型船舶转向,顶推位置离重心远时,大型船舶转动最为明显.除靠泊外,该法也适用于江河水上运输.把拖船的船头用缆索或专用装置系固于船驳的船尾来推动船驳前进,其航速较吊拖法提高10%～20%.3)驾驶人员与拖轮的联系驾引人员指令的下达与拖轮执行情况是否到位,直接关系到靠离泊的安全.尤其是在控制4艘以上拖轮助操的时候,驾引人员与拖轮之间需要密切配合.建议在助操过程中统一口令,以12点钟的・262・　第3期熊振南,等:超大型船舶靠离泊操纵中拖轮助操的应用方向控制拖轮的顶推与吊拖的方向.以船舶首尾方向为0点和6点;正横方向为3点和9点.方向统一后易于下达口令控制拖轮在12点钟方向内顶推或吊拖船舶(如图4所示).3　应用实例受天津港石油化工码头公司委托,集美大学航海学院课题组运用大型船舶操纵模拟器进行了“天津港南一泊位3×105t 级油轮减载通航安全模拟试验”的专题研究工作.其研究成果可作为天津港南一泊位3×105t 级油轮减载通航安全模拟试验码头工程和航道规划工程的依据.同时,该研究有助于当地海事主管机关、码头经营人对码头水域的通航安全有较全面的了解,为在该水域实施海上交通安全管理提供决策支持,规范航行秩序,确保船舶航行和码头营运的安全.课题组对3×105t 油轮靠离泊拖轮应用进行分析.模拟试验船型为VLCC (Very Large Crude Carrier,超大型油轮),排水量33583815m 3,船舶长度334m,船舶宽度58m,船舶满载吃水2016m,方型系数C b 为01850.模拟试验海区风、流设定如下,试验风速取值:极限风速6级(1515m /s ),风向045°和225°;试验潮流流速取极大值,即急涨潮流速115kn,流向281°,急落潮流速115kn,流向101°.在3位天津港高级引航员的亲自操纵和指导下共完成10次船舶顺靠作业(涨落流速115kn 、风力5～6级),其航迹分布如图5所示.试验表明,本工程3×105t 级油轮减载进港,入东突堤航速控制在5～6kn,在船尾适时带上3600k W 拖轮,和左右各2艘3600k W 拖轮(如图2所示),在距离泊位1n m ile 处利用船尾3600k W 拖轮制动,可以在南四泊位处将船舶余速控制在2kn 以内,但船尾拖轮的制动将占用较大的水域,根据模拟试验,建议南二泊位应保持清爽,不得停靠他船.若进东突堤船舶余速控制不力,或船舶受顺风、顺流的影响前冲速度过快,可以利用船尾左右两艘拖轮一起制动,以保证船舶和码头的安全.4　结论港口持续稳定的发展是沿海地区经济繁荣的基本保证.当前,各沿海城市的港口建设规模正日益扩大,新建了许多大型船舶靠泊码头,本文根据超大型船舶操纵运动的特性,给出了超大型船舶靠离泊操纵中所需拖轮数量、配备要求和具体的助操作方法.在此基础上,运用大型船舶操纵模拟器,根据码头所在地理位置、水文气象条件,利用拖轮协助操纵,对3×105t 级超大型油轮靠离泊操纵中拖轮应用进行多次实时动态仿真试验,并在对仿真试验的结果进行优化分析的基础上,得出所需的可行性方案,该方案对船长、引航员实际操船具有参考价值,为港口建设和超大型船舶的靠离泊问题的解决提供了科学的依据.・362・集美大学学报(自然科学版)第14卷[参考文献][1]史国友.船舶操纵安全综合评价系统[D ].大连:大连海事大学航海学院,1996.[2]日本海难防止协会.超大型船操船手引[M ].[出版地不详]:成山堂书店,1972.[3]中华人民共和国交通部.JTJ215-98　港口工程载荷规范[S].北京:人民交通出版社,1998.Appli ca ti on of Tug 2a ssisti n g i n Super 2si zed Sh i p πs Berth i n g and Unberth i n gX IONG Zhen 2nan,W ENG Yue 2z ong,ZHANG Shou 2gui(Navigati on I nstitute,J i m ei University,Xiamen 361021,China )Abstract:A mathe matical model of the super 2sized shi p maneuvering was set up based on the separate model building method of MMG and app lied t o the study of navigating safety evaluati on at harbor .The tug nu mber,required equi pment and assisting method were given for the super 2sized shi p πs berthing and un 2berthing,according t o its handling characteristic .Based on the above,the tug assisting method in berthing and unberthing si m ulati on test on the crude carrier of 3×105t was i m p le mented on shi p handling si m ulat or p latfor m.The results may p r ovide a scientific f oundati on f or tug unis onous assisting in the super 2sized shi p πs berthing and unberthing .Key words:super 2sized shi p;berthing and unberthing;tug 2assisting;shi p handling si m ulat or(责任编辑　陈　敏)・462・。