吴卫兵，王 越

(大连海事大学，辽宁 大连 116026)



船艉靠泊码头的抗风操纵方法

吴卫兵，王 越

(大连海事大学，辽宁 大连 116026)

依据某船舶成功抗风靠泊码头的事例，分析风的作用、缆绳和锚链的受力情况以及对应的船舶姿态的变化，总结出车、舵、侧推器相配合的抗风操纵方法和注意事项。

船艉靠泊；锚链；缆绳；抗风；侧推器；操纵方法

绝大部分船舶靠泊都以左右舷靠泊为主，但是对于一些特种船舶，如重大件运输船、半潜船等，考虑到其装卸货方法的特殊性，经常需要船艉靠泊。绝大多数的船舶抗风研究局限在船舶航行、锚泊和舷靠码头时，且很多学者将船舶的航行抗风能力、船舶在大风天气条件下的运动姿态作为研究的重点[1-4]。也有关于海上建筑物、船舶上层建筑的风载荷的相关的研究[5-6]，以及对航行船舶和舷侧靠泊的船舶抗风方法进行的研究[7-8]。对于船艉靠泊码头时的船舶抗风操纵的研究非常少。

船艉靠泊对于一些特种船舶因其特殊的装卸货作业方式而经常使用。如图1所示，船艉靠泊时通常依靠船舶自身缆绳来控制船艉的运动，而船艏主要依靠锚和锚链来控制船艏的运动，在抗风期间虽然也会增加船艏与码头之间的连接缆绳，但是因缆绳长度太长，缆车的功率有限，很难让缆绳均匀受力等因素导致船艏的缆绳作用有限。如遇风力强且风向接近正横，船舶2舷还有他船靠泊的情况，仅仅依靠锚链和缆绳的作用来控制船舶是很难实现的。因此，必须正确地操纵船舶自身的车、舵、侧推来配合锚链和缆绳进行操纵，以达到控制船舶的目的。一旦操纵不慎将会出现断缆导致船舶与码头或他船发生碰撞的事故。为此从一起抗风靠泊事例出发，分析船舶受力，总结船艉靠泊时船舶抗风的操纵方法和注意事项。

图1 船尾靠泊示意

1 船艉靠泊抗风案例

“海洋石油225轮”(以下简称225轮)为艏驾驶楼型甲板重大件运输船，船长153.2 m；船宽38 m；载重量17 289.18 t；双车，功率2×3 089 kW；双舵；配有首侧推，功率为350 kW，实际艏推功率只能利用到50%左右。225轮船艉在靠泊天津海工码头，装载海上钻井平台上的生活楼和电器间模块期间，遇到最大风力达到九级，阵风十级的横风。

泊位情况见图2，225轮左舷距离浮吊船“滨海108轮”(以下简称108轮)右舷约10 m，右舷为上风舷且与它船距离较大，不存在危险。225轮装载的2个大型模块已经上船，且生活楼模块上的飞机平台伸出左舷舷边约8 m，高度与108轮的主作业吊机的吊臂相差不大。225船艉缆绳为船舶自身缆绳，左右2舷共4根缆绳(见图中1中①②③④)为码头缆绳，由码头绞车控制。做抗风准备时，225轮船艏增加了1根船上缆绳(图2中⑤)。

图2 泊位示意

海工一号码头走向接近东西向，当时风向为偏西风。约05:00时风力约6级，此时船艏开始有偏转，锚链的作用力能使船艏左右转的角度能控制在一定范围内。108轮处于225轮的下风舷，船长较225轮小50 m左右，因此108轮受到的风作用力小，船艏出现偏转的幅度很小。当225轮船首转到最左侧时2船船舷之间的距离约8 m。风力逐渐增强，约12:00时，风力约8级，225轮船艏向左偏转的幅度越来越大，操纵侧推全速向右，在缆绳和锚链的作用力下基本能使船艏稳定。2船船舷之间的距离约5 m，225轮的生活楼飞机平台与108轮吊臂的距离最近约3 m，船艉左舷已经接触到码头的碰垫。风力还在继续增强，因码头系泊绞车功率有限，船艏右侧的码头系泊缆绳已经无法绞紧刹牢，因此225轮船艏再增加一根缆绳(见图2⑥)，但是船上绞车也无法将船艏向右绞动，只是依靠缆车的刹车力对船艏能施加一定的控制力。船艉增加向右的3根的缆绳(见图2⑦)，右车微速倒车，侧推全速向右，在锚链和缆绳的共同作用下，基本能控制船首继续向左转。约14:00时，风力达到九级，阵风十级，实测最大风速达到27.5 m/s。右车后退一，勉强能控制船艏偏转，但是风暴潮情况下的高潮潮高使船艉封板高出码头面，不能继续倒车，否则船艉将坐在码头上。左车前进一，右满舵，基本可以控制船艏偏转，且船艉左舷离开码头约1 m的距离。约14:30时风力开始有减小的趋势，减车直至停车，停侧推，最后调整锚链和缆绳使船舶回到最初位置。

2 风作用下的船舶姿态

运动中的船舶受风影响主要表现在船速发生变化，船体向下风产生漂移，同时船艏将向上风或下风偏转，靠泊中的船舶必须依靠缆绳、车、舵、侧推、锚及锚链等来抵消作用于船体水线以上部分所受到的空气动压力才能保证船舶靠泊安全。

计算横向风压力方法很多，如美国海军设计手册(MIL-HDBK)、挪威特朗海姆大学公式，以及石油公司海事论坛(OCIMF)提供的公式等。《港口工程荷载规范》(JTJ215—98)在10.1.2中提出“风、浪和流比较复杂的开敞式码头水域，作用在固定式系船、靠船结构上的船舶荷载应通过数学模型计算或物理模型试验确定”[8]。这里采用应用较为广泛的OCIMF计算式[9]。

(1)

式中：FXw为横向风压力,kN；CXw为横向风力阻尼系数,按图3求取；ρw为空气密度,t/m3；Vw为风速的横向分量,m/s；AL为船体水面以上横向受风面积,m2。

图3 风力阻尼系数(CXw)

结合225轮实际情况，各参数取值情况如下。

查图3曲线得横向风力阻尼系数CXw=0.8;

空气密度ρw取标准空气密度0.013 t/m3;

风速Vw取实测最大风速27.5 m/s;

因风向为右正横,按照225轮实际货物尺寸以及船体参数计算得到AL=1 399.4 m2。

综合以上取值代入式(1)，得到225轮受到的横向风压力为FXw≈550 kN。

当船舶右舷受横风影响时，如图4所示，右舷缆绳和锚链将被拉伸，双锚链方向将向右转，一旦缆绳和锚链对船舶的作用力能够抵消作用到船舶上的外力时，船舶将达到平衡状态，否则船舶将继续向下风方向漂移。

图4 横风影响下的船舶姿态示意

抛锚靠泊过程中要时刻调整船舶位置，因此不可能绝对保证双锚链是严格的直线，锚链或多或少的会出现弯曲现象，当船舶收到外力作用后，随着锚链受力越来越大，近船端的锚链将被拉直，如外力一直增加则被拉直的锚链越来越长，船首将向下风漂移，如船首受到的横风作用力足够大，导致侧推力、缆绳和拖轮所有的外力不足以抵消风压力，船舶将向下风漂移，并且挣脱锚链及锚的抓力，造成拖锚现象的发生。

缆绳在拉力的作用下会伸长，其伸长率取决于缆绳的弹性模量[10]：

(2)

式中：ε为缆绳的伸长率；P为外力；E为弹性模量；F为缆绳横截面积。

当外力加强时，缆绳的伸长率将增加，缆绳将被拉长，当外力一直增加致使缆绳伸长率达到破断值，将出现断缆现象。如出现一根缆绳的破断，则其他缆绳的伸长率将瞬间增加，很可能导致其他缆绳短时间内相继破断。

3 车舵和侧推与缆绳的配合操纵方法

双车船在回转过程中由于2桨距回转中心的距离不同，引起2桨的来流速度不同，导致螺旋桨的进速系数也不同，使得2桨的推力产生差异，从而产生转艏力矩[11-12]。双车船使用单车时会造成船舶的偏转，船越宽，使用舵配合单车导致的偏转现象就越明显。如船艉靠泊的船舶用单车配合的抗风过程中，借助舵可以将螺旋桨推力的一部分转换成横向力。225轮抗风过程中使用右车倒车，在船艉方向向右的缆绳的拉力和锚链拉力的共同作用下，有一部分的倒车力转化成船艏向右的横向力来抵消一部分横风作用力；同理左车进车，加之右舵，在船艉方向向右的缆绳的作用力下，也有一部分的推力转化成船艏向右的力。进车抗风，船尾缆绳尤其是方向向右的缆绳受力非常大。225船在抗风过程中优先选择使用了右车倒车，左车进车是在潮高不允许的情况下才采取的措施，主要是因为当时船舶左舷船尾已经贴靠码头，这样右车倒车的倒车力有一部分是不需要缆绳来承担的，而是直接作用在码头上的，这样能减小缆绳和锚链的受力程度，使断缆或断链的可能性减小。一般情况下，锚链的破断负荷要远大于缆绳，因此即使是左舷没有贴靠码头的情况也应优先选择倒车。

侧推器的使用主要是控制船艏的偏转运动，其作用力直接为横向作用力可以直接抵消掉一部分横风作用力。因此在抗风过程中首先考虑使用侧推，如侧推不足以控制船艏的偏转，再考虑使用车舵。

4 船艉靠泊抗风操纵的注意事项

1)大风来临之前，应尽量增加缆绳的数量，且尽可能让所有缆绳均匀受力。一旦大风来临要调整缆绳的受力会很困难且很危险。

2)将双锚链尽量收紧，让船艉尽可能离开码头3～5 m的距离。因为受大风影响，锚链将会拉直，上风舷锚链角度将会增加，下风舷锚链角度会减小甚至过船艏，这样船舶会有一定的后退和偏转现象，偏转的角度越大则锚链作用力能抵消的横风作用力也越大。如有可能在大风来临前解缆起锚重新靠泊，则应增加上风舷锚链的偏开角度，减小下风舷锚链角度或下风舷抛直锚，以便在受横风作用后双锚链拉力的横向力能较大程度地抵抗横风作用力。

3)使用车舵和侧推配合时，首先考虑使用侧推，再考虑使用车舵，如必须使用车舵时也应优先考虑使用倒车。

4)车舵和侧推配合操纵时，逐渐加车至能稳定住船舶即可，如将船舶控制到起初位置，则船舶需要的推力和侧推力就会增加，从而导致缆绳和锚链受力过大，容易出现断缆或断链的情况。

5)长时间用车和侧推配合操纵时，应要求轮机长在机舱值守，并督促轮机员注意设备的工况，出现问题及时汇报。尤其是主机，因为长时间高负荷工作容易造成排烟温度升高，必要且可行时应左右车交替使用。

6)抗风过程中如出现断缆现象，依靠船舶自身能力控制船舶基本不可能实现，因此建议在需要用车之前与岸基相关应急部门或人员取得联系，争取岸基支持。

7)船艉靠泊抵抗八级以上的横风是很危险的，因此在大风来临前如能将船舶转移至锚地避风将更为稳妥。如实在无法离泊也应要求码头相关部门确保本船与2舷的他船有足够的安全距离并采取增加缆绳等其他必要的措施。

8)单车船舶船艉靠泊抗风时车舵的操纵方法与双车船类似。但单车船螺旋桨位于船中，其推力转换成抵抗横风的作用力相对较小，倒车的偏转效应也很差，因此可能需要用较大的进车配合舵才能实现抵消横风作用力的目的，此时尤其应注意各缆绳的受力情况，以防断缆。

[1] 杨兴晏.船舶风荷载算法的比较研究[J].港工技术,2006(2):12-13.

[2] 蔡文山.船舶风载荷研究现状及计算方法比较[J].上海船舶运输科学研究所学报,2013(4)：1-6，19.

[3] 杨兴晏,陈敏.关于船舶受风面积计算方法的探讨.[J].港工技术,2013(1):19-21.

[4] 施国良,李建新.浅议海上船舶的抗风等级[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] 交通部第一航务工程勘察设计院有限公司，交通部第二航务工程勘察设计院有限公司.港口工程荷载规范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] 刘正江.船用缆绳强度的计算[J].大连海事大学学报,1992(3)：255-260.

[11] 胡晓芳,陈松林.基于螺旋桨负荷特性的双桨船操纵性预报[J].中国舰船研究,2014(2):17-21.

[12] 吴恒.船舶动力装置技术管理[M].大连:大连海事大学出版社，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

中央高校基本科研业务专项资金 (3132015014)

吴卫兵 (1979—),男,硕士，副教授

研究方向：航海技术

U675.5

A

1671-7953(2017)04-0202-04

修回日期：2016-12-26