浅谈港作拖船配置

张 勇

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

港作拖船是拖船的一种，用于拖（推）动大中型运输船舶，协助船舶进出港口、调头、靠离码头和移位等，也可用作港口人员的交通船和少量物品运送，在港口作业中，发挥着重要作用。港作拖船配置是港口工程设计的一项重要内容，合理的港作拖船配置不但要充分保证进出港船舶的安全作业，而且要满足经济性。

港作拖船的配置通常按照交通运输部的行业标准JTJ211—99《海港总平面设计规范》[1]给出的经验公式设计，在工程实践中，对于某些重要的项目，常常通过船舶操纵仿真模拟试验确定。我国规范给出的经验公式主要以进出港船舶的载重吨为基础，而影响港作船舶配置的因素还包括船舶类型、自然条件、码头条件等。因此，规范给出的经验公式过于简单，依据其计算结果配置的拖船在功率上和数量上往往不能满足港口运营的实际需要。国外有关协会或企业对港作拖船的配置做了比较全面、深入的研究，包括船舶特点、自然条件和码头条件等对港作拖船配置的影响。本文介绍了我国规范和国外有关协会对港作拖船配置的规定或建议，供我国港口工程技术人员在港作拖船配置设计时参考。

1 港作拖船的现状及发展趋势

港作拖轮在功能上分为双桨双舵拖轮、全回转拖轮、单机拖轮，等等。全回转拖轮马力大，机驾合一，操纵灵活，一般配有两套可360°转动的推进装置，浆舵功能合一，回转半径极小。更有一些大马力港作拖船，还配有艏、艉侧推器以获得更好的操控能力。此外，港作拖船具有灵活机动的拖带方式，可进行艉拖、旁拖、艏拖和顶推作业，配有相应的拖钩、旁拖系缆桩、艏拖绞车和顶推护舷等[2]。

根据2009—2010年拖船建造的情况，目前大马力港作拖船主要集中在3 000~4 500 kW。广州番禺粤新造船有限公司建造的6 393 kW全回转拖船是为美国潮水公司建造，是目前国内建造的最大的全回转拖船（见图1）。

图1 6 393 kW全回转港作拖船

近年来，随着任务需求和工作特点的不断延伸、变化，港作拖船得到了快速发展，正向大功率、多功能化、智能化、良好的机动性方向发展。船舶的大吨位、大型化趋势日益明显，使港作大功率拖船的需求不断增加。为提高港作拖船使用的经济性，港作拖船设计普遍追求有多用途、多功能，最常见的是配置消防功能，以兼作消防船使用。针对北方地区气候寒冷的特点，北方港口使用的港作拖船常兼有破冰功能。此外，部分港口的港作拖船还兼有环保、护航、清道和巡逻的功能，在港口发挥着重要作用。另外，为满足风浪较大港口的辅助作业要求，产生了新型抗风浪全回转港作拖船，主要是在港作拖船的纵中位置设置止摇的外龙骨，并取消艉分水中，可得到较好的耐波性[3]。

2 影响港作拖船配置的主要因素

影响港作拖船配置的主要因素有以下几个方面：

1）港口特点：包括进出港航道，制动距离，口门、回旋水域、港池、码头布置，船坞、桥梁、水深、航速条件等。

2）码头结构：透空式或实体式。

3）进出港船舶特点：船舶的类型、尺度（载重吨或排水量）、吃水、龙骨下富余水深、受风面积、发动机位置、推进器类型、操纵性能、是否有侧推装置等。

4）环境条件：包括风、潮流、波浪、能见度等。

5）拖船协助船舶作业方式：单缆拖带、船侧辅助，还是联合辅助等。

3 港作拖船的配置

港作拖船配置的主要内容包括确定需要的拖船总拖力、拖船数量和拖船规格，其中最关键的是拖船总拖力。国内外对港作拖船的配置都有相应的规范、标准或设计指南。相对来讲，我国规范主要采用经验方式近似估算所需拖船总功率，但对作业条件没有说明，特别是船速的大小和作业条件（风流力大小及风流舷角）对所需拖船功率的影响。国外的一些设计指南详细分析研究了环境条件（风、浪、流）、码头结构类型、船舶特点等因素对拖船配置的影响，给出的港作拖船配置公式、图表更加科学、合理，更符合实际情况，值得我们借鉴。

3.1 我国交通行业标准对港作拖船配置的规定

我国交通行业标准JTJ211—99第4.9节对港作拖船的配置做出规定。其中4.9.3规定：港作拖船所需的总功率，应根据进出港船舶的载重吨位按下式计算：

式中：总功率为所需港作拖船总功率，kW；k为系数，DWT≤20 000 t时，取 0.075，20 000 t＜DWT≤50 000 t时，取0.060，DWT＞50 000 t时，取0.050；Q为进出港设计船型的载重吨。

由上述规定和给出的经验公式可以看出，港作拖船所需的总功率以进出港船舶的载重吨为基础，按照船舶吨级的不同选用相应的系数。公式并没有考虑船舶特点、环境条件、码头类型等对港作拖船配置的影响。我国规范给出的是经验公式，而且自1999年发布后一直使用至今。但近年来，国际船队大型化发展趋势明显，新型、先进的船舶不断出现，越来越多的码头建设在开敞海域，加之港作拖船的性能也在不断改进，这些变化都对港作拖船的配置产生着重大影响。如26.6万m3液化天然气船舶的船型尺度与30万吨级油船的船型尺度相近，但其载重吨仅为油船的一半左右。按我国规范计算，前者配置的港作拖船总功率和数量仅为后者的一半，这显然是不合理的。船舶操纵仿真模拟结果和我国已投产的广东大鹏液化天然气码头的实际作业情况表明，液化天然气船舶与船型尺度相近的油船靠离泊所需的港作拖船总功率相差不是太大。因此，目前简单地根据国内规范公式计算得出的港作拖船所需总功率配置的港作拖船常常不能适应生产需要。

3.2 国外行业协会或企业对港作拖船配置的规定

国外行业协会或企业对港作拖船的配置规定各不相同。国际航海协会（the Nautical Institute）出版的《拖船在港口中的应用》（“TUGUSEINPORT”[4]）详细研究了影响港作拖船配置的各种因素，并给出了所需总拖力的计算方法，在国际上应用较广。

3.2.1 港作拖船配置影响因素分析

影响港作拖船配置的5大因素中最关键的是进出港船舶特点和环境条件。船舶特点决定了船舶的尺度、载重吨或排水量、推进器位置和性能等，是港作拖船配置的前提和基础；风、浪、流等环境条件是决定所需拖船总拖力的外部条件，允许作业的风、浪、流越大，需要的拖船总拖力也越大。

港作拖船的总拖力原则上应该足以补偿作用在船舶上的由风、浪、流产生的总外力。当分析作用在船舶上的总外力时，需要考虑下面几点因素：

1）港作拖船在拖/推船舶抵抗风、流作用或者快速协助船舶制动时要有充分的富裕拖力；

2）港作拖船并不能保证一直按照合理的角度辅助船舶操作；

3）由于缆绳磨损或缠绕，不能完全达到缆绳设计拖力；

4）由于风、流造成船舶运动，特别是回转，使船艏和船艉的拖船经常不能同时发挥最大的功率；

5）单缆拖船推进器带动的水体撞击船体而降低了拖/推的效力。

因此，在计算风、浪、流作用在船舶上的外力时，需要考虑一个特殊的安全系数来确定所需要的总拖力，根据经验该富裕系数通常取20%。后述图表中所需拖船拖力已包含20%的富裕值。

①作用在船舶上的风荷载。可按下式计算：

式中：Fyw，Fxw分别为作用在船舶上的计算风压力的横向和纵向风力，N；Mxyw为作用在船舶上的回转力矩，N·m；Cyw，Cxw，Cxyw分别为横向、纵向和回转风力系数；ρ为水的密度，kg/m3；V为设计风速，m/s；AL，AT分别为船体水面以上横向和纵向受风面积，m2；LBP为船舶的垂线间长，m。

纵向、横向和回转风力系数与船舶形状、吃水、上部结构等有关。受风面积计算时还需要考虑船舶甲板上装载货物的面积。

在计算需要的拖船拖力时，横向风力常常是最大和最重要的。通常情况下，Cyw介于0.8～1.0之间。如果Cyw取1.0，空气密度取1.28 kg/m3，则横向风力公式可以简化为：Fyw=0.065V2AL，kg。

阿里很不高兴，但是罗爹爹的话他也是必须听的。因为母亲每天都会跟他说：“阿里，要听罗爹爹的话哦。罗爹爹有功夫，一个巴掌下去，能把肚皮打爆。那你什么东西都吃不成了。”今天虽然没有母亲说这番话，阿里似乎还是记得。他赶紧捂了一下肚皮。

考虑20%～25%的安全富余，则克服横向风力所需的拖船拖力估算公式如下：

由此，图2给出了单缆拖带或船侧长缆拖带时克服风力所需的拖船拖力。

图2 克服横向风力所需拖船拖力

②作用在船舶上的水流力。根据OCIMF（石油公司国际海事论坛）出版的设计指南，作用在船舶上的水流力可按下式计算：

式中：Fyc，Fxc分别为水流对船舶的横向和纵向分力，N；Mxyc为作用在船舶上的回转力矩，N·m；Cyc，Cxc，Cxyc分别为横向、纵向和回转分力系数；ρ为水的密度，kg/m3；V为设计流速，m/s；T为船舶吃水，m；LBP为船舶的垂线间长，m。

纵向、横向和回转分力系数除与船舶形状、吃水、上部结构特点等有关外，还和船舶的龙骨下富余深度有较大的关系，见图3。可以看出，随着龙骨下富余水深的减小，水流力显著加大。

图4给出了单缆拖带或船侧长缆拖带时克服作用在船舶上的横向水流力所需拖船拖力的参考值。

③作用在船舶上的波浪力。这里所说的波浪力并不指开敞式海域的长周期波浪或涌浪产生的，而是有掩护海域的港作拖船可以安全辅助船舶作业的短周期风浪产生的波浪力。作用在船舶上的波浪力可按下式估算：

考虑25%的安全富余度后，上式可简化为：Fwave=112·，kg。

根据上述公式，图5给出了克服横向波浪力所需的拖船拖力。

④港作拖船带动的水体产生的影响。港作拖船推进器带动的水体对船体的撞击作用将会降低港作拖船的推/拖效力。船舶的龙骨下富余深度越小，效率降低越明显，需要的拖船拖力也就越大。

3.2.2 需要的港作拖船总拖力

3.2.2.1 按照环境条件计算的拖力

图2、图4、图5给出了克服横向风力、横向水流力和横向波浪力所需港作拖船的拖力。通过下面案例来说明如何应用这3个图表分析计算。

图3 龙骨下富余水深对水流力的影响

图4 克服横向水流力所需拖船拖力

图5 克服横向波浪力所需的拖船拖力

集装箱船舶：船长294 m，垂线间长281 m，型宽32 m，吃水12.5 m，水深13.8 m；集装箱顶面至水面高度22 m；向岸风风速30 kn；横流流速0.5 kn；横浪波高0.5 m。

由上述参数可得：水深/吃水=13.8/12.5=1.1，受风面积约294×22=6 500 m2，船体水下面积约281×12.5=3 500 m2，排水量 =75 000 t。

查图2、图4、图5克服横向风力、横向水流力和横向波浪力所需港作拖船的拖力分别为：117 t、42 t、8 t，则总拖力为167 t，即在上述风、浪、流条件下需要4艘系柱拖力至少40 t的拖船辅助作业。如果波浪和流速很小，仅在风的作用下，则4艘系柱拖力30 t的拖船或者2艘系柱拖力60 t的拖船就可以满足辅助作业要求。

大多数集装箱船、滚装船、液化气船都装备有船艏侧推器或者船艏和船艉侧推器。工程实践证明，侧推器能够明显地提高船舶低速时的操纵性能，所需的港作拖船的总拖力可根据船舶侧推器的功率适当减小。仍以上述集装箱船舶为例，如其船艏侧推器功率为1 865 kW，则所需港作拖船的总拖力可减小约28 t。此时，不考虑波浪和潮流的影响，只需要3艘拖力为30 t的拖船即可。

需要注意的是，船舶侧推器的效力随着船舶运动速度的加大而快速降低。当船速为2kn时，其效力约降低50%；当船速为4 kn时，侧推器基本无法发挥效力。因此，能否利用船舶侧推器的作用来减少拖船配置数量，需要根据港口情况、环境条件、船速、船舶龙骨下富余水深等综合确定。

3.2.2.2 按照船舶排水量计算的拖力

对于油船和散货船，可以根据其排水量按照下式估算需要的港作拖船总拖力：

按JTJ211—99计算的拖船总功率换算的总拖力比上式计算的总拖力偏小。

3.2.2.3 国外港口港作拖船数量和总拖力配置的经验统计

上述的港作拖船总拖力计算方法可作为设计使用，在实际生产操作中，绝大多数情况下都是根据船长和引水员的经验来确定需要的港作拖船数量和拖力。大型船舶和复杂海况环境进出港时，有时需要引水员、港务管理部分单独研究确定拖船辅助方案，必要时可通过船舶操纵仿真模拟试验确定。

图6、图7、图8给出了国外一些港口件杂货船、集装箱船、油船、散货船靠离泊作业时需要的港作拖船的数量和总拖力的统计结果。图中上面一条实线表示在复杂环境、操作困难情况下的港作拖船的数量和总拖力，下面一条实线表示海域环境较好情况下的港作拖船的数量和总拖力。需要说明的是，船舶离泊或者船舶压载、轻载时，拖船数量和总拖力可适当减少。当船舶有船艏侧推器或船艉侧推器时，港作拖船的数量也可适当减少。

图6 集装箱船舶和件杂货船舶靠离泊时所需港作拖船总拖力和数量配置

图7 油船和散货船靠离泊时所需港作拖船总拖力和数量配置（以船长为基础）

图8 油船和散货船靠离泊时所需港作拖船总拖力和数量配置（以载重吨为基础）

4 结语

港作拖船的配置是港口工程设计的重要内容。影响港作拖船配置的主要因素包括港口特点、码头结构、进出港船舶特点、环境条件、拖船辅助方式等。

我国交通行业规范对港作拖船配置的规定比较简单，主要是以船舶载重吨为基础按照经验公式估算所需拖船总功率，没有考虑船舶特点、环境条件等因素。按此规定配置的拖船常常不能满足港口作业的实际需要。国际航海协会出版的《拖船在港口中的应用》详细研究了影响港作拖船配置的各种因素，给出了所需总拖力的计算方法和参考图表，也给出了国外一些港口件杂货船、集装箱船、油船、散货船靠离泊作业时需要的港作拖船的数量和总拖力的统计结果，值得我们借鉴或参考。

[1] JTJ211—99，海港总平面设计规范[S].

[2] 傅华.国内外拖船的现状及发展趋势[J].船舶，2010（4）：12-16.

[3] 王少青，李明武.浅谈港作拖船建造的设计特点[C]//中国造船工程学会.2008中国大连国际海事论坛论文集.大连：大连海事大学出版社，2009.

[4]Captain Henk Hensen，FNI.TUGUSE IN PORT[M].England：The Nautical Insititue，1997.