感潮港口超大型油船一潮双靠引航技术

王晓海 刘良柱 王发根

【摘 要】 为挖掘港口容量的最大潜力，分析超大型油船（VLCC）进港引航作业条件，提出感潮港口多泊位作业的关键技术及一潮双靠作业方案。以某原油码头VLCC一潮双靠引航为例，对一潮双靠引航方案进行技术论证。结果表明：在满足安全靠泊、编队安全航行、应急撤离等3个关键性和一定航速下的安全水深、拖船配备2个必要性的条件下，可以实现一潮双靠的引航作业，从而达到对目前港口最大容量潜力挖掘的目的，对提升港口效率、提高港口经济效益具有重要的现实意义。

【关键词】 超大型油船（VLCC）;感潮港口;一潮双靠;可行性分析;引航技术

0 引 言

随着我国跻身世界第二大经济体，经济发展势头迅猛，我国对原油的进口需求日益增长。在船舶大型化、追求最大蓝色经济的时代背景下，国内港口相关学术机构对港口潜力的挖掘进行了初步的探索和研究。一线引航人员与相关学术机构的共同努力实现了对日照港岚山港区昏影时段超大型油船（VLCC）乘潮靠泊最大作业时间线的挖掘。为进一步缓解港口通航能力不足的矛盾，提升港口效率，在限定的时间轴上，尝试提高VLCC的靠泊船次。许得力[1]结合VLCC的引航实践经验，对岚山港区实华码头大型船舶编队进港间距进行了探讨;岳金惢[2]在理论层面上讨论了岚山港区一潮两船引航方案的可行性。本文基于以往的研究与实践，系统地推演VLCC在同一高潮时段双靠泊作业方案，为挖掘现阶段下港口的最大通航能力提供借鉴依据。

1 感潮港口VLCC一潮双靠引航的条件

1.1 VLCC引航作业的通常条件

VLCC的质量大、吃水深、保向性差等自身特点导致其操纵性和通过性较差。另外，由于海洋环境对船舶所运载货物的极端敏感性，VLCC对驾引人员、通航环境以及港口效能等日常引航条件有着较高的要求。只有在人员、环境、港口效能都能达到VLCC引航通常条件要求的前提下，才能对VLCC进行引航作业。

1.2 VLCC靠泊安全要求

在同一高潮的窗口期实现VLCC一潮双靠，需要考虑VLCC的编队引航风险问题。基于人、机、环（境）、管（理）（MMEM）理论对VLCC双编队引航作业进行风险推演，在对单一VLCC的引航作业时，风险因子的耦合影响只发生在单一对象的风险系统中;而在对VLCC一潮双靠的引航作业中，由于两船在空间与时间维度上相联系，某个风险因子诱发的单一风险事件可能会导致两个风险系统的相继崩溃，从而引发严重的事故后果（见图1）。鉴于VLCC一潮双靠引航作业的高风险性和高复杂性，VLCC引航作业在满足通常条件的前提下，要切断空间与时间两个风险系统的耦合关联，即满足编队间的最小安全间距及VLCC各自进港靠泊窗口期两个关键性条件。这其中涉及VLCC编队引航作业的安全水深及港口拖船配备两个必要性条件。

1.3 应急撤离

鉴于VLCC一潮双靠作业的高风险性和高复杂性，当发生突发事件时，要能及时启动应急预案，确保两船安全撤离或避险。在应急撤离规划中，除了设置应急锚地外，还应考虑到VLCC航行在周边航道水域水深无法满足其偏离航道进行应急避险时，以及在前船发生事故时可能产生的连锁效应。因此，科学合理地规划应急撤离方案也是VLCC一潮双靠可行性的关键性条件之一。

2 感潮港口一潮时段VLCC引航 关键技术

2.1 VLCC安全靠泊技术

VLCC引航作业可以分为3个阶段：（1）港内航道航行至航道末端为第一阶段;（2）从进入港池在拖船的辅助下操纵船舶至距泊位2倍船宽时与泊位平行为第二阶段;（3）从平行于泊位并缓慢靠近至靠泊结束为第三阶段。

通常，第二阶段用时为30～40 min，鉴于流速是满载VLCC运动状态的主要影响因素，该阶段要求在高平流或缓流的窗口期进行;由于涉及复杂的船舶姿态调整，此时应避免两艘VLCC在港池内同时进行该阶段的作业;为保证两船在空间距离上的安全余量，还需要隔开一个泊位进行靠泊作业。

在进入第三阶段后，船舶以小于5 cm/s的速度缓慢贴近泊位，此时船舶状态较第二阶段容易控制，对周围环境可容忍的安全余量较大。因此，第二阶段是定义VLCC靠泊窗口期的关键节点。

2.2 VLCC编队安全航行技术

航道内的最小安全间距分为时间上的安全时距与空间上的安全距离，是综合反映航道安全水平的基本特征。日本学者藤井弥平最早提出船舶领域是基于空间维度的安全间距的概念。船舶领域与船舶尺寸、船型、船速、船舶操纵性、自然环境、通航环境、驾引人员综合素质及助航设备等有关。目前，为了便于管理和控制，部分内河和沿海中小型港口采用安全时距的方式对航道进行管理。这种方式可以忽略小型船舶的操纵性能、尺寸等空间因素，不适合大型船舶通航的航道管理。

VLCC一潮双靠引航作业作为一个复杂的作业系统，具有制约性、延迟性和传递性等特点，这类似于单车道中车辆的跟驰模型。在VLCC一潮双靠引航作业的研究中，制约性、延迟性和传递性主要体现在前船对后船的影响上。考虑到吃水是影响VLCC航行安全的重要因素，若VLCC偏离航道，其搁浅的可能性极大，从而可能导致前船瞬间处于静止状态，所以本文在研究VLCC编队安全间距的问题上假设前船瞬間静止，即对地速度为0。高潮时段进行引航作业，港内航道航行为顺流状态。为保证两船没有碰撞的可能性，此时对后船的制动要求是对地速度为0，即倒车船速等于航向上流速。在满足VLCC引航作业的通常条件下，自然环境、通航环境、助航设备及驾引人员的技能水平等被认为是在可控范围之内的。

综上所述，本文基于狭水道船舶跟驰模型，通过引入船舶航速、船型尺度、驾引人员反应时间、船舶制动性能、流速及货种安全系数等主要参数，确定了VLCC双编队在港口航道中不同安全水平下的安全间距：（1）一般安全水平下的安全间距，即前船瞬间静止，后船倒车停船直到对地速度为0;（2）充分安全水平下的安全间距，即前船瞬间静止，后船停车停船后倒车直至对地速度为0。

两种安全水平下的安全间距计算式为

式中：k为货种安全系数，取值2.3;v为后船速度，kn;t为驾引人员反应时间，s，取2 min; s为停船后两船船头间距，m，参考油船泊位与油船泊位的防火安全間距，取55 m; 为后船倒车冲程，m; 为后船停车冲程，m; L0为后船对地速度为0时的倒车距离;由于主机倒车输出的功率恒定，VLCC从对水速度为0至倒车速度等于流速的倒车距离L为从相同于流速的船舶前进初速度直至倒车停船（对地速度为0）的船舶冲程。

式中： W为船舶排水量，t; kx为虚质量系数，VLCC取1.07; v0为船舶对地静止时的对水速度（即流速），假设为2 kn; Tp为船舶倒车拉力，kN。

鉴于充分安全水平下的安全间距过长且不必要，不符合现实要求，因此采用一般安全水平下的安全距离对VLCC双编队最小安全间距进行计算。

2.3 VLCC一潮双靠引航作业的窗口期分析

高平潮之前为急流阶段，不能满足VLCC引航作业第二阶段的要求，因此VLCC进行第二阶段作业要在高潮点后的高平流或缓流的窗口期内进行。根据上述分析，前船的最佳靠泊窗口期为高潮点至高潮点后的30～40 min，后船的最佳靠泊窗口期为高潮点后的30 min～1 h 20 min;因此，引航员登上前船（Pilot on Board，POB）时间为高潮点―港内航道航行时间;后船POB时间为高潮点―安全间距用时。具体窗口期根据实地环境进行取值。

2.4 VLCC一潮双靠引航作业的必要性条件分析

鉴于VLCC具有尺寸大、质量大、吃水深、操纵性及通过性差等特点，在满足上述两个关键性条件的前提下，还需要考虑满足双编队引航作业的两个必要性条件。

（1）VLCC在一定航速下的安全水深。计算式如下：

式中：d为船舶吃水，m;S为航行时船舶下沉量，m，由船速决定;U为龙骨下最小富余水深，m;U1为风浪富余水深，m;U2为船舶装载纵倾富余水深，m;U3为备淤深度，m;依据回淤强度，一般不小于0.4 m。

当海图水深精度可靠，航道海图水深+潮高≥D时，航道水深满足VLCC在一定航速下的吃水要求。

（2）拖船配备。拖船的协助是重载进港作业的VLCC能够成功完成靠泊作业和应急避险的关键。拖船的配备要考虑到风、流对船体的阻力，横向波浪的漂移力及拖船拉力安全富余系数，从而保证拖船的配备充裕，确保VLCC编队的安全。VLCC引航所需的拖船拉力Ft计算式如下：

式中： Ft为拖船拉力，kN; Fa为风压力，kN; Fw为作用于船体的横向水动力，kN; Fd为波浪漂移力，kN; n为拖船拉力安全富余系数，一般为20%～25%。

在进行一潮双靠引航作业时，港口的拖船配备要满足两艘重载VLCC的靠泊及应急需求。

2.5 VLCC一潮双靠引航作业的应急撤离技术

VLCC一潮双靠引航作业中涉及双编队航道航行，主要应考虑前船遭遇突发事件（如主机故障）时两船各自的应急撤离。在VLCC编队航行的港内航道上科学合理设置应急撤离点是应急撤离技术的关键。步骤如下：（1）根据两船所需的安全间距和各自靠泊窗口期的间隔时距综合论证两船的安全船距;（2）基于论证后的两船安全船距，将港内航道进行等距离分段，综合考虑分段航道周边水域水深及宽度、到达分段点两船各自的速度、船舶操纵性能、撤离点周围的应急锚地及应急扩展区，对各个航段两船各自的撤离方案进行规划和论证。

3 实例分析

以VLCC一潮双靠日照岚山港区实华码头为例，对VLCC一潮双靠进行实证。

3.1 港口与航道条件

岚山港区港内人工航道水深19.7 m，从301号―343号浮筒的长度为14 n mile，有效宽度390 m，为单向航道。其中：301号―313号浮筒的航道外水深大于20 m;313号―321号浮筒的航道外水深逐渐减少至18 m左右;321号―341号浮筒的航道外水深不断变浅，为此港区计划在329号―331号浮筒之间设置航道扩展区，疏浚至水深19.7 m的船舶旋回水域，用于VLCC的撤离和避险，以满足VLCC双编队的应急需求。港池内现有3个VLCC泊位可供靠泊，泊位前有长轴 m、短轴670 m的椭圆形回旋水域;泊位长440 m、宽120 m，泊位水深24 m，配备有靠泊仪。

3.2 VLCC双编队引航作业的可行性评估

VLCC一潮双靠引航作业的可行性取决于3个关键性条件和2个必要性条件。通过对岚山港区的实地调研和相关数据的收集分析，得出结论如下：

（1）由式（1）、式（2）计算出后船在引航开始后以航速为11 kn全速前进时需要保持约5.63 n mile的安全间距，以及在之后后船降速到8 kn时需要保持2.83 n mile的安全间距。

（2）根据岚山港区潮水观测站的数据，岚山港区高潮点后的平流与缓流的窗口期为1 h 15 min左右，满足对双编队各自进港靠泊作业窗口期的要求。

（3）岚山港区满载VLCC靠泊吃水20.5 m，根据式（3）进行计算，在航速为11 kn时，所需水深23.18 m，此时船舶富余水深为2.68 m，符合VLCC对富余水深的一般要求。船舶在岚山港区全年段95%乘潮率条件下乘潮3 h的富余水深为3.43 m，因此岚山港区乘潮有效水深为19.7 m + 3.43 m=23.13 m，满足VLCC对安全水深的要求。

（4）港区配有17艘拖船，功率为～ kW，由式（4）计算可得港区拖船配置充裕。

（5）根据两船各自的乘潮窗口期与两船的安全间距，对港区航道全程设置4个应急撤离节点以应对船舶应急事件。①两船在301号―313号浮筒的航段内，若前船发生故障，两船可在拖船的协助下就近至应急锚地避险或返回待泊锚地。②两船在305号―321号浮筒的航段内，若前船发生故障，两船在乘潮状态并在拖船辅助下可就近至应急锚地避险或返回待泊锚地。③两船在313号―329号浮筒的航段内，若前船发生故障，前船可由拖船协助进入航道扩展区，后船可在乘潮状态并在拖船辅助下就近至应急锚地避险或返回待泊锚地。④两船在329号―341号浮筒的航段内，若前船发生故障，前船可由拖船辅助进入泊位前沿水域抛锚，后船可利用航道扩展区撤离。

综上所述，岚山港区现有条件满足VLCC一潮双靠引航作业的安全要求。

3.3 VLCC一潮雙靠引航作业方案

在港内满载VLCC的进港吃水为20.5 m。港内人工港道航时约为2 h，第二阶段用时约为30 min，第三阶段用时约为1 h 30 min。鉴于泊位前沿的潮流信息，一潮双靠最佳靠泊窗口期为高潮点至高潮点后1 h 15 min，为高平流或缓流窗口期，此时进行港池内船舶操纵相对安全。

鉴于上述分析，船舶编队进港计划与位置关系（见图2）如下：（1）前船POB时间在高潮点前1 h 45 min，航道初段航速11 kn，到达329号浮筒开始降速，抵达341号浮筒，速度为4 kn。保证后船与前船的安全间距为5.63 n mile，折合时间为30 min左右，满足两船乘潮靠泊窗口期要求。（2）后船POB时间在高潮点后1 h 15 min，在前船降速以后，后船也要同步降速至8 kn，安全间距缩小至2.83 n mile。

在保证安全间距、30 min靠泊窗口期及满足应急撤离要求的条件下，两船关键时刻点位置如下：前船在抵达313号浮筒时，后船抵达301号浮筒附近;前船在抵达329号浮筒时，后船抵达313号浮筒附近;前船在高潮点抵达339号浮筒，后船抵达328号浮筒附近;前船在抵达341号浮筒时，后船抵达329号浮筒附近;高潮后15 min左右前船进入港池，高潮后45 min左右后船进入港池，此时前船与泊位平行（泊位外档2B的位置），进入第三阶段作业，后船利用高潮后45 min～1 h 15 min进行第二阶段作业直至靠泊完成。

3.4 安全预案和应急处置

在VLCC一潮双靠的引航作业中，两个风险主体所形成的风险子系统耦合关联、相互影响，导致了VLCC双编队作为整体的风险剧增;因此，在制订港口航道的规划中，要从风险工程学的角度出发，综合考虑人、机、环、管的影响因素，采取相应措施：建立靠泊VLCC的记录档案，对出现设备事故的船舶进行靠泊前的PSC检查以保证船舶的可靠性;综合考虑港口及航道环境，评估港内航道安全航速和安全水深的设定，在航道内划定应急锚地、航道扩展区，建造离岸防波堤;加大相关人员培训力度，提高引航人员的综合素质及港口在应急情况下的处理能力;加强港口软件、硬件设施的建设，提高港口的应急处置能力。当发生应急事件时，港口和船舶要及时启动应急响应机制以尽快解除危机，尽力减轻应急事件所造成的人员、环境、船舶、社会以及经济的影响。

4 结 语

鉴于VLCC一潮双靠引航作业的可行性分析，提出安全靠泊、编队安全航行、应急撤离等3个关键性条件和一定航速下的安全水深、拖船配备2个必要性条件。本文以岚山港区VLCC一潮双靠引航作业的实证表明，在满足3个关键性条件和2个必要性条件下，可以实现VLCC一潮双靠的引航作业，得出基于目前港口能效下对港口容量潜力的最大挖掘。

研究VLCC一潮双靠引航作业技术，对于缓解VLCC压港问题、提高港口效率、保障船舶进港安全，支持地方经济发展具有重要意义。

参考文献：

[1] 许得利. 实华航道超大型船舶编队乘潮进港间距探讨[J]. 港口经济，2015（5）：58-60.

[2] 岳金蕊. 岚山港区深水航道VLCC一潮两船方案及应急保障措施的研究[D]. 大连：大连海事大学，2015.