災(zāi)害天氣下無動(dòng)力船錨泊安全性分析

祝貴兵，池弘福，吳劍鋒

(1.浙江海洋學(xué)院海運(yùn)學(xué)院，浙江舟山 316004；2.浙江國(guó)際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江舟山 316000)

2008年第13號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“森拉克”來襲時(shí)，在舟山各錨地避臺(tái)運(yùn)輸船舶929艘，其中無動(dòng)力船舶176艘。船舶在錨地錨泊避臺(tái)時(shí)發(fā)生走錨是很危險(xiǎn)的，而無動(dòng)力船發(fā)生走錨因其無法動(dòng)車來采取補(bǔ)救措施，常會(huì)造成嚴(yán)重的事故，對(duì)其它船舶構(gòu)成極大的威脅。根據(jù)我國(guó)沿海防抗臺(tái)風(fēng)的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況，無動(dòng)力船舶一直是有關(guān)港口及其主管機(jī)關(guān)關(guān)注的重點(diǎn)，也是防臺(tái)風(fēng)的弱點(diǎn)，對(duì)于一些造船業(yè)相對(duì)發(fā)達(dá)的港口，無動(dòng)力船舶防臺(tái)風(fēng)安全問題更加突出。

1 災(zāi)害天氣下無動(dòng)力船面臨的主要問題

無動(dòng)力船是指自身沒有驅(qū)動(dòng)能力的船舶，包括新建船舶舾裝后下水但主機(jī)動(dòng)力仍不能使用的船舶、長(zhǎng)期錨泊在固定水域的浮船塢，以及主機(jī)出現(xiàn)故障失去動(dòng)力的船舶和待修理船舶(主機(jī)設(shè)備需要維修，動(dòng)力解除)等，但本文研究的是前者即舾裝后下水但主機(jī)動(dòng)力仍不能使用的船舶(簡(jiǎn)稱無動(dòng)力船)。無動(dòng)力船遇到大風(fēng)后，大多在舾裝碼頭避風(fēng)，但也有許多則拖到錨地錨泊避風(fēng)[1-2]。無動(dòng)力船在錨地錨泊避風(fēng)時(shí)的錨泊技術(shù)在國(guó)內(nèi)從來沒有人研究過，在國(guó)外研究也極少。對(duì)于錨地錨泊避風(fēng)無動(dòng)力船舶一般會(huì)面臨如下問題：

(1)災(zāi)害天氣來臨之前，由于預(yù)警時(shí)間相對(duì)較短，必須在規(guī)定的時(shí)間拖帶出港。進(jìn)入災(zāi)害天氣影響的錨地后，操縱困難，需要時(shí)間長(zhǎng)，拋錨避風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)大。

(2)在災(zāi)害天氣影響狀況下，無動(dòng)力船在錨泊過程中會(huì)產(chǎn)生低頻偏蕩。當(dāng)偏蕩幅值過大以至超出系泊系統(tǒng)極限恢復(fù)能力時(shí),可能發(fā)生走錨或錨索斷裂等事[3]。在此過程中，無動(dòng)力船不能借助車舵配合使用以防止走錨的發(fā)生，而只能依靠錨及錨鏈的力提供阻止走錨。

2 船體所受外力載荷

錨泊中的船舶，一般要受到風(fēng)、流、浪等外力的單獨(dú)或組合作用。當(dāng)船體與水之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，水下部分的船體要受到水動(dòng)力的作用，而錨與錨鏈力作為一種約束力作用于船舶。下面將根據(jù)各外力的作用特點(diǎn)，來確定各外部載荷的計(jì)算模型。

2.1 水動(dòng)力載荷模型

無動(dòng)力錨泊船在水流影響下的運(yùn)動(dòng)主要來自摩擦阻力、水流沖擊力以及船舶周圍流體附加質(zhì)量阻力等。由于錨泊船在外載荷的作用下運(yùn)動(dòng)速度都屬于低速變化，并且螺旋槳和舵的水動(dòng)力都不計(jì)。由于錨泊船運(yùn)動(dòng)速度低，摩擦阻力在總阻力中占主導(dǎo)地位，故在此僅考慮摩擦阻力且忽略剩余阻力，則縱向水動(dòng)力阻力為：

其中：u為相對(duì)流速，ρ水的密度，Cf摩擦阻力系數(shù)，采用桑海公式計(jì)算[7]，當(dāng)雷諾數(shù)Re=4×106～109，Cf=0.463 1/(logRe)2.6，S 為濕水面積：

2.2 風(fēng)動(dòng)力載荷模型

風(fēng)對(duì)船舶的作用力，主要與船體上層建筑的形狀、布局以及風(fēng)向、風(fēng)速大小等因素有關(guān)。結(jié)合湯忠谷等[8]的研究和回歸計(jì)算，可以取得船舶所受風(fēng)動(dòng)力計(jì)算公式[9]如下：

其中：ρa(bǔ)為空氣密度；Ca為風(fēng)動(dòng)壓力系數(shù)；Va2為相對(duì)風(fēng)速；AT為水線以上船體正面投影面積；AL為水線以上船體側(cè)面投影面積；θ為風(fēng)力角；Ce為風(fēng)力作用中心位置到船首的距離與船長(zhǎng)之比。Ca為風(fēng)動(dòng)壓力系數(shù)利用如下回歸經(jīng)驗(yàn)公式：

2.3 波浪載荷模型

本文只采用與考慮與船舶在波浪中的漂移距離有較大關(guān)系的二階波浪漂移力。目前，較為認(rèn)可的波浪力計(jì)算公式如下：

圖1 風(fēng)動(dòng)壓力系數(shù)Ca與風(fēng)力角θ的關(guān)系Fig.1 The relationship between pneumatic press Caand wind power angle θ

其中，ζD為平均波浪幅值，CXD(λ)、CYD(λ)、CND(λ)分別為x和y方向波浪漂移力系數(shù)以及繞z方向的波浪漂移力矩系數(shù)，λ為波長(zhǎng)，φ為波浪遭遇角。根據(jù)文獻(xiàn)[11]的船模試驗(yàn)結(jié)果，回歸得到的波浪漂移力和力矩系數(shù)為:

圖2 波浪漂移力Fig.2 Wave drift force

圖3 錨泊受力示意圖Fig.3 Anchor bearing sketch map

3 錨泊力與錨鏈?zhǔn)芰Ψ治?/h2>

錨穩(wěn)定抓底后，錨泊力沿著錨鏈方向，通過錨鏈將錨泊力F傳遞給錨泊船。如圖3所示，建立以錨位點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系。

3.1 錨泊力

船舶所受的錨泊力F可分解為沿水平方向的力Fh和垂直方向的力Fv。對(duì)于船舶在水平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng),起作用的只是錨鏈對(duì)船舶的水平拉力Fv。船舶錨泊時(shí)，錨泊力F主要由兩部分力組成，即錨的自身重力Fa和臥底錨鏈提供的錨鏈力 Fb，其中 Fa=λ1Wa，F(xiàn)b=λ2qSb，式中，λ1、λ2分別是錨的抓力系數(shù)和臥底錨鏈的抓力系數(shù),均與海底底質(zhì)有關(guān)；Wa是錨在水中的重量；q是單位錨鏈長(zhǎng)度在水中的重量；Sb是臥底鏈長(zhǎng)。

3.2 錨鏈?zhǔn)芰Ψ治?/h3>

船舶錨泊后，錨鏈一部分臥底，一部分連接船體而成為懸鏈。如圖3所示，船舶受到風(fēng)、浪、海流的作用下會(huì)發(fā)生X軸、Y軸或Z軸方向上的位移，錨鏈也會(huì)隨船舶發(fā)生相對(duì)的運(yùn)動(dòng)，即錨鏈筒處(圖1中e或f點(diǎn))的空間位置是時(shí)刻發(fā)生變化的，這將導(dǎo)致整個(gè)錨鏈線空間位置也時(shí)刻發(fā)生變化(如在圖1中船從f點(diǎn)變化到e點(diǎn))，包括錨鏈的臥底長(zhǎng)度也在時(shí)刻發(fā)生變化，由ob段變?yōu)閛a段,則懸鏈長(zhǎng)度增加，臥底鏈長(zhǎng)變短，此時(shí)錨鏈力Fb變小。如出鏈長(zhǎng)度不夠,則隨著外力的增加,拋出的錨鏈幾乎全是懸垂部分而無臥底部分,錨在海底不再是正常的水平拉引而是向上拉引。外力越大，向上抬起的角度也越大，錨的抓力也迅速減少。

4 錨泊力與錨鏈?zhǔn)芰Ψ治?/h2>

如圖5所示，以O(shè)點(diǎn)為一個(gè)著地鏈環(huán)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，根據(jù)懸鏈線理論方程式可得單鏈長(zhǎng)度方程：

出鏈總長(zhǎng)度為：L=Sb+Sh

由上式可以得到：

當(dāng)錨泊方式改為一點(diǎn)錨時(shí)，F(xiàn)a為單錨的2倍，即為2λ1Wa，而Fb不是原來的2倍關(guān)系，根據(jù)(6)式可以得到：

則一點(diǎn)錨的出鏈長(zhǎng)度為：

5 算例及分析

表1 船舶幾何要素Tab.1 The profile parameters of ships

本文計(jì)算采用的船舶幾何要素見表1。

錨泊中的無動(dòng)力船舶，一般主要受到風(fēng)、流、浪外力的單獨(dú)或組合作用。流所引起的的水動(dòng)力載荷主要受水流速度、吃水等要素影響較大，而在災(zāi)害天氣下，一般水流流速變化不是太大，主要是是波浪和風(fēng)的導(dǎo)致的船舶偏蕩、走錨等事故。因此，本文在載荷單獨(dú)作用的情況下只計(jì)算了波浪和風(fēng)的載荷。圖4為風(fēng)速、風(fēng)舷角與錨泊鏈長(zhǎng)度的關(guān)系曲線，圖5為λ/L、波浪遭遇角與錨泊鏈長(zhǎng)度的關(guān)系曲線。由圖4、5很明顯可以知道，一點(diǎn)錨比單錨在抵抗災(zāi)害時(shí)提供的抓力較單鏈大，出鏈長(zhǎng)度比單鏈斷。由圖6可以得到，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到6 m/s時(shí)，單鏈錨鏈長(zhǎng)度超過10節(jié)，在這種情況下船舶的偏蕩運(yùn)動(dòng)比較厲害也容易發(fā)生走錨[3]，這時(shí)應(yīng)該拋一點(diǎn)錨，這樣出鏈長(zhǎng)度不到5節(jié)，風(fēng)速達(dá)到8 m/s時(shí)應(yīng)該考慮進(jìn)行無動(dòng)力船撤離行動(dòng)；同樣，由圖7可以得到，當(dāng)λ/L＞0.7時(shí)，應(yīng)該拋一點(diǎn)錨，當(dāng)λ/L＞0.9時(shí)應(yīng)該考慮進(jìn)行無動(dòng)力船撤離行動(dòng)。由圖8可以得，當(dāng)船舶載荷達(dá)到F≥1.7×104kg應(yīng)該拋一點(diǎn)錨，F(xiàn)≥3.7×104kg應(yīng)該進(jìn)行無動(dòng)力船撤離行動(dòng)。

圖4 風(fēng)動(dòng)力載荷曲線Fig.4 Wind power curve of load

圖5 波浪載荷曲線Fig.5 Wave curve of load

圖6 風(fēng)速與鏈長(zhǎng)關(guān)系曲線圖Fig.6 The relationship between wind speed and cable length

圖7 λ/L與鏈長(zhǎng)關(guān)系曲線圖Fig.7 The relationship between λ/L and cable length

圖8 載荷與鏈長(zhǎng)關(guān)系曲線Fig.8 The relationship between load and cable length

6 結(jié)論

文中給出的拋錨出鏈長(zhǎng)度載荷關(guān)系模型適用于任何外界風(fēng)流條件，文中的模擬計(jì)算結(jié)果要比實(shí)際的大，應(yīng)用于具體的船上比計(jì)算的結(jié)果安全。由圖4、5中曲線結(jié)果可以看出，當(dāng)風(fēng)、流、浪聯(lián)合作用時(shí)，出鏈長(zhǎng)度要比圖中的變化趨勢(shì)更要復(fù)雜。圖8中的模擬結(jié)果可以看出風(fēng)、流、浪聯(lián)合作用下單錨與一點(diǎn)錨出鏈長(zhǎng)度的非線性趨勢(shì)在實(shí)際安全避臺(tái)工作具有較大的指導(dǎo)性意義。

[1]劉成勇,郭國(guó)平,甘浪雄.大型無動(dòng)力船舶碼頭系泊防臺(tái)風(fēng)安全研究[J].船海工程,2009,38(2):156-160.

[2]詹海東,陸 玶,劉榮康,等.超大型無動(dòng)力船舶黃浦江內(nèi)拖航的論證及實(shí)操[J].中國(guó)航海,2008,31(4):424-427.

[3]張玉喜,洪碧光,楊林家,等.錨泊船在風(fēng)流中的偏蕩運(yùn)動(dòng)研究[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào),2009,35(4):25-29.

[4]聶孟喜,王旭升,王曉明,等.風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下系統(tǒng)系泊力的時(shí)域計(jì)算方法[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2004,44(9):1 214-1 217.

[5]張海文.大型船舶浮筒系泊斷纜事故分析[J].上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào),1992,15(2):45-53.

[6]吳秀恒.船舶操縱性與耐波性[M].北京:人民交通出版,1999.

[7]孫力成,將維清,胡玉琦.“一點(diǎn)錨”錨泊方法的進(jìn)一步研究[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào),1991,17(4):361-369.

[8]湯忠谷,施立人.水面船舶的空氣動(dòng)力[J].武漢水運(yùn)工程學(xué)院學(xué)報(bào),1982,18(2):79-89.

[9]楊林家,楊佐昌,于 洋.船舶走錨預(yù)警系統(tǒng)[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào),2005,31(1).

[10]田 超.風(fēng)浪流作用下船舶操縱運(yùn)動(dòng)的仿真計(jì)算[D].武漢:武漢理工大學(xué),2003.

[11]HIRANO M,TAKASHINA J,TAKAISHI Y,et al.Ship turning trajeetory in regular waves[J].Trans West-Japan Soeiety of Naval Architeets,1980(60):17-31.