大型船舶深水錨泊極限水深的估算方法

洪恩瑰

一、引言

航海實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，通常情況下，如果條件具備，大型船舶一般會(huì)選擇30～40米水深的錨地錨泊[1-2]。然而在特殊情況下，例如富查伊拉港（Fujairah Port）[3-4]，其沿岸可供大型油船錨泊海域的水深大多在100米以上，因此，受天然水域條件限制，大型船舶不得不選擇深水拋錨方法以確保錨泊安全[5]。

眾所周知，錨泊水域的水深越深，則船舶所需的出鏈長(zhǎng)度就越長(zhǎng)，但實(shí)際船舶配備的錨鏈長(zhǎng)度是有限的，且錨機(jī)的起錨力也要受到錨機(jī)自身額定功率的限制。錨泊操縱過(guò)程中，若錨機(jī)松出錨鏈過(guò)長(zhǎng)，則錨可能收不回來(lái)，出現(xiàn)丟錨事故；若錨機(jī)松出錨鏈過(guò)短，雖能避免丟錨事故，但可能導(dǎo)致錨泊力不足而危及船舶安全。這就需要船長(zhǎng)事先根據(jù)本輪錨設(shè)備的具體情況對(duì)本輪最大錨泊水深進(jìn)行評(píng)估，既要保證錨設(shè)備的安全，又要保證錨泊安全。

本文憑借個(gè)人多年的大型船舶船長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)，考慮深水錨泊安全所涉及的錨抓力、錨機(jī)負(fù)荷、錨位附近船舶通航密度、氣象水文條件、錨地底質(zhì)等諸多因素。在其他條件均滿足安全要求的情況下，船長(zhǎng)在確定錨泊水域的極限水深時(shí)主要是權(quán)衡安全的錨泊力與能夠安全被收回的錨機(jī)負(fù)荷之間的關(guān)系。根據(jù)有關(guān)資料的估算公式，結(jié)合大型船舶的尺度特征對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)修正，以滿足實(shí)際航海錨泊安全操縱的需要。文中以某VLCC油輪在富查伊拉港外深水錨地極限水深的選取為案例，實(shí)踐驗(yàn)證估算方法的簡(jiǎn)單性和實(shí)用性。

二、深水拋錨極限水深的估算

在進(jìn)行深水錨泊之前，船長(zhǎng)確定極限水深時(shí)主要應(yīng)考慮的因素是保證一定錨泊力的出鏈長(zhǎng)度和確保錨能夠安全被收回的錨機(jī)負(fù)荷。

錨機(jī)的起錨力是確定船舶深水錨泊極限水深的重要指標(biāo)之一。

1.考慮錨機(jī)負(fù)荷的極限水深計(jì)算方法

根據(jù)船舶配備的錨機(jī)額定起錨力的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，理論上，深水錨泊時(shí)的水深極限（hmax）可通過(guò)下式計(jì)算[6]：

式中：Pw為錨機(jī)額定起錨力（t），或錨機(jī)額定負(fù)荷；Wa為錨重（t），一般情況下，船型尺度越大，錨重量也越大；λa為錨的抓力系數(shù)，根據(jù)錨型和底質(zhì)確定；Wc為單位鏈長(zhǎng)重量（t/m）；d為錨鏈孔至水面的距離（m），可根據(jù)船舶型深D和首吃水df大致估算，即d=D-df。

可見(jiàn)，式（1）的計(jì)算值僅是理論上的極限水深，沒(méi)有任何富余量，若航海實(shí)踐中直接使用，存在一定風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)閷?shí)踐中既要對(duì)錨機(jī)的負(fù)荷留有余量，也要對(duì)出鏈長(zhǎng)度留有余量。

2.經(jīng)修正的極限水深計(jì)算方法

考慮到式（1）的局限性，將從船型尺度的影響和錨機(jī)負(fù)荷保留量角度進(jìn)行修正。

船舶大型化是現(xiàn)代造船業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，其中的VLCC（如圖1所示）是現(xiàn)代大型船舶制造的代表，是衡量一個(gè)國(guó)家船舶制造水平和能力的重要標(biāo)準(zhǔn)。大型化船舶會(huì)引起大慣性、長(zhǎng)時(shí)滯等異常操縱特性，使得操作難度急劇增加。因此，各指標(biāo)的選取應(yīng)偏于安全性。

圖1 某VLCC船舶海上運(yùn)動(dòng)俯視圖

對(duì)于類似于VLCC的大型船舶設(shè)計(jì)而言，隨著船型尺度的大型化發(fā)展，甲板機(jī)械的布設(shè)位置也發(fā)生相應(yīng)改變，如圖2所示。因此，錨鏈孔至錨機(jī)之間的距離lBE常常超過(guò)10米，與傳統(tǒng)船舶尺度相比，由此所產(chǎn)生的鏈長(zhǎng)增加量已經(jīng)變得不可忽略，甲板上的錨鏈長(zhǎng)度也應(yīng)予以考慮，因此，需要對(duì)式（1）進(jìn)行尺度修正。

另外，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，如果考慮錨的抓力的影響，式（1）也不適用。例如，某VLCC配備15噸的AC-14型錨，其錨機(jī)額定負(fù)荷為60噸。根據(jù)資料，AC-14型錨的抓力系數(shù)λa為8～11，則hmax計(jì)算結(jié)果將為負(fù)值。因此，在實(shí)際計(jì)算中，將λa設(shè)定為1，這就意味著在起錨過(guò)程中錨即將離開(kāi)海底的瞬間錨的抓力僅剩錨的重力，此時(shí)要求船長(zhǎng)動(dòng)車使錨脫離錨位。

圖2 錨泊船錨鏈布置示意圖

綜合上述兩點(diǎn)原因，在實(shí)際操作過(guò)程中大型船舶水深錨泊的水深極限可按照下式進(jìn)行修正：

式（2）根據(jù)錨機(jī)設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中的狀況對(duì)其留有一定的余量δ，一般新船δ=5%。對(duì)于老舊船，隨著船齡的增大，設(shè)備逐漸老化，錨機(jī)起錨力也會(huì)逐漸降低。因此，在實(shí)際計(jì)算中，船長(zhǎng)可以根據(jù)本船錨機(jī)的實(shí)際情況，對(duì)保留錨機(jī)起錨力余量做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。lBE的長(zhǎng)度取決于甲板錨機(jī)機(jī)械的安裝位置及角度，具體數(shù)值由實(shí)船實(shí)際測(cè)量確定。

3.某VLCC極限水深估算

以某VLCC為例，對(duì)其深水錨泊的水深極限進(jìn)行計(jì)算。該船錨機(jī)設(shè)計(jì)額定負(fù)荷59.8噸，由于該船較新，取5%的額定負(fù)荷余量。其錨設(shè)備的其他參數(shù)及壓載和滿載兩種情況下的深水錨泊水深極限估算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1中計(jì)算了VLCC船舶在錨機(jī)額定負(fù)荷余量為5%的情況下，壓載和滿載時(shí)船舶所需極限水深。為了方便在實(shí)際航海過(guò)程中迅速查找極限水深數(shù)值，可考慮分別以船舶不同載況的吃水和不同錨機(jī)額定負(fù)荷余量為獨(dú)立控制變量，分別繪制船舶所需極限水深、船舶不同載況的吃水和船舶錨機(jī)額定負(fù)荷余量之間的關(guān)系圖，如圖3和圖4所示。

表1 某VLCC不同載況時(shí)深水錨泊水深極限估算結(jié)果

圖3 船舶所需極限水深隨船舶載況變化的關(guān)系圖

圖3 是隨著船舶裝載情況發(fā)生變化所需錨泊的極限水深的估算值?？梢?jiàn)兩個(gè)變量之間是線性關(guān)系，隨著船舶首吃水的增加，船體下沉量越大，因而，可供安全拋錨的極限水深也變深。

圖4 不同錨機(jī)負(fù)荷余量時(shí)極限水深與船舶載況關(guān)系圖

圖4 是不同錨機(jī)負(fù)荷余量時(shí)，隨著船舶載況發(fā)生變化，所需錨泊的極限水深的估算值，變量之間依然是線性關(guān)系。從圖中可知，隨著船舶首吃水的增加，船體下沉量越大，極限水深也越大；隨著錨機(jī)負(fù)荷余量的增加，極限水深值會(huì)變小。

需要說(shuō)明的是，式（2）中的估算結(jié)果沒(méi)有考慮錨和錨鏈在水中的重量（即浮力），這一點(diǎn)是有利于船舶錨泊安全的。在起錨過(guò)程中錨鏈與錨鏈孔及制鏈器之間所產(chǎn)生的摩擦力可在錨機(jī)起錨力減扣額度中予以考慮。

另外，本估算結(jié)果也沒(méi)有考慮外力對(duì)船舶的作用使錨機(jī)負(fù)荷增大的情況。

三、富查伊拉港錨泊極限水深估算案例

富查伊拉港是全球有代表性的深水錨泊水域，港外可供大型油船錨泊海域的水深大多是在100米以上，因此，極限水深的有效估算是確保船舶錨泊安全的前提和基礎(chǔ)。

1.富查伊拉港區(qū)簡(jiǎn)介[3-4]

富查伊拉港是阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)東部沿海的重要多用途轉(zhuǎn)運(yùn)港口，港口設(shè)施齊全，腹地交通網(wǎng)絡(luò)便利。南距富查伊拉鎮(zhèn)約2千米，北距豪爾法坎港20千米，有公路相連。港外，東南至馬特拉卡布斯港約30海里，至科倫坡港約1 800千米。從該港起運(yùn)至迪拜公路僅100千米，而經(jīng)霍爾木茲海峽海路至少有200千米，是個(gè)天然港灣，地理位置優(yōu)越。此外，該港還處于世界上三大輸油港之間，成為該地區(qū)供應(yīng)船的中心港，是通向印度和其他地區(qū)市場(chǎng)的主要口岸通道，有集裝箱、漁港和油港碼頭，碼頭利用率非常高。近期，美國(guó)亞利桑那州MATCO石油鉆探公司在富查伊拉港口錨地外面，發(fā)現(xiàn)了油氣含量豐富的海底石油儲(chǔ)油層，預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)，會(huì)給富查伊拉港帶來(lái)全面的繁榮，使之成為中東地區(qū)倉(cāng)儲(chǔ)和集裝箱集散中心，富查伊拉港整體地理分布見(jiàn)圖5。

2.港域水深

主要概述從港區(qū)防波堤至港外錨地的水深分布情況。港區(qū)的防波堤是距離陸地最遠(yuǎn)的海上建筑物，其水工布局位于20米等深線以內(nèi)。自防波堤的堤頭開(kāi)始度量，距離港外錨地的最短距離約為3.6海里，而水深變化量則從20米增加至65米，且水深變化幅度不均勻。自防波堤的堤頭到30米等深線的距離約為0.73海里，而從30米等深線至50米等深線的距離約為1海里，由此可見(jiàn)，水深變化率隨與港口距離的增加呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。港外錨地設(shè)計(jì)形狀為長(zhǎng)方形水域，依據(jù)功能區(qū)域不同，分布有Fujairah A、Fujairah N、Fujairah T、Fujairah D、Fujairah G、Fujairah C、Fujairah B、Fujairah W和Fujairah S等子區(qū)域錨地。錨地東西寬度約為7.3海里，水深變化范圍為65～145米，幅度約為90米。錨地南北長(zhǎng)度約為10海里，水深變化需要將東西兩側(cè)單獨(dú)考慮：東側(cè)延伸至印度洋，水深深且變化范圍大，一般為120～150米；西側(cè)延靠近大陸域，水深淺且變化范圍小，一般為60～80米。整個(gè)水域最淺點(diǎn)為一非危險(xiǎn)沉船位置，水深約為56米。

圖5 富查伊拉港區(qū)及港外錨地分布圖

3.港外錨地船舶密度

根據(jù)船訊網(wǎng)[7]對(duì)該水域的已開(kāi)啟AIS設(shè)備信號(hào)的監(jiān)測(cè)，結(jié)合多次當(dāng)?shù)貟佸^的經(jīng)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)表明錨地區(qū)域錨泊船舶的密度一般為110～130艘次/天，理論上每天每艘船舶的錨泊水域大小為0.56～0.66海里，滿足實(shí)際拋錨對(duì)需用水域的要求。

4.港外錨地極限水深范圍確定

根據(jù)前文估算方案求算錨泊的極限水深。在5%的錨機(jī)額定負(fù)荷余量的前提下，考慮壓載和滿載兩種條件，依據(jù)表1中估算數(shù)值，繪制出錨泊安全水域區(qū)域，如圖6所示。

圖6是5%錨機(jī)額定負(fù)荷余量，VLCC在壓載和滿載條件下錨泊安全水深水域。圖中左邊曲線表示船舶壓載條件下所需的錨泊極限水深等深線，位于該線左側(cè)的錨地區(qū)域?yàn)閴狠d條件下的錨泊安全水深水域；右邊曲線表示船舶滿載條件下所需極限水深等深線，該線左側(cè)的錨地區(qū)域?yàn)闈M載條件下的錨泊安全水深水域?？梢?jiàn)，滿載條件下的錨泊安全水深范圍較壓載條件下的大。

圖7是錨機(jī)額定負(fù)荷余量分別在5%、10%和15%條件下，VLCC船舶壓載時(shí)錨泊安全水深水域關(guān)系圖。圖中，短畫(huà)線表示船舶在5%錨機(jī)額定負(fù)荷余量條件下所需的錨泊極限水深等深線，位于該線左側(cè)的錨地區(qū)域?yàn)殄^泊安全水深水域；實(shí)線表示船舶在10%錨機(jī)額定負(fù)荷余量條件下所需的錨泊極限水深等深線，該線左側(cè)的錨地區(qū)域?yàn)殄^泊安全水深水域；點(diǎn)畫(huà)線表示船舶在15%錨機(jī)額定負(fù)荷余量條件下所需的錨泊極限水深等深線，位于該線左側(cè)的錨地區(qū)域?yàn)殄^泊安全水深水域?？梢?jiàn)，錨泊安全水深范圍隨著錨機(jī)額定負(fù)荷余量的增大而減小。

圖6 富查伊拉港壓載和滿載條件下錨泊安全水深水域

圖7 不同錨機(jī)額定負(fù)荷余量條件下船舶壓載錨泊安全水深水域

值得注意的是，實(shí)際工作中，在起錨初期，考慮錨泊出鏈長(zhǎng)度，在受外界風(fēng)、流、浪等外力的作用下，作用于錨鏈的力可能瞬間劇增，此時(shí)，如果強(qiáng)行起錨，所需起錨力將大大超過(guò)錨機(jī)的額定負(fù)荷，從而引發(fā)事故。因此，在惡劣天氣或有強(qiáng)流時(shí)起錨時(shí)，應(yīng)動(dòng)車、施舵，控制錨鏈卷起的速度，以盡可能降低錨鏈?zhǔn)芰Α?/p>

四、結(jié)論

本文根據(jù)相關(guān)資料提供的深水錨泊極限水深的估算公式，結(jié)合個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，對(duì)大型船舶深水安全錨泊極限水深估算問(wèn)題進(jìn)行探討，得到以下結(jié)論。

（1）結(jié)合航海實(shí)踐，考慮舵機(jī)承載負(fù)荷和大型船舶的錨機(jī)布設(shè)特征修正了極限水深的估算公式，可作為安全極限水深估算的參考。

（2）以VLCC錨泊富查伊拉港為例，對(duì)不同載況和舵機(jī)負(fù)荷富裕量條件下的錨泊安全極限水深進(jìn)行估算，并繪制安全水深區(qū)域，基本符合航海實(shí)踐要求。

（3）盡管在實(shí)際工作中存在船舶位于本文繪制的安全區(qū)域以外錨泊的情況，且順利作業(yè)，但是，這并不意味著此種操作不存在風(fēng)險(xiǎn)。存在風(fēng)險(xiǎn)不一定發(fā)生事故，但卻一定是事故隱患。

（4）本文不足之處在于確定極限水深時(shí)，沒(méi)有充分考慮外界環(huán)境干擾的變化量，因此，實(shí)際工作中對(duì)于滿足極限水深條件下的船舶出鏈長(zhǎng)度還需要做進(jìn)一步研究。