大型船舶深水錨泊出鏈長度估算方法

洪恩瑰

一、引言

大型船舶在深水海域錨泊時首先要考慮的是錨泊極限水深問題，這關(guān)系到起錨時能否安全收回錨設(shè)備。船長可根據(jù)船舶錨設(shè)備的配備情況及錨機安全特性等參量選取合適的錨泊水深[1]。確定安全錨泊極限水深后，船長需要確定合理的出鏈長度，以保證船舶在錨地的安全系留。

為確保船舶安全錨泊，選擇出鏈長度應(yīng)綜合考慮各種因素，如船舶載況，外界風(fēng)力、流速及浪的大小等。通常水深越深，所需的出鏈長度越長；外界風(fēng)流等環(huán)境條件越惡劣，所需的出鏈長度越長；船舶壓載時，水面以受風(fēng)面積越大，所需的出鏈長度越長。但這些只是定性的結(jié)論，在航海實踐中，受船舶配備的錨鏈長度及錨機的額定功率的限制，且不可準(zhǔn)確預(yù)知海上外界風(fēng)流變化情況，船長在深水拋錨時僅僅依靠這些定性結(jié)論顯然還不足以應(yīng)對復(fù)雜的操作局面。

本文根據(jù)有關(guān)資料給出的成果，結(jié)合筆者多年的大型船舶的船長經(jīng)驗，考慮深水錨泊期間出鏈長度所涉及的水深、外界風(fēng)力條件和船舶裝載狀態(tài)等因素，給出適合某VLCC油船特定船型深水錨泊時的出鏈長度估算方法。首先假定水平外力為一定常值，利用出鏈長度計算公式計算錨泊船出鏈長度與水深和外力之間的關(guān)系，通過風(fēng)壓力估算公式得到水平外力，進而得到在一定水深條件下的所需出鏈長度與風(fēng)級之間的關(guān)系。

二、單錨泊出鏈長度估算方法

為了抵御外界風(fēng)、浪和流等外力的影響，船舶錨泊時，必須有足夠錨泊力，以保證在錨地安全系留。錨泊力大小受錨泊出鏈長度影響，過長或過短的出鏈長度都達(dá)不到安全錨泊要求，因此，有必要估算合理的錨泊出鏈長度。

1.所需出鏈長度計算方法

錨泊力P俗稱錨抓力，其由錨的抓力Pa和錨鏈的抓力Pc兩部分組成[4-5]，即：

其中：λa為錨抓力系數(shù)；Wa為錨重（t）；λc為錨鏈抓力系數(shù)；wc為單位鏈長重量（t/m）；l 為臥底鏈長（m）。

錨鏈?zhǔn)苤亓Φ淖饔茫^泊船所需出鏈長度S分為懸鏈長度s和臥底鏈長l兩部分，懸鏈長度是指懸垂在水中的部分，臥底鏈長是指平臥在海底的部分，顯然，為了保證錨泊船有足夠的錨泊力，除需要錨本身的抓力外，還必須有一定的臥底鏈長，以確保船錨平臥于海底。臥底鏈長越長，錨泊力越大。如圖1所示。

圖1 不同水深錨泊時出鏈長度示意圖

根據(jù)有關(guān)資料，錨泊船所需出鏈長度可由式（2）進行估算[4]:

其中：h0為錨鏈孔至海底的距離（m），h0=h+d，h為水深（m）；d為錨鏈孔至水面的距離（m）；T0為作用于錨泊船的水平外力（t），主要為風(fēng)對船舶水面以上船體的作用力，其次還包括流和浪對船舶水面以下船體的作用力。

由式（2）可見，對于特定的錨泊船，當(dāng)水深和出鏈長度一定時，懸鏈長度和臥底鏈長與水平外力T0的大小有關(guān)。T0越大，懸鏈長度越長，臥底鏈長越短。當(dāng)T0增大到使臥底鏈長接近0時，就是錨本身抓力可以抵御外力影響的臨界點。

同理，對于同一錨泊船，當(dāng)作用于船舶的水平外力一定時，所需出鏈長度與水深有關(guān)。水深越深，所需出鏈長度越大，見圖1。

錨泊船在風(fēng)、浪和流的作用下產(chǎn)生偏蕩運動，風(fēng)、浪、流的作用力大小是隨著船舶運動狀態(tài)的改變而隨時發(fā)生變化的，因此，精確計算外力的大小十分復(fù)雜和困難。為了簡化計算，本文僅考慮風(fēng)的作用力，而忽略流和浪的作用力。

2.所需出鏈長度經(jīng)驗公式

隨著水深的不斷加大，出鏈長度是否可以無限增大？答案是否定的。實踐中單錨泊出鏈長度常采用下列經(jīng)驗公式[3-5]:

根據(jù)該經(jīng)驗公式，在風(fēng)速為20 m/s和30 m/s的條件下，不同水深時所需出鏈長度計算結(jié)果分別見表1和表2。

表1 8級風(fēng)時不同水深出鏈長度經(jīng)驗公式估算結(jié)果

表2 11級風(fēng)時不同水深出鏈長度經(jīng)驗公式估算結(jié)果

根據(jù)該經(jīng)驗公式計算結(jié)果，風(fēng)力達(dá)到8級、水深達(dá)到80米或風(fēng)力達(dá)到11級、水深達(dá)到50米時，錨泊船拋出的錨鏈長度均超過12節(jié)。但船舶配備的單舷錨鏈長度一般為11～14節(jié)（300～385米），顯然，當(dāng)水深超過一定限度或風(fēng)力達(dá)到一定級別時，即使船舶配備的錨鏈長度全部拋出也可能達(dá)不到上述經(jīng)驗公式求得的出鏈長度，何況實際錨泊時，還需要保留一定長度（1~2節(jié)）的安全余量。因此，船舶在深水錨泊時，可拋出的最大鏈長是有限的，該經(jīng)驗公式對大型船舶在水深超過80米的深水錨地進行單錨泊的適用性存在不足之處。

另外，單錨泊出鏈長度不但與水深和風(fēng)力有關(guān)，還與水文條件、船舶載況及錨設(shè)備性能等諸多因素有關(guān)，因此，對于大型船舶深水錨泊而言，上述經(jīng)驗公式在理論上也存在不足之處。

三、深水錨泊出鏈長度的估算方法

由上述分析可知，水平外力是隨著錨泊船偏蕩運動而發(fā)生變化的，實際操作中很難對式（2）中的水平外力T0進行精確計算，因此，需要對其進行簡化，結(jié)合風(fēng)流壓力估算公式，提出一種實用的估算方法。首先假定錨泊船所遭遇的水平外力T0為定常值，得到與不同水深條件下所需出鏈長度S之間的關(guān)系；然后利用風(fēng)流力的估算公式得到不同風(fēng)級的風(fēng)壓力與定常外力之間的關(guān)系；最后，對兩者結(jié)果進行比較，得到不同水深條件下錨泊所需出鏈長度S與風(fēng)級之間的關(guān)系，其結(jié)果可作為計算船舶深水錨泊出鏈長度的定量參考。

1.不同水平外力所需出鏈長度

式（2）中的水平外力T0的大小分別取20噸、40噸、60噸、80噸、100噸、120噸和140噸的定常值，水深h分別取40米、60米、80米、100米和120米，式中錨和錨鏈數(shù)據(jù)以及船舶載況等其他參數(shù)見表3。

表3 某VLCC不同載況時的船舶參數(shù)及錨設(shè)備參數(shù)[1，4]

將水平外力、水深及船舶載況和錨設(shè)備參數(shù)代入式（2），其中錨的抓力系數(shù)λa取8（AC-14型錨取7～11），錨鏈的抓力系數(shù)λc取0.7（泥沙底），則該船壓載和滿載在不同水深條件下遭遇不同定常外力時所需出鏈長度計算結(jié)果分別見表4和表5。

表4 壓載時不同水深和水平外力所需出鏈長度 節(jié)

表5 滿載時不同水深和水平外力所需出鏈長度 節(jié)

由此可見，在水深一定時，出鏈長度隨外力增加而增大；在水平外力一定時，出鏈長度將隨水深增加而增大；同一外力、同一水深條件下，壓載比滿載所需出鏈要長。但當(dāng)水深為120米，壓載情況下水平外力達(dá)到100噸、滿載情況下水平外力達(dá)到120噸時，所需出鏈長度分別為12.6、12.8節(jié)。當(dāng)水深為60米，壓載和滿載外力達(dá)到140噸時，所需出鏈長度分別為14.2和13.2節(jié)。這些出鏈長度已經(jīng)超過該船所允許的最大出鏈長度，因此，在氣象水文條件極其惡劣的情況下，該船不宜進行深水錨泊。

2.風(fēng)壓力和流壓力估算

風(fēng)壓力估算如式（5）所示[3-5]：

其中：ρ為空氣密度（1.29 kg/m3）；θ為風(fēng)舷角；Ca為風(fēng)力系數(shù)，呈馬鞍形曲線，其與風(fēng)舷角和船型有關(guān)，對于油船，Ca≈0.5～1.3；va為相對風(fēng)速（m/s），風(fēng)級采用蒲氏風(fēng)級，風(fēng)速采用蒲氏風(fēng)級表中速度的平均值；Aa和Ba分別為船舶水線以上船體正投影面積和側(cè)投影面積（m2），可根據(jù)船舶型深、吃水和船長參數(shù)估計，見表3。

對于錨泊船來說，即使考慮偏蕩的影響，風(fēng)舷角θ也不會超過40°，因此，風(fēng)舷角θ僅計算至40°，風(fēng)舷角為0°、10°、20°、30°和40°時的風(fēng)力系數(shù)Ca的取值見表6[3]。

表6 不同載況、不同風(fēng)舷角的風(fēng)壓系數(shù)Ca取值

將上述參數(shù)代入式（5），則該船壓載和滿載在不同風(fēng)舷角、不同風(fēng)級的作用下所受風(fēng)壓力計算結(jié)果分別見表7和表8。

表7 壓載時，不同風(fēng)舷角和風(fēng)級下的風(fēng)壓力估計值 t

表8 滿載時，不同風(fēng)舷角和風(fēng)級下的風(fēng)壓力估計值 t

計算結(jié)果表明，在0°～40°風(fēng)舷角范圍內(nèi)，30°或40°時風(fēng)壓力最大；同一水深、同一風(fēng)力條件下，壓載時船舶所受的風(fēng)壓力大于滿載情況。

3.出鏈長度估算方法的應(yīng)用

出于安全方面的考慮，風(fēng)壓力取30°風(fēng)舷角的較大值。利用表4或表5進行插值檢索，即可獲得相應(yīng)風(fēng)級條件下的錨泊出鏈長度。

例如，算例中的VLCC錨泊時遭遇風(fēng)級6、7、8、9和10級的作用，壓載時，查表7，得到 30°風(fēng)舷角的風(fēng)壓力分別為36.2噸、56.6噸、81.5噸、110.9噸和157.1噸；滿載時，查表8，得到最大風(fēng)壓力分別為18.1噸、28.3噸、40.8噸、55.5噸和78.6噸。

將得到的壓載和滿載分別與表4和表5的水平外力對比并內(nèi)插，得到水深分別為40米、60米、80米、100米和120米時不同風(fēng)級所對應(yīng)的出鏈長度，估算結(jié)果分別見表9和表10。

表9 某VLCC壓載時不同風(fēng)級深水錨泊出鏈長度 節(jié)

表10 某VLCC滿載時不同風(fēng)級深水錨泊出鏈長度 節(jié)

由估算結(jié)果可見，該船壓載時，水深達(dá)到120米、風(fēng)力超過9級時或風(fēng)力10級時，所需出鏈長度均超過配備錨鏈的極限長度，因此，在這種情況下，該船不宜在錨地錨泊，宜采用外海漂航方式，以利于安全。該結(jié)論與本文三、1節(jié)所述一致。

4.估算方法與經(jīng)驗公式比較

在遭遇8級風(fēng)時，將上述估算方法和本文二、2節(jié)經(jīng)驗公式結(jié)果放在同一表格中進行比較，不同水深情況下所需出鏈長度結(jié)果見表11。

表11 8級風(fēng)時經(jīng)驗公式與本文估算出鏈長度 節(jié)

比較可知，經(jīng)驗公式結(jié)果更接近該船壓載在水深較淺時的出鏈長度，水深越淺，兩者越接近，經(jīng)驗公式更適用于水深小于60米的情況。

四、結(jié)論

本文的估算方法看似復(fù)雜，但針對特定系列船型，可通過一次詳細(xì)計算，列出風(fēng)級與出鏈長度之間關(guān)系的表格，以備本船或相似船型重復(fù)使用。實際使用本文結(jié)論時應(yīng)注意以下要點：

（1）估算方法選取的外力間隔（20噸）和水深間隔（20米）較大，在估算風(fēng)級與出鏈長度之間關(guān)系時，需要進行線性內(nèi)插，但實際上，兩者之間并非線性關(guān)系，則估算結(jié)果必然存著一定誤差。因此，在具體應(yīng)用時，應(yīng)盡可能選取較小的水平外力間隔和水深間隔。

（2）本文估算方法僅僅考慮了風(fēng)的影響，而沒有考慮水流的作用力。在流速大于2節(jié)的強流水域，特別是船舶重載時，應(yīng)考慮在上述估算結(jié)果基礎(chǔ)上，根據(jù)流的大小再增加0.5~1.0節(jié)的出鏈長度。

本文僅僅給出錨泊船在風(fēng)的作用下出鏈長度的粗略估算方法，盡管采用的參數(shù)可能存在一定誤差，且假定為定常風(fēng)、定常水平外力，但根據(jù)本人多年的大型船舶船長經(jīng)驗，估算結(jié)果基本與實際情況一致，可作為同類船型深水錨泊選擇出鏈長度時的參考。