大型船舶深水拋錨控制關(guān)鍵因素

張 猛，孫玉環(huán)，郭 勝，程 劍

（1.海裝沈陽局駐大連地區(qū)第一軍事代表室，遼寧大連 116000；2.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064）

0 引言

拋錨是船舶在錨地停泊的常見操作。錨泊操縱并不復(fù)雜，但操船人員對錨地的環(huán)境條件掌握不準(zhǔn)，拋錨時(shí)可能會(huì)發(fā)生各種事故，例如由于疏忽大意、使用的拋錨方法不當(dāng)?shù)仍颍瑫?huì)使拋錨時(shí)出鏈速度過快，導(dǎo)致錨機(jī)剎不住錨鏈而丟錨，或者深水起錨時(shí)，由于出鏈太長，錨機(jī)力量不足以絞起錨鏈而棄鏈等。所以，深水拋錨安全問題一直是航海界不斷研究和探索的課題。筆者經(jīng)過研究后認(rèn)為，深水拋錨之前，需充分了解船舶自身的特性，如船舶可拋錨的極限水深和出鏈長度等，再根據(jù)確定的拋錨水深選擇合適的拋錨方法，并在實(shí)際操作中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，方可在一定程度上避免拋錨事故的發(fā)生。

1 大型船舶深水拋錨的特點(diǎn)

深水拋錨，具體多深的水才算“深水”？在現(xiàn)階段的各種航海資料中，并沒有對“深水”給出嚴(yán)格的定義[1]。一般文獻(xiàn)資料中，深水拋錨泛指拋錨水域的水深超過25 m時(shí)實(shí)施的拋錨作業(yè)。由于大型船舶吃水較深，不得不在水深大于25 m的錨地拋錨，因此，大型船舶拋錨一般可認(rèn)為是深水拋錨。

深水拋錨與普通拋錨的區(qū)別在于，普通拋錨法（即重力拋錨法）往往是一錨到底，中間不用錨機(jī)剎車。而根據(jù)式（1），即深水中自由落體拋錨時(shí)錨的下落速度公式[2-3]，船舶越大，所配的錨越重，采用重力拋錨時(shí)錨的下落速度越快。

式中：Wa為錨重，t。

大型船舶所配的錨一般大于10 t，有的甚至達(dá)到幾十噸，其最快下落速度可達(dá)7 m/s～8 m/s，遠(yuǎn)高于安全出鏈速度 3 m/s～4 m/s。在這種情況下，錨與海底做完全非彈性碰撞，錨所受的損傷是非常大的。在深水中進(jìn)行重力拋錨時(shí)，錨鏈與錨以同樣的速度下落；錨機(jī)剎車時(shí)，過快的出鏈速度會(huì)使錨鏈與錨機(jī)剎車帶產(chǎn)生高速摩擦，極易損壞剎車帶，從而引發(fā)丟鏈、丟錨等事故。因此，大型船舶在深水中禁止使用重力拋錨法。

大型船舶在深水中一般采用錨機(jī)送鏈放錨至海底的拋錨方法，此種方法可以避免對錨的沖擊和損傷。選擇拋錨方法時(shí)，需要了解船舶自身的特性，并根據(jù)船舶的一些參數(shù)進(jìn)行計(jì)算后確定。

2 深水拋錨時(shí)的注意事項(xiàng)

深水拋錨時(shí)需拋出一定長度的錨鏈以產(chǎn)生足夠的錨泊力，并需確保所拋錨鏈及錨能夠被錨機(jī)安全回收，這就涉及到極限水深和出鏈長度2個(gè)因素。

2.1 深水拋錨的水深

2.1.1 重力拋錨的極限水深

根據(jù)重力拋錨的極限水深計(jì)算公式，可以精確地計(jì)算出采用此種方式拋錨時(shí)的極限水深。筆者總結(jié)現(xiàn)有文獻(xiàn)的相關(guān)內(nèi)容并認(rèn)為，一般大型船舶禁止在水深大于25 m時(shí)使用重力拋錨法，此為保證拋錨安全的定性要求。對于大型船舶而言，建議在水深小于25 m時(shí)，直接采用重力拋錨法，而在水深大于25 m時(shí)，直接使用錨機(jī)拋錨。

2.1.2 錨機(jī)拋錨的極限水深

深水拋錨時(shí)出鏈很長，起錨時(shí)錨機(jī)負(fù)荷很大。采用錨機(jī)方式拋錨的極限水深取決于錨機(jī)能否安全地絞收起抓牢海底的錨，即錨機(jī)的額定起錨能力要足以拉起長度等于水深的錨鏈，并能將抓牢海底的錨拔離海底。一般船舶在設(shè)計(jì)時(shí)對拋錨水深都有要求，會(huì)根據(jù)船舶的最大拋錨水深設(shè)計(jì)錨機(jī)的起錨能力，拋錨時(shí)要了解船舶的最大拋錨深度。實(shí)際拋錨時(shí)，拋錨的水深要小于設(shè)計(jì)值，否則即便錨觸底，起錨也會(huì)遇到困難。

采用錨機(jī)方式拋錨的極限水深可根據(jù)式（2）計(jì)算。

式中：pw為錨機(jī)的額定起錨能力，N；Wa為錨重，kg；λa為錨離底時(shí)的抓力系數(shù)，其值為1.5～2.0；d為錨鏈孔至水面的高度，m；Wc為每米錨鏈的重量，kg；δ為余量系數(shù)，根據(jù)錨機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中的狀況留出一定的余量，一般新船取δ=5%，對于老舊船而言，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，需據(jù)實(shí)調(diào)整δ的數(shù)值。

2.1.3 根據(jù)配置錨鏈長度計(jì)算拋錨的極限水深

因錨泊地有潮汐和波浪，需將錨泊期間可能產(chǎn)生的潮汐的最高潮和最大波浪高度考慮進(jìn)去，即水深在上述計(jì)算的基礎(chǔ)上還應(yīng)滿足Ymax≤1/4La，Ymax代表最大水深，La為一舷錨鏈總長。

2.2 出鏈長度

下面根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)給出2種計(jì)算出鏈長度的方法。

1）根據(jù)公式計(jì)算出鏈長度

從靜力平衡的原理來看，保證單錨泊船安全錨泊的前提條件是使錨泊力大于或等于船體所受的外力。因此，不同的外界環(huán)境條件下，安全錨泊的出鏈長度是不相同的。

安全錨泊的出鏈長度一般按式（3）計(jì)算[4]。

式中：S為懸垂鏈長度，m；l為臥底鏈長，m；T為作用于船體的水平外力，t（1 t=9 800 N）；Y為出鏈孔至海底的垂距，m；λa為錨的抓力系數(shù)，大抓力錨取7～10；λc為錨鏈的抓力系數(shù)，泥沙底取0.7；Wa為錨在空氣中的質(zhì)量，t；Wc為每米錨鏈在空氣中的質(zhì)量，t；為水中每米錨鏈的質(zhì)量，t，′=0.87Wc。

由式（3）可知，在已知定常外力T的條件下，可求出最短出鏈長度；在一定出鏈長度時(shí)，可求出錨泊船所能抵御的外力極限。

實(shí)際上，水平外力是與風(fēng)浪流有關(guān)的一個(gè)根據(jù)環(huán)境條件不斷變化的力，在實(shí)際中很難對水平外力進(jìn)行精確計(jì)算。因此，通常用船舶所受的風(fēng)力代替水平外力，而忽略流和浪的作用力。風(fēng)力可用式（4）估算。

式中：F為風(fēng)壓力，kg（1 kg=9.8 N）；ρa(bǔ)為空氣密度，取1.226 kg/m3；va為相對風(fēng)速，m/s；A為水線上船體的正面投影面積，m2；B為水線上船體的側(cè)面投影面積，m2；ca為風(fēng)力系數(shù)。

在船首尾受風(fēng)時(shí)，風(fēng)力系數(shù)ca最?。辉陲L(fēng)舷角為 30°～40°及 140°附近時(shí)，ca較大。對于錨泊船來說，即使考慮偏蕩的影響，風(fēng)舷角也不會(huì)超過40°。因此，根據(jù)文獻(xiàn)[5]，認(rèn)為風(fēng)力系數(shù)ca取30°風(fēng)舷角時(shí)的值較安全。

2）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算出鏈長度

由于船舶所受外力的影響因素多且計(jì)算復(fù)雜，為方便計(jì)算，通常使用經(jīng)驗(yàn)公式來確定萬噸級深吃水船舶的出鏈長度S，如式（5）～式（6）所示。

通常錨泊時(shí)（風(fēng)速為20 m/s，即蒲福風(fēng)力8級）：

大風(fēng)浪中（風(fēng)速為30 m/s，即蒲福風(fēng)力11級）：

式中：H為水深，m。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，上述經(jīng)驗(yàn)公式較適用于估算錨泊水深小于60 m時(shí)的出鏈長度。同時(shí)要注意，使用上述公式確定出鏈長度時(shí)，如遇風(fēng)力增強(qiáng)、偏蕩或浪擊，則應(yīng)加長出鏈長度。

3 深水拋錨方法

拋錨按松鏈方式不同，可分為剎車拋錨法和錨機(jī)拋錨法；按拋錨水深的不同，又可分為普通拋錨法和深水拋錨法。采用何種方法拋錨應(yīng)視船舶大小和拋錨水深而定[6]。

通常，當(dāng)拋錨水深小于25 m時(shí)，可采用普通剎車拋錨法，即用錨機(jī)將錨送至水面以上，旋緊剎車帶，脫開離合器將錨備好，然后利用剎車帶拋錨[6]。使用普通剎車拋錨法時(shí)，應(yīng)避免一次松鏈過多。第一次可以松出2倍水深的錨鏈，剎一下車使錨鏈?zhǔn)芰ΓM臥海底；接下來每松一節(jié)錨鏈剎一下車，直到松出預(yù)定出鏈長度的錨鏈；當(dāng)松出最后一節(jié)錨鏈時(shí)，如發(fā)現(xiàn)船舶的退速還比較快，應(yīng)短時(shí)間進(jìn)一下車，使船舶停住，以減少對錨鏈的沖擊力，保證錨泊安全[7]。

當(dāng)拋錨水深為25 m～50 m時(shí)，不可直接由錨鏈孔或水面吊錨狀態(tài)拋錨，可采用深水剎車拋錨法，即用錨機(jī)將錨送至接近海底5 m～10 m處，再將受力轉(zhuǎn)換到剎車裝置上[8]，而后使船在極小退勢下，按普通拋錨法拋錨至合適的鏈長。深水拋錨如只用剎車控制，一旦剎車帶磨損老化、剎車力降低，而錨又加速下拋，會(huì)造成剎不住車，錨鏈將全部拋出或整根丟失[9]。

當(dāng)水深大于50 m時(shí)，應(yīng)采用深水錨機(jī)拋錨法，即用錨機(jī)先將錨送達(dá)海底后以極微的退速（小于1 kN）拋錨，或者利用錨機(jī)將預(yù)定要拋出的錨鏈送出，并使錨鏈橫臥海底。在海底突然變深的海域拋錨時(shí)，先用錨機(jī)將錨送達(dá)海底，隨后用極小速度向岸邊接近，觸到海底時(shí)，繼續(xù)用錨機(jī)鏈松至預(yù)定的長度。

4 算例

以某萬噸級海事船為例進(jìn)行計(jì)算，其側(cè)投影面積為1960.2 m2，正投影面積為350 m2，錨機(jī)的額定起錨能力pw=149 kN，錨重Wa=5 250 kg，錨鏈孔到水面的高度d=6 m，錨鏈長302.5 m（11節(jié)），每米錨鏈重Wc=62.68 kg。

4.1 最大拋錨水深

1）采用錨機(jī)方式拋錨的極限水深

根據(jù)式（2），當(dāng)錨的抓力系數(shù)λa取1.8、δ=5%時(shí)，可得hmax=73.67 m。

2）根據(jù)錨鏈長度計(jì)算拋錨的極限水深

最大水深Ymax≤1/4La，即Ymax≤75.625 m。

因此，該船的最大拋錨水深取為73 m。

4.2 出鏈長度

1）按公式計(jì)算出鏈長度

因出鏈長度與風(fēng)級密切相關(guān)，本算例先按公式（4）計(jì)算不同風(fēng)級下船舶所受的風(fēng)力，計(jì)算結(jié)果見表1，再計(jì)算不同風(fēng)力下的安全出鏈長度，結(jié)果見表2。其中，ca取1.5。

表1 某船在不同風(fēng)級下所受的風(fēng)力

表2 某船在不同風(fēng)力下的安全出鏈長度

表2給出了該船在不同風(fēng)級、不同水深時(shí)的出鏈長度，實(shí)際錨泊時(shí)，還需要保留一定長度（1節(jié)～2節(jié)）的安全余量[10]。因此，該船在8級風(fēng)時(shí)，僅可在60 m水深處錨泊；在9級風(fēng)時(shí)，僅可在40 m水深處錨泊。

2）按經(jīng)驗(yàn)公式估算出鏈長度

根據(jù)式（5）和式（6）估算在 8級風(fēng)和 11級風(fēng)時(shí)，該船在不同水深處所需的出鏈長度，計(jì)算結(jié)果分別見表3和表4。

根據(jù)上述估算結(jié)果，該船在8級風(fēng)時(shí)，最深可在60 m水深處單錨錨泊；在11級風(fēng)時(shí)，僅可在30 m水深處錨泊。

表3 8級風(fēng)時(shí)不同水深所需出鏈長度

表4 11級風(fēng)時(shí)不同水深所需出鏈長度

3）公式計(jì)算方法與經(jīng)驗(yàn)公式估算方法的比較

在8級風(fēng)時(shí)，將公式計(jì)算方法和經(jīng)驗(yàn)公式估算方法獲得的結(jié)果進(jìn)行比較，如表5所示。

表5 8級風(fēng)時(shí)，公式計(jì)算與經(jīng)驗(yàn)公式估算得到的出鏈長度

由表5可知，兩者的計(jì)算結(jié)果比較接近?？紤]到采用公式計(jì)算方法計(jì)算船的外力值時(shí)進(jìn)行了簡化，只考慮了風(fēng)力，而未考慮浪和流，可以認(rèn)為也是一種簡化的算法。因此，在采用公式計(jì)算出鏈長度時(shí)，除非將風(fēng)、浪、流全部考慮進(jìn)去進(jìn)行精確計(jì)算，否則可以直接用經(jīng)驗(yàn)公式估算出鏈長度。

5 結(jié)束語

大型船舶深水拋錨需要注意的事項(xiàng)很多，本文僅對關(guān)鍵的幾個(gè)因素，如拋錨水深、出鏈長度和拋錨方法，進(jìn)行了分析和總結(jié)，可供相關(guān)人員參考。