冰區(qū)航行船舶艏錨和錨鏈的設(shè)計

吳文翔

（中國船級社 武漢分社，湖北 武漢 430022）

0 引 言

冰區(qū)航行船舶在錨泊時的安全性一直備受關(guān)注，目前很多冰區(qū)航行船舶的艏錨和錨鏈都不足以保證船舶錨泊的安全性[1-2]。國際船級社協(xié)會的統(tǒng)一要求、技術(shù)建議[3-4]和各成員船級社的船舶入級規(guī)范對按船舶舾裝數(shù)選用艏錨和錨鏈的方法有一系列假定前提，即：最大水流速度為2.5m/s；最大風(fēng)速為25m/s；出鏈長度（拋出錨鏈的長度與水深之比）為6～10。對于船長大于135m的船舶，限制最大水流速度為1.54m/s，最大風(fēng)速為11m/s，最大有義波高為2m[5]。冰區(qū)航行船舶一般難以滿足這些假定條件。冰區(qū)航線所處的地理環(huán)境復(fù)雜，錨泊水域的遮蔽條件較差，加上高緯度地區(qū)氣象的特殊性，使得錨泊環(huán)境比較惡劣。特別是上述假定中未提及海冰對船舶的作用，而這是冰區(qū)航行船舶在錨泊時遭受海冰侵襲，發(fā)生走錨、斷鏈?zhǔn)鹿实母驹?。因此，僅通過計算舾裝數(shù)選用艏錨和錨鏈，對于冰區(qū)航行船舶而言是不夠的。

下午的議程將大會分為兩大主題分會場，分別圍繞著“轉(zhuǎn)型升級高峰論壇”和“新材料與綠色供應(yīng)鏈”進行主旨演講與高峰論壇環(huán)節(jié)，眾多國內(nèi)外專家學(xué)者、協(xié)會領(lǐng)導(dǎo)與品牌負(fù)責(zé)人進行對話，圍繞著專題內(nèi)容進行研究探討。

1 問題的簡化與處理

冰區(qū)航行船舶在風(fēng)、流、浪和海冰綜合作用下錨泊時的運動十分復(fù)雜，環(huán)境載荷耦合機理尚不明確，理論計算的難度很大，因此在工程應(yīng)用中有必要對問題進行適當(dāng)簡化。

1) 對環(huán)境載荷進行簡化。

對馬鈴薯脆片品質(zhì)各指標(biāo)進行主成分分析，取特征值大于1的因子提取主成分，馬鈴薯脆片品質(zhì)的綜合評分按公式(1)計算菊芋餅干各個試驗組的綜合得分后按公式(2)將得到的綜合評分F進行規(guī)范化處理，并分別計算綜合得分和標(biāo)準(zhǔn)化綜合得分[16]。

(1) 不單獨考慮浪的作用，因為在海冰環(huán)境中浪的耗散能量逐漸消波[6-7]，影響大大減弱，且其作用已體現(xiàn)在海冰運動（如碰撞、翻轉(zhuǎn)、堆積）中，計算海冰載荷就意味著考慮了浪的作用；

(2) 在錨泊水域的流速一般不大（≤2m/s）、流的成分不復(fù)雜的情況下，假設(shè)流作定常運動，可按理想流體處理；

(3) 海冰與船舶的相互作用緩慢，滿足準(zhǔn)靜定方法的條件等。

2) 對錨鏈?zhǔn)芰Ψ治鲞M行簡化。錨泊船舶在風(fēng)、流、浪和海冰綜合作用下的偏蕩運動較為劇烈，錨鏈?zhǔn)艿蕉ǔＡ蜎_擊力2種力的作用，二者的作用機制不同，大小也相差懸殊，其中：定常力作用持續(xù)，是影響錨抓力的重要因素；沖擊力作用短暫，主要導(dǎo)致錨鏈運動和懸鏈形態(tài)發(fā)生改變[8]。因此，應(yīng)分開考慮錨鏈?zhǔn)艿降亩ǔＡ蜎_擊力，其中：定常力用于判斷船舶是否發(fā)生走錨[9]；沖擊力用于考核錨鏈承受載荷的能力。特別強調(diào)的是，在較劇烈的偏蕩運動中，無論是定常力還是沖擊力，都不宜采用靜態(tài)懸鏈模型進行分析，因為誤差較大。替代的分析方法有2種：一是采用錨鏈動態(tài)受力模型進行分析；二是通過試驗和數(shù)值回歸分析得出經(jīng)驗公式，由此進行估算。

（3）土地流轉(zhuǎn)率未達100%，土地難以集中規(guī)劃。雖然現(xiàn)在各村土地流轉(zhuǎn)率已達到95%以上，但是依然有少部分村民不愿將土地流轉(zhuǎn)，所以較難形成大面積的成片土地，并且土地流轉(zhuǎn)期限僅為3～5年，不能保證每次期限過后村民依然愿意土地流轉(zhuǎn)，村委會難以對土地進行集中規(guī)劃、招商引資。發(fā)展高效農(nóng)業(yè)的周期較長，土地流轉(zhuǎn)期限得不到保證的話，商家不愿長久投資，這就限制了高效農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

3) 在簡化物理模型的基礎(chǔ)上，對解決方案進行簡化。目前，以理論計算為基礎(chǔ)設(shè)計艏錨和錨鏈的方法是：先計算出錨泊環(huán)境的總載荷，其次結(jié)合初選的艏錨和錨鏈，借助計算軟件分析船舶運動響應(yīng)，求出錨鏈張力，隨后對船舶的錨泊能力予以考核，最終確定合適的艏錨和錨鏈。該方法的實施過程復(fù)雜，成本較高。為進一步提高效率，可對該方法進行簡化：先分別在風(fēng)、流、浪和海冰單獨作用的條件下對初選艏錨和錨鏈的錨泊能力予以考核，隨后根據(jù)實際常見的環(huán)境載荷疊加的不利情形評價艏錨和錨鏈的適用性。由于當(dāng)前已有較多有關(guān)風(fēng)、流、浪、海冰單獨作

用下的船舶系泊能力的研究成果可借鑒，因此采用該簡化方案既能保證方便實用，又能保證安全性。實踐中，推薦采用考慮錨泊環(huán)境載荷的艏錨和錨鏈設(shè)計評估流程，具體見圖1。

高等學(xué)校應(yīng)將原賬會計科目余額表中 “非流動資產(chǎn)基金”“事業(yè)基金”“財政補助結(jié)轉(zhuǎn)”“財政補助結(jié)余”“非財政補助結(jié)轉(zhuǎn)”“經(jīng)營結(jié)余”的期末余額合計記入新賬“累計盈余”貸方期初余額。

圖1 艏錨與錨鏈設(shè)計評估流程

2 錨泊船舶在不同環(huán)境載荷下的錨鏈力

2.1 風(fēng)載荷下的錨鏈力

2) 在流速為1m/s、入射角為45°的斜流作用下，按式（4）求得錨鏈定常力約66kN，錨鏈沖擊力取定常力的5.5倍，約363kN；

式(1)和式(2)中：F0為船舶正面所受風(fēng)壓；AB為船側(cè)受風(fēng)面積；AB0為船舶水線下的側(cè)投影面積；Pφ為船舶風(fēng)壓中心（風(fēng)舷角90°）與舯部之間的距離，風(fēng)壓中心在舯前Pφ為+，否則為-；LPP為船舶垂線間長。

2.2 流載荷下的錨鏈力

在流的作用下，當(dāng)錨泊船舶達到運動平衡狀態(tài)時，其錨鏈?zhǔn)芰F等于船體和舵受到的水動力合力，即

(1)企業(yè)應(yīng)加強誠信建設(shè)，勇?lián)髽I(yè)社會責(zé)任，樹立良好的企業(yè)形象。通過增強企業(yè)實力，為獲得良好的融資提供堅實的基礎(chǔ)，拓寬融資途徑，吸引直接融資，如利用企業(yè)債券、基金等，實現(xiàn)多渠道的融資，特別要善于利用好民間資本，既減少社會上的閑置資金，又支持了旅游業(yè)的發(fā)展。

式(3)中：CF為水動力系數(shù)，通過船模試驗獲得；ρ為水的密度；AW為船體濕表面的面積；v為流速。

當(dāng)精度要求不高時，可按美國石油學(xué)會（American Petroleum Institute, API）提供的公式[11]估算錨鏈?zhǔn)芰?，?/p>

式(4)中：CE為流力系數(shù)。當(dāng)流從船首或船尾入射時取CE=2.89N·s2/m4，當(dāng)流從正橫向入射時取72.37N·s2/m4；對于以β角入射的斜流，按正交分解的流速分別適用縱向和橫向的流力系數(shù)。

動態(tài)看盤就是在交易時間內(nèi)看盤，靜態(tài)看盤就是在非交易時間之內(nèi)看盤。交易時間內(nèi)看盤能感知當(dāng)時的盤面盤口市場情緒和交易氣氛，這在非交易時間看盤是無法獲知的。動態(tài)看盤看的是過程，靜態(tài)看盤看的是結(jié)果。動態(tài)看盤能獲得更多的盤口各種各樣交易信息。

2) 錨和錨鏈系統(tǒng)能提供的最大水平錨泊力F的計算式為

2.3 浪載荷下的錨鏈力

在浪的作用下，錨泊船舶的錨鏈?zhǔn)芰χ饕Q于二階波浪漂移力QF，其計算式[13]可表示為

瀝青公路路面施工過程中的技術(shù)應(yīng)用，決定著工程施工的成果。為了達成施工目標(biāo)，文章主要針對公路瀝青路面出現(xiàn)不平整的原因以及養(yǎng)護的措施進行了思考，這是對于施工質(zhì)量的保障，有利于提升結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性，延長工程的使用壽命，維護交通出行及運輸安全。

式(5)中：LW為船舶水線長；h為有義波高；φ為波浪入射角，φ≠0；R為漂移力系數(shù)，與波長λ與船長之比有關(guān)[14]。

2.4 海冰載荷下的錨鏈力

海冰載荷取決于冰況和船舶與海冰的相對運動。錨泊區(qū)域的海冰一般以小塊浮冰的狀態(tài)存在，錨泊船舶的海冰載荷就是其受到的碎冰阻力。根據(jù)楊佳東等[15]的研究，碎冰阻力RI的計算式可表示為

式(6)～(9)中：Cs為水體參數(shù)，海水取1.0；Ch為涂層參數(shù)，漆取1.0；T為海冰表面溫度；fσ為海冰彎曲強度；γ為船首沿船寬方向外飄角的平均值；θ為船首縱剖線與水線面夾角的平均值；B為船舶型寬；D為船舶型深。

需說明的是，改變海冰作用于錨泊船舶的角度可使錨鏈張力陡增，峰值能達到其定常力的1.4倍[15]。

2.5 冰區(qū)錨泊常見的幾種環(huán)境載荷疊加的情形

1) 開闊水域風(fēng)、流、浪作用疊加。除了風(fēng)、流、浪的載荷疊加以外，還要注意流與浪的耦合作用可使浪的二階漂移力增大25%（浪對流的載荷影響很?。16]。

大豆屬豆科、蝶形花亞科，大豆屬。干豆稱為黃豆，青鮮豆稱毛豆。大豆是短日照、喜溫、需水較多、對土壤條件要求不嚴(yán)適應(yīng)性較強的作物。

2) 冰區(qū)風(fēng)、流、浪、海冰作用疊加。按照前述簡化問題的原則，在該情形下不計算浪載荷，但在波高大于1m時應(yīng)考慮浪與海冰的耦合作用會導(dǎo)致冰作用力增加10%[17]。

3) 冰區(qū)風(fēng)、海冰作用疊加。這是冰區(qū)錨泊常見的情形，該情形下的環(huán)境載荷是冰區(qū)航行船舶錨泊必須滿足的基本要求。

3 艏錨與錨鏈的適用性評價

錨鏈張力水平分量H的計算式為

3.1 走錨

1) 防止錨泊船舶走錨的條件是：錨鏈張力水平分量H不大于最大水平錨泊力F，即H≤F。

錨泊船舶的錨鏈?zhǔn)芰Σ粌H取決于環(huán)境載荷，而且受艏錨和錨鏈的型式、拋錨方式和出鏈長度等因素的影響。為更好地討論環(huán)境載荷對錨鏈?zhǔn)芰Φ挠绊懀鑼︳煎^和錨鏈的型式、拋錨方式和出鏈長度做統(tǒng)一假定，即：假定使用同一型式的艏錨和錨鏈，拋單錨，出鏈長度（拋出錨鏈的長度與水深之比）為9，錨泊力與錨鏈張力平衡時至少有1節(jié)錨鏈臥底。

錨鏈不發(fā)生變形或破斷的條件是：錨鏈沖擊張力的峰值不大于其拉力試驗載荷。錨鏈拉力試驗載荷見表2[19]，其中d為錨鏈直徑，mm。

式(10)中：T0為錨鏈張力的定常值，按前文所述方法計算，kN；Wc為每米錨鏈的濕重，N/m；h為拋錨水深，m。

如樂善秦腔表演中的秦劇《下河?xùn)|·趕駕》中趙匡胤的大段唱腔：“河?xùn)|城困住了趙王太祖，把一個真天子晝夜巡營，黃金鎧每日里將王困定，可憐王黃驃馬未解鞍籠，王登基二十載干戈未盡，手提上盤龍棍東打西征，五王八侯都喪命，朝廊里無人來領(lǐng)兵，——在河?xùn)|王哭的珠淚傾，是何人又來統(tǒng)領(lǐng)兵。”這段唱詞不僅反映了宋朝重文輕武的事實，這還唱出了天子因錯用人，致使先行喪命，而朝中無人掛帥，自己親自領(lǐng)兵晝夜巡營的痛苦心情。

值得注意的是，在流的作用下，錨鏈所受沖擊力的峰值可達其定常力的3～8倍[12]。

式(11)中：λa為錨的抓力系數(shù)，取決于錨型、錨地底質(zhì)、抓底姿態(tài)和錨鏈出鏈長度等，參考值見表1[18]；Wa為錨的濕重，等于錨在空氣中的重量乘以0.867，N；λc為錨鏈的抓力系數(shù)，通常取0.75；Wc為每米錨鏈的濕重，N/m；Lb為臥底錨鏈的長度，m。

表1 錨抓力系數(shù)試驗結(jié)果參考值

1) 在蒲氏7級風(fēng)（風(fēng)速17.1m/s）的作用下，按式(1)求得錨鏈定常力約133kN，按式(2)求得錨鏈沖擊力約649kN；

3.2 錨鏈變形或破斷

歷史是不可能發(fā)生的事：企圖用不完整的知識，來解釋本身就在不完整的知識下發(fā)生的行為。因此它教導(dǎo)我們，沒有通向“救贖”的捷徑，沒有制造“新世界”的秘方，只有兢兢業(yè)業(yè)和耐心的做法才行得通。我教導(dǎo)你們，通過不斷努力解釋，我們也許可以最終得知——并非某種解釋——我們進行解釋的能力是極其有限的[2]92。

表2 錨鏈拉力試驗載荷

4 參考案例

案例船舶的基本參數(shù)為：總長100m；垂線間長90m；型寬18m；型深9m；設(shè)計吃水5.6m；滿載排水量5000t。設(shè)計該船航行的最嚴(yán)重冰況見圖2。經(jīng)調(diào)查，船舶航行過程中潛在錨泊區(qū)域的環(huán)境參數(shù)和相關(guān)信息為：海床質(zhì)地為砂石；水深20～35m（計算取25m），流速≤2kn；常有風(fēng)蒲氏4～5級，陣風(fēng)可達7級；每年11月至來年3月可見厚度約0.4m的薄當(dāng)年冰和跨度≤10m的小塊浮冰，冰況見圖3。

在監(jiān)督機制建設(shè)中要重點強化企業(yè)的成本監(jiān)督和相關(guān)管理工作，要以成本作為監(jiān)督的目標(biāo)，理順企業(yè)生產(chǎn)、管理的經(jīng)濟關(guān)系，從成本控制的角度構(gòu)建起有針對性、可執(zhí)行的監(jiān)督平臺和監(jiān)督制度，真正將監(jiān)督工作的重點放在對企業(yè)各項成本的控制工作上，提升企業(yè)成本管理、運營管理的效率，打造企業(yè)在生產(chǎn)、管理和經(jīng)營上的經(jīng)濟、組織與成本優(yōu)勢。

圖2 設(shè)計航行的最嚴(yán)重冰況

圖3 潛在錨泊區(qū)域的冰況

4.1 初步選擇艏錨和錨鏈

經(jīng)計算，船舶水線以上的側(cè)投影面積為750m2，求得舾裝數(shù)為927。按舾裝數(shù)初步選取艏錨（馬氏錨，單重2850kg）2只和直徑為φ42mm的AM3錨鏈495m，滿足中國船級社《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》的要求。

4.2 冰區(qū)錨泊幾種常見環(huán)境載荷疊加情形下的錨鏈?zhǔn)芰浪?/h3>

4.2.1 開闊水域風(fēng)、流、浪作用疊加情形下的受力估算

對于海冰作用在錨鏈上視為錨鏈荷重并由此增大錨泊力的問題，本文暫不討論，而是將其作為錨泊力的安全冗余。

在風(fēng)的作用下，錨泊船舶的錨鏈?zhǔn)艿降牧ΠǘǔＡ1和沖擊力F2，根據(jù)井上欣三[10]的研究，這2種力的計算式可表示為

數(shù)據(jù)管理、預(yù)警管理與預(yù)警發(fā)布管理3個模塊安裝在服務(wù)器端，由于交互性較強，采用B/S架構(gòu)，基于ASP.NET的MVC模式設(shè)計。預(yù)警分析引擎也安裝在服務(wù)器端，由于不需要進行詳細的配置，采用C/S架構(gòu)。服務(wù)器端實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)管理、預(yù)警規(guī)則設(shè)定、預(yù)警分析處理等功能，在接收到實時數(shù)據(jù)后，進行分析計算，判別是否超警，同時生成預(yù)警消息，推送至客戶端。

3) 在平均波長為200m[17]、有義波高為4.31m（7級風(fēng)對應(yīng)海況）[18]、入射角為45°的斜浪作用下，按式(5)求得浪載荷約124kN，若考慮浪與流的耦合作用，載荷峰值可達155kN。

以上載荷疊加，在最不利的情況下可使錨鏈所受定常力達到354kN，沖擊力達到1167kN。

4.2.2 冰區(qū)風(fēng)、流、浪、海冰作用疊加情形下的受力估算

1) 風(fēng)與流作用下的受力計算同上，浪載荷不計。

2) 在密集度為60%、相對運動速度為1m/s的小塊浮冰的作用下，錨泊船舶受力按式(6)～式(9)求得，約32kN；若考慮浪與海冰的耦合作用，錨鏈?zhǔn)芰稍鲋?5kN；若考慮海冰作用角度改變導(dǎo)致的受力陡增，最大可至49kN。

以上載荷疊加，在最不利的情況下使錨鏈所受定常力達到248kN，沖擊力達到1061kN。

2017年8月8日，共建“平安西江”行動啟動。記者通過專訪廣東海事局局長陳畢伍了解到，在一年多的建設(shè)時間里，共建“平安西江”行動取得了階段性成果，該行動也讓廣東海事局追求的水上安全監(jiān)管長治久安目標(biāo)得到進一步實現(xiàn)。

4.2.3 冰區(qū)風(fēng)、海冰作用疊加情形下的受力估算

這種情形下，錨鏈所受定常力可達182kN，沖擊力可達698kN。

4.3 初選艏錨和錨鏈的適用性評價

初選2只馬氏錨（單重2850kg）和直徑為φ42mm的AM3錨鏈，取錨的抓力系數(shù)為6，按式(11)估算拋單錨時的最大水平錨泊力為153kN，遠小于開闊水域風(fēng)、流、浪疊加作用下的錨鏈?zhǔn)芰Γ幢悴扇　耙稽c錨”式拋錨方法（見圖4）使總錨泊力增大1倍，也不能滿足錨泊需求。初選直徑為φ42mm的AM3錨鏈的拉力試驗載荷為984kN，小于前述4.2.1、4.2.2情形下錨鏈所受沖擊力，錨鏈強度得不到保證。由此，必須加大艏錨和錨鏈的選型規(guī)格。

4.4 最終選定的艏錨和錨鏈

實際選取艏錨（馬氏錨，單重3300kg）2只和直徑為φ46mm的AM3錨鏈577.5m，在相同條件下估算的最大水平錨泊力為181kN，在最不利的錨泊環(huán)境下，采取“一點錨”式拋錨方法能滿足錨泊需求。直徑為φ46mm的AM3錨鏈的拉力試驗載荷為1171kN，大于最不利情形下錨鏈所受沖擊力，表明錨鏈強度能得到保證。

圖4 “一點錨”拋錨示意

5 結(jié) 語

冰區(qū)航行船舶所處拋錨環(huán)境及對海冰作用力的特別考慮超出了根據(jù)舾裝數(shù)選用艏錨和錨鏈的適用前提，因此舾裝數(shù)法并不完全適用于冰區(qū)航行船舶的錨泊設(shè)計。為改進冰區(qū)航行船舶的錨泊設(shè)計，有必要對冰區(qū)錨泊的環(huán)境載荷進行分析，在此基礎(chǔ)上預(yù)報錨鏈?zhǔn)芰Σ⑦x擇適用的錨泊設(shè)備。對于上述問題，通常需采用大型軟件進行計算求解，但在設(shè)計任務(wù)允許的情況下也可采用公式法進行簡化處理。

在冰區(qū)環(huán)境因素疊加的不利情形下，錨泊船舶的艏錨和錨鏈負(fù)荷很大，其中以開闊水域的風(fēng)、流、浪作用疊加為最不利情形。為保證錨泊安全，除了應(yīng)適當(dāng)增大艏錨和錨鏈的規(guī)格選型以外，還需采用“一點錨”等拋錨方法加以應(yīng)對。