锚链直径对船舶锚泊能力的影响

2014-02-07胡晓芳丁德勇

中国舰船研究 2014年4期

胡晓芳，丁德勇

1 中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

2 海军装备部驻沈阳地区军事代表局，辽宁沈阳110031

0 引言

锚装置是保证船舶安全锚泊的重要设施。船舶在锚泊期间，主要依靠锚产生抵抗环境力的抓力，由锚链传递到船舶上，从而实现锚泊。在以往的船舶设计中，都是按照船级社的要求，根据计算得到的舾装数对照表格来选取相应等级的锚与锚链。随着制造业的发展，现在已能生产具有更高破断负荷的海洋系泊链，具有利用链径更小的海洋系泊链代替现有规范中电焊锚链的能力，同时还能减轻锚链重量、缩小锚链舱所需容积、减轻船总体的负担。

目前，有关锚链在锚泊状态受力方面的文献一般都是将锚链简化为一根曲线进行计算［1-5］，忽略了链环自身不可弯曲的特点。本文将以单个链环为微元对锚链在锚泊状态所形成的悬链线方程进行推导，利用方程完成不同链径锚链在抛锚长度、最大可承受环境力、最大抛锚深度等方面的计算分析，对计算结果进行理论分析，并根据计算结果进行锚链直径对船舶锚泊能力影响的分析，提出选取锚链直径所应考虑的主要问题。

1 建立方程

船舶在抛锚系留时，锚链呈悬链状态。由于锚链的柔性较好、质量均匀，因此可以视作简单的悬链线，如图1［6］所示。

图1 锚链悬链状态示意图Fig.1 Sketch map of anchor chain at anchorage

作用于船舶的环境力的合力H 为水平方向，该力通过锚链作用于锚。在不发生走锚时，锚的水平抓力H0与环境力H 平衡，即H0=H 。一般情况下，抛锚长度应保证悬链线在锚点处与海底相切(θ0=0)，在这种情况下，锚链与锚连接处仅受到水平力H 的作用(V0=0)，此时，锚链的重力全部由舰船支撑。设每个链环的重量为g，链环内部长度为L，链环总数量为n，锚链的总长度为s，则可以计算得到系锚点处垂直方向的力V 与水平线的夹角θ，如式（1）所示。

假定环境力H 和抛锚深度y 不变，以普通链环为单元进行受力分析，如图2 所示。

图2 链环悬链状态受力分析图Fig.2 Force resolution of anchor chain link at anchorage

单个链环受力包括链环两端的张力Ti和Ti+1，以及自身的重力与浮力（为简化计算，略去单个链环受到的浮力，则单个链环的重力与浮力的差值等于g），其受力平衡关系如式（2）所示。

抛锚深度y 与链环个数n 的关系如式（3）所示。

锚点与系锚点之间的水平距离x 与链环个数n 的关系如式（4）所示。

在环境力H 、抛锚深度y 一定的情况下，选择一定的链径即可利用式（1）～式（4）完成所抛链环个数的计算，进而得到抛锚长度、水平距离等参数。

2 计算分析

2.1 设计输入

以某万吨级水面船的锚系设计为例，其舾装数为1 908。根据《钢制海船入级与建造规范》，可选用总长度为577.5 m 的锚链，锚链可选用Φ =76 mm 的AM1 级锚链，或Φ = 66 mm 的AM2 级锚链，或Φ=58 mm 的AM3 级锚链，并相应选配锚机及其他锚系设备。

假定船舶受到的环境力H = 150 kN，抛锚深度y = 100 m，锚链长度均为302.5 m，各锚链所对应的锚均为自重5 610 kg 的霍尔锚，分别对表1 所示各链径锚链进行抛锚长度、最大可承受环境力或抛锚深度的计算。

表1 计算链径参数表Tab.1 Parameters of anchor chain link

2.2 抛锚长度

当船舶受到的环境力H = 150 kN，抛锚深度y= 100 m 时，对各链径锚链进行抛锚长度的计算，结果如表2所示，所形成的悬链线如图3所示。

由计算结果可见，随着锚链链径的减小，达到同样锚泊力所需的抛锚长度s 明显增大，锚泊点的水平距离x 逐渐增大，但系锚点处的拉力却有所减小。这是由于链径减小后，每个链环的自重有所减少，根据抛锚状态锚链的悬链线方程［9］（式（5）），链环自重的减少会引起悬链系数a 的增大，从而造成抛锚长度和水平距离的增加。在系锚点的拉力方面，虽然链径小的锚链抛锚长度较长，但链径小的链环重量较轻，两者的乘积（即所抛锚链的总重）较小，因而系锚点处的垂直分力V 较小。在环境力H 一定的情况下，系锚点处的拉力较小。

表2 抛锚长度计算结果对照表Tab.2 Lengths of anchor chains with different diameter

图3 不同链径锚链悬链线对照图（水深相同）Fig.3 Catenarys of anchor chains with different diameters（determined depth of water）

从船舶锚泊的实际需求出发，在抛锚水深一定的情况下，若可供单艘船舶锚泊的水域较大，可选用相对较细的锚链；若可供单艘船舶锚泊的水域受限，则需选用相对较粗的锚链，且受限水域的面积越小，所配锚链的链径应越粗。

2.3 最大可承受环境力

当船舶的抛锚深度y = 100 m，抛锚长度为280 m 时，对各链径锚链进行所能承受的最大环境力的计算，结果如表3 所示。

表3 最大环境力计算结果对照表Tab.3 Environmental forces provided by anchor chains with different diameters

由计算结果可见，随着锚链链径的减小，同样长度的锚链所能承受的最大环境力明显减小，相应所需的系锚拉力也随之迅速减小。这是由于抛锚深度和抛锚长度确定之后，不同链径的锚链形成了同样的悬链线，在系锚点处所形成的角度也相同。由式（6）可见，在系锚点处锚链倾角一定的情况下，锚链所能承受环境力的能力与其自身重力成比例，因此，所配锚链的链径越大（即锚链自重越重），所能承受的环境力便越大。

从船舶锚泊的实际情况出发，由于上述各链径锚链所系的均为自重5 610 kg 的霍尔锚，该型锚的抓重比为3［10］，即其所能产生的最大拉力为165 kN，而计算所得的各链径锚链所能承受的最大环境力均超过了165 kN，表明实际使用中不可能发生锚泊力大于165 kN 的情况，所以上述各链径的锚链均能满足实际使用需求。但是，根据国内外的设计惯例［11-15］，当选用大抓力锚时，其锚重可取为霍尔锚的75%。例如，用AC-14 型大抓力锚代替霍尔锚时，根据标准［16］，可选用名义质量为4 210 kg 的AC-14 型大抓力锚。由于该型锚的抓重比为8［17］，则其所能产生的最大拉力为330 kN，此时，仅AM1 型锚链能满足锚泊要求。由此可见，当选用大抓力锚，在确定锚链链径时，应根据船舶所需承受的最大环境力要求及所选锚能产生的最大拉力综合决定。

2.4 最大抛锚深度

当船舶受到的环境力H = 150 kN，抛锚长度为280 m 时，对各链径锚链进行抛锚深度的计算，结果如表4 所示，所形成的悬链线如图4 所示。

表4 抛锚深度计算结果对照表Tab.4 Depths of water supported by anchor chains with different diameters

图4 不同链径锚链悬链线对照图（抛锚长度相同）Fig.4 Catenaries of anchor chains with different diameters（length of anchor chain is determined）

由计算结果可见，随着锚链链径的减小，抛同样长度的锚链，所能适应的抛锚深度明显减小，锚泊点的水平距离逐渐增大，但系锚点处的拉力有所减小。这是由于链径减小后，每个链环的自重有所减少，根据系锚点的受力方程（式（7）），在环境力与抛锚长度一定的情况下，链环自重与链环长度的比值g/L 的减小会引起悬链系数a 的减小，从而造成抛锚深度的减小和水平距离的增长。在系锚点的拉力方面，锚链链径的减小会引起锚链总重量的减轻，而各链径锚链所承受的环境力均相同，因此，锚链总重量越重其系锚点拉力便越大。

从船舶锚泊的实际情况出发，大部分锚地的水深在20 m 左右，对于这一情况，所述各链径锚链均能满足抛锚要求。即使是深水港，由于其水深一般不超过100 m，所选各链径锚链也能满足抛锚要求。但对于特殊情况（如紧急抛锚），则应根据所配锚链的链径判断是否具备抛锚条件。

2.5 对比分析

分别从抛锚长度、最大可承受环境力、最大抛锚深度等3 个方面对锚链直径对船舶锚泊能力进行综合对比，如表5 所示。

表5 锚链直径对舰船锚泊能力影响对照表Tab.5 Anchoring capability provided by anchor chains with different diameters

由上表所列的结果可见，无论是抛锚长度、最大可承受环境力还是最大抛锚深度，都呈现出了同样的结果，即在锚链长度相同时，链径越大的锚链锚泊能力越强。其中，在最大可承受环境力方面，若采用霍尔锚等普通锚，其最大抓力一般不会超过规范所规定的对应链径锚链所能达到的最大可承受环境力，但若采用大抓力锚，则可能会产生所配链径较小的锚链无法发挥出锚所能产生最大抓力的情况；在抛锚深度方面，按照规范所规定的锚链长度配置锚链一般能满足锚地、港口等水域的抛锚要求。考虑到配置链径较大的锚链需要相应配置更大的锚机等锚系设备，也需要更大的锚链舱存储锚链，会占用更多的船总体资源；因此在明确船舶所应承受的最大环境力后，可综合锚地条件、锚泊所需水域大小、所配锚的最大抓力等来最终确定合适的锚链直径。

3 结语

本文利用以单个锚链链环为微元所建立的悬链线方程，分别从抛锚长度、最大可承受环境力及最大抛锚深度等3 个方面对不同链径锚链的锚泊能力进行了计算分析，结果表明，链径越大的锚链其锚泊能力越强。从其本质分析，是自重越重的锚链其锚泊能力越强。对实际使用而言，若采用霍尔锚等非大抓力锚，或对锚泊水域面积无明确要求、没有在深水中抛锚的特殊需求等，可以选用链径相对较细的海洋系泊链代替目前规范中规定的电焊锚链。对船总体设计而言，选用链径越大的锚链需要更大的锚链舱，需要配置更大的锚机、掣链器等设备，不仅占用更多的总体资源，也会对船舶的浮态产生不利影响。因此，在满足锚泊需求的前提下，建议选择直径较小的锚链。

此外，若在舾装数表中增加海洋系泊链与舾装数的对应关系，将便于船总体设计在有需求指导的情况下进行海洋系泊链的选择。

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