大连LNG专用锚地锚泊安全

陈昌源 戴 冉 姜 灿 王汉弢 首智宇

大连LNG专用锚地锚泊安全

陈昌源 戴 冉 姜 灿 王汉弢 首智宇

为进一步研究大连LNG专用锚地锚泊安全，根据国内外相关规范，在综合分析专用锚地附近自然环境的基础上，通过定量计算和定性分析方法对LNG专用锚地进行安全评估，得出满足LNG船舶安全要求的风、流限制条件和总出链长度大小，利用实船试验对专用锚地进行研究并提出合理化建议，对提高LNG船舶进出大连港区具有一定的借鉴意义。

大连LNG专用锚地位于大连大三山岛的东偏南侧，距大三山岛最近距离1360m，位于大连LNG码头194°方向约9公里处，专用锚地位置水深约44～47m，锚地海底面高程在-39.76～-42.86 米。根据规范，LNG船舶应设置专用锚地，LNG专用锚地与LNG码头和其它锚地的距离应大于1km，如图1所示，大连LNG专用锚地平面布置图

大连LNG专用锚地附近自然环境

大连LNG专用锚地位于大连湾东南，属海洋性气候。根据大连金县气象台统计分析：

（1）气温

多年平均气温：10.5℃；平均最高气温：14.8℃；平均最低气温6.5℃ ；极端最高气温：35.3℃；极端最低气温：-21.1℃。

（2）降水

年平均降水量：558.6 mm；日最大降水量：186.4 mm；日降水量≥25.0 mm的日数7.3天/年，日降水量≥50.0 mm的日数2.4天/年。

（3）风

图1　大连LNG专用锚地平面布置图

锚地受季风影响，夏季多南风，冬季多偏北风。全年常风向为N，频率为19.45％；年平均风速为5.8 m/s，六级以上大风的频率为8.4％，以N向大风为主；最大风速34.2 m/s，风向N。

（4）流

LNG专用锚地总的流动趋势：涨潮流主流向偏SW～WSW向，落潮流主流向偏NE～ENE向。大潮期10-1测站各层涨潮流最大流速介于60～84cm/s，流向偏SW～WSW；落潮流最大流速介于56～80cm/ s，流向偏NE～ENE；10-2测站各层涨潮流最大流速介于74～82cm/s，流向偏SW～WSW；落潮流最大流速介于68～92cm/s，流向多偏NE～ENE。

LNG专用锚地安全评估

根据《海港工程施工手册》中的关于锚的应用和风、流对船舶影响的规定，对大连LNG专用锚地设计船型所受风流外力、锚系留力以及锚链摩擦力进行计算，得出满足LNG船舶安全要求的风、流限制条件和总出链长度大小。

船型选择

根据大连LNG码头工程的设计规模，LNG专用锚地的代表船型为26.7万m3和21.6万m3LNG船型。代表船型尺度见表1。

表1　设计代表船型尺度表

锚泊安全计算

（1）锚系留力

锚系留力决定于锚的重量、形状、底质、锚链长度及其重量等。锚系留力可按下式计算（受力分析图如图2所示）。

式中，P为系留力，是锚抓力和锚链摩擦力之和（9.81N）；Wa为锚在水中的重量，即锚在空气中的重量×0.867（kg）；Wc为锚链每米长在水中的重量（kg/ m）L1为锚链卧底部分的长度（m）；λa、λc为锚的抓力系数和锚链的摩擦系数，分别见表2。

表2　霍尔锚的λa及λc表

由于LNG专用锚地场地岩土层主要为淤泥、粉砂、粉质黏土，但场地中粉砂及粉质黏土的厚度较小，因此，抓力系数的取值应介于泥与砂之间。在LNG专用锚地计算中，锚抓力系数和锚链的摩擦系数取底质为砂泥的系数，即：λa=8，λc=2。

（2）单锚泊锚链悬链长度及其作用

根据数学分析中的悬链线计算公式，得悬链部分长度公式：

式中：H为锚链（缆）孔至水底高度；L2为锚链（缆）悬垂部分长度；T0为船体水平向所受的外力。

（3）单锚泊安全出链长度

根据锚链受力分析，设悬垂锚链与海底线（X轴）的夹角为β，见图2，显然：

总出链长度S0为：

（4）风、流外力

风压力计算：

流压力计算：

由于锚泊时水对船舶的相对流速（就是锚地的水流速度） 一般较低，所以雷诺数Re较小，用傅汝德公式的计算结果虽然偏高，但符合锚泊的安全可靠的要求， 建议使用该公式。即：

式中：f为水对船体的摩擦系数，钢质船壳通常取f=0.17；Ω为水线以下船体湿表面积；Vw为水流速度。

图2　锚泊受力分析图

对于大型LNG锚泊船，在恶劣天气情况下，对锚泊安全影响的主要因素是风和流。

LNG专用锚地安全实例计算

专用锚地风、流限制条件及出链长度计算

根据上述分析，结合设计船型资料，以26.7万m3和21.6万m3LNG船作为代表船型计算不同出链长度情况下的锚泊力，其中主要参数及计算结果如下。

26.7万m3LNG船主要参数：（L=345m，B=53.2m，D=27m，满载吃水d=12m，压载吃水d’=9.6m），λa=8，λc=2，锚地水深取45m，水面以上锚孔的垂直高度为5m，流速选最大流速1.17m/s，锚重18.375 t， 每米链重0.342t/m，风舷角=30°，风压力系数Ca取1.5。满载时，Aa=1668 m2，Ba=8065 m2，Ω=21500 m2；压载时，Aa=1794 m2，Ba=8895 m2，Ω=19651 m2。

21.7万m3LNG船主要参数：（L=315m，B=50m，D=27m，满载吃水d=12m，压载吃水d’=9.65m），λa=8，λc=2，锚地水深取45m，水面以上锚孔

垂直高度为5m，流速选最大流速1.17m/s，锚重17.250t，每米链重0.315t/m，风舷角=30°，风压力系数Ca取1.5。满载时，Aa=1550 m2，Ba=7603m2，Ω=18600 m2；压载时，Aa=1660 m2，Ba=8030 m2，Ω=16700m2。

当流速确定时，流对船舶的流动压力就一定，当流速Vw=1.17m/s时，26.7万m3LNG船满载受流动压力为0.5t，压载为0.45t；21.7万m3LNG船满载受流动压力为0.44t，压载为0.4t。

计算结果分析

由于LNG专用锚地水深在44～47m之间，加之LNG船受风面积较大，因此受风的影响较为明显，抛锚所需链长要比一般船舶长。经调查分析，上述两种船型锚链长度左右舷均为14节，每节27.5m。且风舷角取30°，而实际锚泊时风舷角一般小于30°，所以表中的计算结果比实际情况要偏大。船舶锚泊时如采用该计算结果会有利于安全。

（1）26.7万m3LNG船在满载的情况下，风力5级时，可抛5～6节链；风力6级时，可抛6～7节链；风力7级时，可抛9节链；风力8级时，可抛10节链；风力9级，可抛12节链，可以满足安全锚泊的要求。风力10级，抛14节链仍不能满足要求，此时需抛双锚或进行在航避风。

（2）26.7万m3LNG船在压载的情况下，风力5级时，可抛6节链；风力6级时，可抛7节链；风力7级时，可抛9节链；风力8级时，可抛11节链；风力9级，宜抛12～13节链，可以满足安全锚泊的要求。风力达到10级或以上，抛14节链仍不能满足要求，此时需抛双锚或进行在航避风。

（3）21.7万m3LNG船在满载的情况下，风力5级时，可抛6节链；风力6级时，可抛6～7节链；风力7级时，可抛9节链；风力8级时，可抛10～11节链；风力9级，宜抛12节链，可以满足安全锚泊的要求。风力10级，抛13节链仍不能满足要求，此时需抛双锚或进行在航避风。

（4）21.7万m3LNG船在压载的情况下，风力5级时，可抛6节链；风力6级时，可抛6～7节链；风力7级时，可抛9节链；风力8级时，可抛11节链；风力9级，宜抛12～13节链，可以满足安全锚泊的要求。风力达到10级或以上，抛14节链仍不能满足要求，此时双锚或进行在航避风。

表3　最大流速下26.7万m3LNG船满载不同风力出链长度计算结果（以此为例）

图3　不同风力条件下的安全出链长度

图4　LNG专用锚地实船试验结果

实船试验验证及合理化建议

为了验证锚泊的安全性，进行锚地实船适应性试验验证，借助大连海事大学教学实习船“育鲲”轮，在大连LNG专用锚地进行实船锚泊试验。“育鲲”轮船型尺度为：总长116.00 m、型宽18.00 m、型深8.35 m、设计吃水5.40 m。

试验过程中水文气象条件如下：

风向：由西北逐渐转至东北；风力：3～4级，阵风有时达5级；流向：基本为东西方向，涨潮流向约为SW～WSW，落潮流向约为NE～ENE；流速：0.5～1节；波浪等级为：小波至轻浪。

对锚泊数据和图像进行定性、定量分析得知：

1.根据起锚时锚冠上附着的泥土，该锚位处表层底质为泥沙与砂砾混合底质，是适合船舶锚泊的底质条件，与上文论述一致。

2.在上述水文气象条件下，“育鲲”轮抛右锚7节入水，24小时内锚位没有明显变化；船舶偏荡运动比较明显，但幅度不大，经“育鲲”轮先进的测试设备实时监控，无任何走锚情况发生，说明船舶锚泊稳定。

3.LNG锚泊实船试验反映出该锚位比较适合船舶锚泊，但应注意试验船型相对于代表船型26.7万m³的LNG船（L=345m，B=53.2m，D=27m，满载吃水d=12m）来说，船型尺度较小，在出链长度、占用锚泊水域的半径、与大三山岛的距离等方面，试验船舶与设计代表船型均有一定的差别，因此在LNG船舶使用专用锚地时，前期应注意锚泊情况，总结经验，逐步完善锚泊方案。

4.LNG船舶锚泊时，应加强值班，勤测锚位，避免船舶走锚，与大三山岛保持一定的安全距离；当风流过大以致有走锚的危险时，建议单锚泊船改抛双锚或在航避风。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.17.004