大型船舶深水锚泊极限水深的估算方法

2018-11-21洪恩瑰

世界海运 2018年10期

洪恩瑰

一、引言

航海实践经验表明，通常情况下，如果条件具备，大型船舶一般会选择30～40米水深的锚地锚泊[1-2]。然而在特殊情况下，例如富查伊拉港（Fujairah Port）[3-4]，其沿岸可供大型油船锚泊海域的水深大多在100米以上，因此，受天然水域条件限制，大型船舶不得不选择深水抛锚方法以确保锚泊安全[5]。

众所周知，锚泊水域的水深越深，则船舶所需的出链长度就越长，但实际船舶配备的锚链长度是有限的，且锚机的起锚力也要受到锚机自身额定功率的限制。锚泊操纵过程中，若锚机松出锚链过长，则锚可能收不回来，出现丢锚事故；若锚机松出锚链过短，虽能避免丢锚事故，但可能导致锚泊力不足而危及船舶安全。这就需要船长事先根据本轮锚设备的具体情况对本轮最大锚泊水深进行评估，既要保证锚设备的安全，又要保证锚泊安全。

本文凭借个人多年的大型船舶船长经验，考虑深水锚泊安全所涉及的锚抓力、锚机负荷、锚位附近船舶通航密度、气象水文条件、锚地底质等诸多因素。在其他条件均满足安全要求的情况下，船长在确定锚泊水域的极限水深时主要是权衡安全的锚泊力与能够安全被收回的锚机负荷之间的关系。根据有关资料的估算公式，结合大型船舶的尺度特征对其进行相应参数修正，以满足实际航海锚泊安全操纵的需要。文中以某VLCC油轮在富查伊拉港外深水锚地极限水深的选取为案例，实践验证估算方法的简单性和实用性。

二、深水抛锚极限水深的估算

在进行深水锚泊之前，船长确定极限水深时主要应考虑的因素是保证一定锚泊力的出链长度和确保锚能够安全被收回的锚机负荷。

锚机的起锚力是确定船舶深水锚泊极限水深的重要指标之一。

1.考虑锚机负荷的极限水深计算方法

根据船舶配备的锚机额定起锚力的设计标准，理论上，深水锚泊时的水深极限（hmax）可通过下式计算[6]：

式中：Pw为锚机额定起锚力（t），或锚机额定负荷；Wa为锚重（t），一般情况下，船型尺度越大，锚重量也越大；λa为锚的抓力系数，根据锚型和底质确定；Wc为单位链长重量（t/m）；d为锚链孔至水面的距离（m），可根据船舶型深D和首吃水df大致估算，即d=D-df。

可见，式（1）的计算值仅是理论上的极限水深，没有任何富余量，若航海实践中直接使用，存在一定风险。因为实践中既要对锚机的负荷留有余量，也要对出链长度留有余量。

2.经修正的极限水深计算方法

考虑到式（1）的局限性，将从船型尺度的影响和锚机负荷保留量角度进行修正。

船舶大型化是现代造船业发展的必然趋势，其中的VLCC（如图1所示）是现代大型船舶制造的代表，是衡量一个国家船舶制造水平和能力的重要标准。大型化船舶会引起大惯性、长时滞等异常操纵特性，使得操作难度急剧增加。因此，各指标的选取应偏于安全性。

图1 某VLCC船舶海上运动俯视图

对于类似于VLCC的大型船舶设计而言，随着船型尺度的大型化发展，甲板机械的布设位置也发生相应改变，如图2所示。因此，锚链孔至锚机之间的距离lBE常常超过10米，与传统船舶尺度相比，由此所产生的链长增加量已经变得不可忽略，甲板上的锚链长度也应予以考虑，因此，需要对式（1）进行尺度修正。

另外，实际应用过程中，如果考虑锚的抓力的影响，式（1）也不适用。例如，某VLCC配备15吨的AC-14型锚，其锚机额定负荷为60吨。根据资料，AC-14型锚的抓力系数λa为8～11，则hmax计算结果将为负值。因此，在实际计算中，将λa设定为1，这就意味着在起锚过程中锚即将离开海底的瞬间锚的抓力仅剩锚的重力，此时要求船长动车使锚脱离锚位。

图2 锚泊船锚链布置示意图

综合上述两点原因，在实际操作过程中大型船舶水深锚泊的水深极限可按照下式进行修正：

式（2）根据锚机设备在实际应用中的状况对其留有一定的余量δ，一般新船δ=5%。对于老旧船，随着船龄的增大，设备逐渐老化，锚机起锚力也会逐渐降低。因此，在实际计算中，船长可以根据本船锚机的实际情况，对保留锚机起锚力余量做出适当的调整。lBE的长度取决于甲板锚机机械的安装位置及角度，具体数值由实船实际测量确定。

3.某VLCC极限水深估算

以某VLCC为例，对其深水锚泊的水深极限进行计算。该船锚机设计额定负荷59.8吨，由于该船较新，取5%的额定负荷余量。其锚设备的其他参数及压载和满载两种情况下的深水锚泊水深极限估算结果见表1。

表1中计算了VLCC船舶在锚机额定负荷余量为5%的情况下，压载和满载时船舶所需极限水深。为了方便在实际航海过程中迅速查找极限水深数值，可考虑分别以船舶不同载况的吃水和不同锚机额定负荷余量为独立控制变量，分别绘制船舶所需极限水深、船舶不同载况的吃水和船舶锚机额定负荷余量之间的关系图，如图3和图4所示。

表1 某VLCC不同载况时深水锚泊水深极限估算结果

图3 船舶所需极限水深随船舶载况变化的关系图

图3 是随着船舶装载情况发生变化所需锚泊的极限水深的估算值。可见两个变量之间是线性关系，随着船舶首吃水的增加，船体下沉量越大，因而，可供安全抛锚的极限水深也变深。

图4 不同锚机负荷余量时极限水深与船舶载况关系图

图4 是不同锚机负荷余量时，随着船舶载况发生变化，所需锚泊的极限水深的估算值，变量之间依然是线性关系。从图中可知，随着船舶首吃水的增加，船体下沉量越大，极限水深也越大；随着锚机负荷余量的增加，极限水深值会变小。

需要说明的是，式（2）中的估算结果没有考虑锚和锚链在水中的重量（即浮力），这一点是有利于船舶锚泊安全的。在起锚过程中锚链与锚链孔及制链器之间所产生的摩擦力可在锚机起锚力减扣额度中予以考虑。

另外，本估算结果也没有考虑外力对船舶的作用使锚机负荷增大的情况。

三、富查伊拉港锚泊极限水深估算案例

富查伊拉港是全球有代表性的深水锚泊水域，港外可供大型油船锚泊海域的水深大多是在100米以上，因此，极限水深的有效估算是确保船舶锚泊安全的前提和基础。

1.富查伊拉港区简介[3-4]

富查伊拉港是阿拉伯联合酋长国东部沿海的重要多用途转运港口，港口设施齐全，腹地交通网络便利。南距富查伊拉镇约2千米，北距豪尔法坎港20千米，有公路相连。港外，东南至马特拉卡布斯港约30海里，至科伦坡港约1 800千米。从该港起运至迪拜公路仅100千米，而经霍尔木兹海峡海路至少有200千米，是个天然港湾，地理位置优越。此外，该港还处于世界上三大输油港之间，成为该地区供应船的中心港，是通向印度和其他地区市场的主要口岸通道，有集装箱、渔港和油港码头，码头利用率非常高。近期，美国亚利桑那州MATCO石油钻探公司在富查伊拉港口锚地外面，发现了油气含量丰富的海底石油储油层，预计在不久的将来，会给富查伊拉港带来全面的繁荣，使之成为中东地区仓储和集装箱集散中心，富查伊拉港整体地理分布见图5。

2.港域水深

主要概述从港区防波堤至港外锚地的水深分布情况。港区的防波堤是距离陆地最远的海上建筑物，其水工布局位于20米等深线以内。自防波堤的堤头开始度量，距离港外锚地的最短距离约为3.6海里，而水深变化量则从20米增加至65米，且水深变化幅度不均匀。自防波堤的堤头到30米等深线的距离约为0.73海里，而从30米等深线至50米等深线的距离约为1海里，由此可见，水深变化率随与港口距离的增加呈现增加趋势。港外锚地设计形状为长方形水域，依据功能区域不同，分布有Fujairah A、Fujairah N、Fujairah T、Fujairah D、Fujairah G、Fujairah C、Fujairah B、Fujairah W和Fujairah S等子区域锚地。锚地东西宽度约为7.3海里，水深变化范围为65～145米，幅度约为90米。锚地南北长度约为10海里，水深变化需要将东西两侧单独考虑：东侧延伸至印度洋，水深深且变化范围大，一般为120～150米；西侧延靠近大陆域，水深浅且变化范围小，一般为60～80米。整个水域最浅点为一非危险沉船位置，水深约为56米。

图5 富查伊拉港区及港外锚地分布图

3.港外锚地船舶密度

根据船讯网[7]对该水域的已开启AIS设备信号的监测，结合多次当地抛锚的经验，统计表明锚地区域锚泊船舶的密度一般为110～130艘次/天，理论上每天每艘船舶的锚泊水域大小为0.56～0.66海里，满足实际抛锚对需用水域的要求。

4.港外锚地极限水深范围确定

根据前文估算方案求算锚泊的极限水深。在5%的锚机额定负荷余量的前提下，考虑压载和满载两种条件，依据表1中估算数值，绘制出锚泊安全水域区域，如图6所示。

图6是5%锚机额定负荷余量，VLCC在压载和满载条件下锚泊安全水深水域。图中左边曲线表示船舶压载条件下所需的锚泊极限水深等深线，位于该线左侧的锚地区域为压载条件下的锚泊安全水深水域；右边曲线表示船舶满载条件下所需极限水深等深线，该线左侧的锚地区域为满载条件下的锚泊安全水深水域。可见，满载条件下的锚泊安全水深范围较压载条件下的大。

图7是锚机额定负荷余量分别在5%、10%和15%条件下，VLCC船舶压载时锚泊安全水深水域关系图。图中，短画线表示船舶在5%锚机额定负荷余量条件下所需的锚泊极限水深等深线，位于该线左侧的锚地区域为锚泊安全水深水域；实线表示船舶在10%锚机额定负荷余量条件下所需的锚泊极限水深等深线，该线左侧的锚地区域为锚泊安全水深水域；点画线表示船舶在15%锚机额定负荷余量条件下所需的锚泊极限水深等深线，位于该线左侧的锚地区域为锚泊安全水深水域。可见，锚泊安全水深范围随着锚机额定负荷余量的增大而减小。