大型船舶深水抛锚控制关键因素

2020-04-15孙玉环

机电设备 2020年1期

张猛，孙玉环，郭胜，程剑

（1.海装沈阳局驻大连地区第一军事代表室，辽宁大连 116000；2.中国舰船研究设计中心，武汉 430064）

0 引言

抛锚是船舶在锚地停泊的常见操作。锚泊操纵并不复杂，但操船人员对锚地的环境条件掌握不准，抛锚时可能会发生各种事故，例如由于疏忽大意、使用的抛锚方法不当等原因，会使抛锚时出链速度过快，导致锚机刹不住锚链而丢锚，或者深水起锚时，由于出链太长，锚机力量不足以绞起锚链而弃链等。所以，深水抛锚安全问题一直是航海界不断研究和探索的课题。笔者经过研究后认为，深水抛锚之前，需充分了解船舶自身的特性，如船舶可抛锚的极限水深和出链长度等，再根据确定的抛锚水深选择合适的抛锚方法，并在实际操作中不断总结经验，方可在一定程度上避免抛锚事故的发生。

1 大型船舶深水抛锚的特点

深水抛锚，具体多深的水才算“深水”？在现阶段的各种航海资料中，并没有对“深水”给出严格的定义[1]。一般文献资料中，深水抛锚泛指抛锚水域的水深超过25 m时实施的抛锚作业。由于大型船舶吃水较深，不得不在水深大于25 m的锚地抛锚，因此，大型船舶抛锚一般可认为是深水抛锚。

深水抛锚与普通抛锚的区别在于，普通抛锚法（即重力抛锚法）往往是一锚到底，中间不用锚机刹车。而根据式（1），即深水中自由落体抛锚时锚的下落速度公式[2-3]，船舶越大，所配的锚越重，采用重力抛锚时锚的下落速度越快。

式中：Wa为锚重，t。

大型船舶所配的锚一般大于10 t，有的甚至达到几十吨，其最快下落速度可达7 m/s～8 m/s，远高于安全出链速度 3 m/s～4 m/s。在这种情况下，锚与海底做完全非弹性碰撞，锚所受的损伤是非常大的。在深水中进行重力抛锚时，锚链与锚以同样的速度下落；锚机刹车时，过快的出链速度会使锚链与锚机刹车带产生高速摩擦，极易损坏刹车带，从而引发丢链、丢锚等事故。因此，大型船舶在深水中禁止使用重力抛锚法。

大型船舶在深水中一般采用锚机送链放锚至海底的抛锚方法，此种方法可以避免对锚的冲击和损伤。选择抛锚方法时，需要了解船舶自身的特性，并根据船舶的一些参数进行计算后确定。

2 深水抛锚时的注意事项

深水抛锚时需抛出一定长度的锚链以产生足够的锚泊力，并需确保所抛锚链及锚能够被锚机安全回收，这就涉及到极限水深和出链长度2个因素。

2.1 深水抛锚的水深

2.1.1 重力抛锚的极限水深

根据重力抛锚的极限水深计算公式，可以精确地计算出采用此种方式抛锚时的极限水深。笔者总结现有文献的相关内容并认为，一般大型船舶禁止在水深大于25 m时使用重力抛锚法，此为保证抛锚安全的定性要求。对于大型船舶而言，建议在水深小于25 m时，直接采用重力抛锚法，而在水深大于25 m时，直接使用锚机抛锚。

2.1.2 锚机抛锚的极限水深

深水抛锚时出链很长，起锚时锚机负荷很大。采用锚机方式抛锚的极限水深取决于锚机能否安全地绞收起抓牢海底的锚，即锚机的额定起锚能力要足以拉起长度等于水深的锚链，并能将抓牢海底的锚拔离海底。一般船舶在设计时对抛锚水深都有要求，会根据船舶的最大抛锚水深设计锚机的起锚能力，抛锚时要了解船舶的最大抛锚深度。实际抛锚时，抛锚的水深要小于设计值，否则即便锚触底，起锚也会遇到困难。

采用锚机方式抛锚的极限水深可根据式（2）计算。

式中：pw为锚机的额定起锚能力，N；Wa为锚重，kg；λa为锚离底时的抓力系数，其值为1.5～2.0；d为锚链孔至水面的高度，m；Wc为每米锚链的重量，kg；δ为余量系数，根据锚机在实际应用中的状况留出一定的余量，一般新船取δ=5%，对于老旧船而言，随着船龄的增大，设备逐渐老化，锚机起锚力也会逐渐降低，需据实调整δ的数值。

2.1.3 根据配置锚链长度计算抛锚的极限水深

因锚泊地有潮汐和波浪，需将锚泊期间可能产生的潮汐的最高潮和最大波浪高度考虑进去，即水深在上述计算的基础上还应满足Ymax≤1/4La，Ymax代表最大水深，La为一舷锚链总长。

2.2 出链长度

下面根据相关文献给出2种计算出链长度的方法。

1）根据公式计算出链长度

从静力平衡的原理来看，保证单锚泊船安全锚泊的前提条件是使锚泊力大于或等于船体所受的外力。因此，不同的外界环境条件下，安全锚泊的出链长度是不相同的。

安全锚泊的出链长度一般按式（3）计算[4]。

式中：S为悬垂链长度，m；l为卧底链长，m；T为作用于船体的水平外力，t（1 t=9 800 N）；Y为出链孔至海底的垂距，m；λa为锚的抓力系数，大抓力锚取7～10；λc为锚链的抓力系数，泥沙底取0.7；Wa为锚在空气中的质量，t；Wc为每米锚链在空气中的质量，t；为水中每米锚链的质量，t，′=0.87Wc。

由式（3）可知，在已知定常外力T的条件下，可求出最短出链长度；在一定出链长度时，可求出锚泊船所能抵御的外力极限。

实际上，水平外力是与风浪流有关的一个根据环境条件不断变化的力，在实际中很难对水平外力进行精确计算。因此，通常用船舶所受的风力代替水平外力，而忽略流和浪的作用力。风力可用式（4）估算。

式中：F为风压力，kg（1 kg=9.8 N）；ρa为空气密度，取1.226 kg/m3；va为相对风速，m/s；A为水线上船体的正面投影面积，m2；B为水线上船体的侧面投影面积，m2；ca为风力系数。

在船首尾受风时，风力系数ca最小；在风舷角为 30°～40°及 140°附近时，ca较大。对于锚泊船来说，即使考虑偏荡的影响，风舷角也不会超过40°。因此，根据文献[5]，认为风力系数ca取30°风舷角时的值较安全。

2）根据经验公式估算出链长度

由于船舶所受外力的影响因素多且计算复杂，为方便计算，通常使用经验公式来确定万吨级深吃水船舶的出链长度S，如式（5）～式（6）所示。

通常锚泊时（风速为20 m/s，即蒲福风力8级）：

大风浪中（风速为30 m/s，即蒲福风力11级）：

式中：H为水深，m。

根据相关文献，上述经验公式较适用于估算锚泊水深小于60 m时的出链长度。同时要注意，使用上述公式确定出链长度时，如遇风力增强、偏荡或浪击，则应加长出链长度。

3 深水抛锚方法

抛锚按松链方式不同，可分为刹车抛锚法和锚机抛锚法；按抛锚水深的不同，又可分为普通抛锚法和深水抛锚法。采用何种方法抛锚应视船舶大小和抛锚水深而定[6]。

通常，当抛锚水深小于25 m时，可采用普通刹车抛锚法，即用锚机将锚送至水面以上，旋紧刹车带，脱开离合器将锚备好，然后利用刹车带抛锚[6]。使用普通刹车抛锚法时，应避免一次松链过多。第一次可以松出2倍水深的锚链，刹一下车使锚链受力，并横卧海底；接下来每松一节锚链刹一下车，直到松出预定出链长度的锚链；当松出最后一节锚链时，如发现船舶的退速还比较快，应短时间进一下车，使船舶停住，以减少对锚链的冲击力，保证锚泊安全[7]。

当抛锚水深为25 m～50 m时，不可直接由锚链孔或水面吊锚状态抛锚，可采用深水刹车抛锚法，即用锚机将锚送至接近海底5 m～10 m处，再将受力转换到刹车装置上[8]，而后使船在极小退势下，按普通抛锚法抛锚至合适的链长。深水抛锚如只用刹车控制，一旦刹车带磨损老化、刹车力降低，而锚又加速下抛，会造成刹不住车，锚链将全部抛出或整根丢失[9]。

当水深大于50 m时，应采用深水锚机抛锚法，即用锚机先将锚送达海底后以极微的退速（小于1 kN）抛锚，或者利用锚机将预定要抛出的锚链送出，并使锚链横卧海底。在海底突然变深的海域抛锚时，先用锚机将锚送达海底，随后用极小速度向岸边接近，触到海底时，继续用锚机链松至预定的长度。