第四代82 000 DWT散货船锚泊设计

2024-02-26倪伟平曾巍陈莹霞

船海工程 2024年1期

倪伟平,曾巍,陈莹霞

(上海船舶研究设计院,上海 201203)

锚泊设计一般包括锚设备选型、锚设备布置与安装、固定结构设计,需要综合考虑系统内部关联与外部条件等因素,错综复杂[1-2]。CB/Z280—2011《海船艏锚泊设计导则》(以下简称《导则》)可作为锚泊设计的指导文件[3],同时,还应根据船舶自身特点提供相匹配的锚泊设计。第四代82 000 DWT散货船(以下简称本船)是上海船舶研究设计院最新设计的升级版卡尔萨姆型散货船,在多家船厂获得批量订单。虽为批量建造船舶,入级不同船级社,但不同船东对锚泊设计提出不同要求,比如,一些船东提出按照大抓力锚配置取代斯贝克锚配置;一些船东要求在船舶横倾2°时锚与船体间距至少为500 mm;一些船东提出船舶在横倾5°时锚不得与船体碰撞;一些船东甚至增加了不利纵倾为1.5 m的要求。不论采用斯贝克锚还是大抓力锚,不论锚与船体定位如何,船厂更希望尽量减少对相关布置和固定结构的修改,以减少船体放样工作量。介绍本船的锚泊设计过程,包括锚设备选型和锚设备布置,评估校核锚与船体相对位置,关注锚的收纳与检验,为批量船建造提供相匹配的锚泊设计。

1 锚设备选型

锚设备选型时,锚和锚链应根据入级船级社相关章节要求和IACS REC. 10关于锚泊、系泊和拖带的规则[4],按照基于船舶自身主尺度计算所得的舾装数进行选择;锚机应与锚链相匹配,并满足可能航行的巴拿马运河要求和苏伊士运河要求来确定其运转速度;掣链器和弃锚器应与锚链直径相匹配,擎锚索型号则取决于锚的重量。

本船船长229 m,垂线间长225.5 m,船宽32.26 m,型深20.35 m,结构吃水14.5m,最轻载状态下首部吃水约为4.95m,尾部吃水约为7.28 m。综和上述尺寸及相关信息,确定舾装数在3 600～3 800之间,锚泊设备配置见表1。

表1 锚泊设备配置信息

2 锚泊布置

2.1 锚泊布置原则

根据前三代82 000 DWT散货船的设计经验,具有肥大型船首的船舶不宜采用锚穴,锚链的长度决定锚链舱的最小舱容,锚链筒的布置和锚台的结构形式决定锚的收纳位置以及锚链与船体的相对位置,锚的形式决定锚唇的外形,锚泊布置受限于船体线型与甲板空间。

《导则》对锚泊布置原则有明确说明。

1)锚拉起收藏后一般要求尽量高于满载水线2 m以上。

2)抛锚时,锚应能依靠自身的重量,毫无阻碍地从锚链筒抛出。

3)锚链筒在船体船体出口位置应尽可能避开船体分段焊缝。

4)起锚时,锚杆应能无障碍拉进锚链筒,且锚杆拉进锚链筒后锚爪应紧贴船体或锚唇或藏于锚穴中。

5)锚链筒的长度应能容纳全部锚杆和部分锚链首端链环。

6)若无特殊要求,船体与锚的间隙(以锚的回转半径为衡量基准)要满足船舶纵倾2%两柱间长和横倾1°锚收放时都不碰到船体,且在正态时船体与锚的间隙不小于300 mm,或仅正态时船体与锚的间隙不小于1 000 mm,取小者。

实际上锚泊布置的核心是为锚链和锚设计合理的收放路线,并在该路线上合理布置锚设备,综合考虑船体特点和空间利用等要求。锚机、擎链器等设备布置于甲板面,需要一定空间,应尽量紧凑布置,为甲板面系泊操作留出充足空间。锚链较长,其基本单元链环尺寸相对较小,可视为线;锚作为锚链端部的几何体,利用几何元素进行描述;船体设计时借助水线、横剖线表达其外型。基于上述简化,通常利用二维视图描述锚泊布置。

2.2 锚泊布置方案

本船采用直首线型,设有首楼,首楼甲板作为系泊操作区。参照上述设计原则,借鉴以往设计经验,根据本型船首部线型特点,兼顾首楼甲板系泊设备等布置要求,以斯贝克锚为例确定初步锚泊布置方案(以右舷为例,左右舷对称),见图1。

图1 初步锚泊布置方案

锚绞机布置于首楼甲板后方,确定锚链路径与船中的夹角为50°,确保正浮状态下锚和锚链在下放时与船体外板近乎垂直,形成链轮中心线和和锚链筒中心线所在对称面,即A-A剖面,并借助A-A剖面显示锚链和锚的收纳状态。存储于锚链舱内的锚链通过锚绞机链轮和擎链器后转向进入开口于首楼甲板的锚链筒,并在其内部与锚相连,锚则贴合于锚链筒端部的锚唇表面,锚唇借助锚台和锚链筒固定于船体。锚链筒上端起于首楼甲板面,向下倾斜穿过主甲板和船体外板与锚台相连,锚链筒倾斜角度为56°(图1显示垂直夹角为34°),其中心线与船体交点距基线高度约为20.12 m,同时确定锚链筒、锚唇、锚台相关尺寸,锚链筒长度约6 554 mm。圆形锚链舱从首楼甲板向下延伸至船体结构平台,底部污泥舱,锚链舱直径与深度可满足锚链存储要求。弃锚器位于锚链舱舱壁上约1 m处,方便人员在主甲板操作。

图1所述的锚泊布置方案(方案一)中锚链筒和锚唇结构形式可以实现斯贝克锚的收纳,但对于大抓力锚并不适用,原因在于斯贝克锚与大抓力锚构造完全不一样。斯贝克锚的锚杆较长,锚爪形状相对复杂;大抓力锚的锚杆通常粗短,锚爪形状简单;收纳状态下,斯贝克锚的锚爪和锚杆之间夹角为40°,大抓力锚的锚杆与锚爪之间夹角为35°。两种锚结构对比见图2。

图2 斯贝克锚与大抓力锚结构对比

本船配置大抓力锚时,需要根据大抓力锚的特点重新确定锚泊布置方案。为了减少改动,特别是对船体内部的改动,以方案一为基础进行调整。锚链筒在船体内的部分保持不变,只在端部进行调整,针对大抓力锚的外形设置相应的锚唇锚台结构,由此获得相对应的锚泊布置方案(方案二),其A-A剖面见图3。相对方案一,该方案中锚链筒在船体外的长度略有减小,锚唇和锚台外形发生变化,锚唇与锚台的分界面与锚链筒之间的角度变小,锚唇表面平面部分增大。此外还应根据锚杆和锚链的设置调整止链器的定位。

图3 方案二A-A剖面

2.3 锚与船体间距核对

锚与船体之间的间距,船舶横倾一般不大于5°,纵倾状态可按照导则要求。利用相对运动原理,假定船体不动,把锚和锚链看做运动物体,同时沿用简化手段将锚链看作直线,利用剖面线或水线表示船体,锚则借助最大回转半径这一参数,实际采用最大回转圆周(以下简称回转圆周)。回转圆周中心随上述直线变化而变动,可直接模拟锚与锚链的运动,回转圆周与各剖面或水线之间的间距则可表示锚与船体的相对位置。

以方案一为例,借助A-A剖面,核对锚在下放过程中与船体的间距,见图4。

图4 针对方案一的锚与外板间距示意

锚垂直下放时,与船体最小间距1 040 mm;当船体横倾2°时,与船体最小间距752 mm;当船体横倾5°时,与船体最小距离180 mm。当锚与船体外板间距最小时,锚距离基线高度在6～8 m之间,锚下放最小高度约为9.43 m,高于最轻载吃水。

A-A剖面并非锚下放时所在位置对应的横剖面,但相较上述横剖面更适合作为判定基准面,此时可借助不同水线说明,见图5。

图5 方案一锚与船体外板间距判定水平示意

假定锚在下放前其回转中心与距离各水线间距约为a,该中心距离各水线的正横间距为b,距离各水线的纵向为c,由于A-A剖面与各水线近乎垂直,可以判定a总小于b和c,因此A-A剖面处锚与船体外板的间距最小。当船舶首尾柱间长和最大水线长度相当时,如按照导则考虑船舶纵倾,根据几何原理,确认锚因纵倾影响造成的纵向位移量最大不超过锚下落高度的2%,因而推算锚因横倾造成的水平位移。锚下放高度为9.43 m时,锚距离基线8 m,船体以8 000水线表示,由船体纵倾引起的水平位移最大约为189 mm,横倾5°时最大水平位移量约为825 mm,按照上述位移调整回转圆周的定位,则回转圆周与船体型线间距为248 mm,比A-A剖面显示的最小间距略小。当锚下放高度为11.43 m时,锚距离基线6 m,船体以6 000水线表示,由船体纵倾引起的水平位移最大约为229 mm,横倾5°时最大水平位移约为1 000 mm,按照上述位移调整回转圆周的定位,则回转圆周与船体型线间距为277 mm,同样小于A-A剖面中显示的最小间距。

经判定,图1所示的锚泊布置方案满足船东关于锚与船体相对位置的要求,高于导则要求。

同样可借助三维手段进行判定,比如参照文献[5]的方法建立以锚回转圆周为基础的圆柱面,模拟锚下放过程中的活动范围,在船体三维模型中确定明确表达锚与船体最小间距的曲线。在此基础上,根据要求调整船体三维模型的横倾和纵倾状态,判定圆柱与船体外板之间是否干涉即可确定锚在下放过程中是否与船体相碰。利用该方法核对方案二中锚是否与船体碰撞,假定设计条件为船体横倾5°并伴有2%两柱间长的纵倾状态,见图6。