風致船舶走錨關系研究

張國安+向成

摘 要：本文根據代表船舶在錨泊狀態下不同吃水、不同風舷角情況計算船舶錨鏈受力情況，與船舶錨系留力和主機推力的大小比對，分析船舶在某種吃水狀態下風致走錨的最低風力。根據實際船舶走錨風力大小的案例，驗證計算方法的可靠性。提供一種簡便的方法，對計算船舶在錨泊情況下防臺走錨的可能性有一定的借鑒意義。

關鍵詞：臺風 風力 風舷角 走錨

1.前言

船舶作為水上運輸主要交通工具運輸旅客及貨物極易受到風力影響，船舶抗風能力涉及船舶甲板上部分建筑和甲板下水面上各部分動力學受力的綜合內容。隨著航海和社會各方面的快速發展，船舶抗風能力日益提高，但是日益復雜變化的極端天氣也頻發，特別是臺風天氣對于船舶錨泊安全帶來嚴重影響。目前，船舶抗風能力的大小對于大部分船舶來說無具體數據可查，船舶在錨泊狀態下在何種風力風向會導致走錨無具體數據可查。本文主要針對船舶在不同吃水狀態下所受的風力與船舶走錨之間的量化關系進行探討，提供一種簡便的方法，計算船舶在錨泊情況下防臺，如何提前采取措施預防走錨，保障人命和財產安全。

2.船舶錨泊所受錨的系留力大小分析

錨的系留力是指船舶處在錨泊狀態時所受到的約束力，也稱為錨泊力。受重力的作用，錨泊船的出鏈長度分為兩個部分，懸垂在水中的部分稱為懸鏈長度，平臥在海底的部分稱為臥底鏈長。臥底鏈長與海底的摩擦力稱為鏈的抓力，它增加了錨泊力，故錨泊力由錨的抓力和錨鏈的抓力兩部分組成，即：

式中：P為系留力（錨的抓力+錨鏈的補充抓力）（N）；Wa為錨在水中的質量（空氣中質量×0.867）（kg）；λa為錨抓力系數；Wc為錨鏈在水中的質量（kg/m）；λc為錨鏈的摩擦系數；L1為錨鏈臥底部分的長度（m）。

根據相關規定，裝備在船首兩舷錨的重量取決于船舶的舾裝數。然而錨的形狀卻未予規定。船首錨常用錨型為霍爾錨（無桿錨）。錨的抓底性能與底質、錨型和出鏈長度和水深之比均有關。客觀上主要決定于底土的底質，軟硬適度的沙底和泥土底質抓力較好，沙泥混合次之，硬質泥沙較差，石底最差。根據相關文獻研究，霍爾錨在泥沙底質中，抓力系數為5.8。珠江水域部分船舶使用粵桂錨（類似大抓力錨的有桿錨）作首錨，抓力系數比霍爾錨大，但低于大抓力錨，約為7。另外，拋雙錨必須為一點錨（平行錨，即兩錨鏈夾角為0°時）才有2倍抓力。

3.船舶主機推力大小分析

船舶推進力由船舶主機產生，船舶主機額定功率與船舶推進力的關系根據我國打撈局經驗公式描述為1 kW=0.133kN 或者 7.5kW=1kN得出經驗公式如下：

式中：F 為主機推力（N）；W 為主機額定功率（kw）。

4.船舶所受風力分析

船舶水面以上面積（簡稱受風面積）的風壓總和稱為風壓力。風壓力的作用改變了船舶的動力學狀態，進而改變了船舶的運動狀態。作用于受風面積的中心的風壓力也稱為風壓合力，根據Hughes在1930年提出的風壓力表達式為：

式中：Fa為風壓力；Ca為風壓力系數（根據風舷角θ查表1可得）；ρa為空氣密度1.226kg/m3；Va為相對風速（m/s）；A為水線上船體正面積（m2）；B為水線上船體側面積（m2）；θ為相對風舷角（風與船舶縱中線夾角）；

5.船舶不同狀態受風面積分析

船舶載貨情況一般分為滿載、半載、空載，本文主要分析這三種狀態下的船舶側面以及正面受風面積的計算方法。本文不考慮船舶舾裝數及船舶受風中心力矩的關系，本文主要從船舶實際出發計算可見面積的正面及側面正投影面積。

滿載時，要充分考慮船舶貨物積載情況、平倉、船舶吃水、不同航區的干舷數據等實際情況，測出帆布（內河船）離主甲板高度、實際干舷、生活區建筑物高度及寬度以及其他加建構筑物的情況。

半載時，除了滿載考慮情況外，半載狀態的水線測算是用滿載吃水的一半來計算，半載也要考慮貨倉帆布遮蔽情況，一般同滿載計算同樣面積。

空載時，一般認為帆布不會遮蔽，根據船舶受風情況要考慮貨艙口圍板高度產生的投影面積。

6.船舶錨鏈的破斷力分析

錨鏈需要較好的維護和保養才能達到最佳的使用工況，本文根據錨鏈處于最佳狀態時的情況計算，錨鏈的破斷力直接影響錨的系留力是否發揮最大效力。船舶錨鏈最小破斷力根據《鋼質內河船舶建造規范》（2016版）以及中人民共和國國家標準GB8918-2006重要用途鋼絲繩等文獻可以查詢參考標準。

7.實例計算分析

某散貨船“L”輪總噸850，凈噸476，船長55.25米，船寬10.80米，空載吃水0.623米，滿載吃水3.650米，配備左右首錨各600kg，首錨類型為粵桂錨。左右首錨錨鏈均為柔韌鍍鋅鋼絲繩，左右首錨索直徑均為24mm，主機功率420KW，根據船舶實際尺寸計算出滿載側面受風面積為186.8 m2，滿載正面受風面積為48.4m2，半載側面受風面積為270.4m2，半載正面受風面積為64.7m2，空載側面受風面積為281.7m2，空載正面受風面積為81.1m2。現根據上述公式計算出船舶走錨最小風級。

（1）根據公式1中P=Wa×λa+Wc×λc×L1，已知本船首錨為錨鏈為鋼絲繩，錨鏈的補充抓力不計。經查海圖知某水域底質大多為沙泥（沙土），取λa=7。根據公式為得出此船單錨抓力為35685N，雙錨拋一點錨時有最大抓力為71371N。

（2）根據公式2中F=0.133×W，可得本船主機額定功率輸出推力為55860 N。（L船在防臺中采用轉速為1300RPM，額定轉速為1800RPM，則最大推力為40343N。）

（3）根據公式3中：

Fa=1/2×Ca×ρa×Va×（Acos2θ+Bsin2θ），根據不同風舷角的正側面受風力數據。

（4）根據已知本船船舶錨鏈直徑24mm的柔韌鍍鋅鋼絲繩，經查詢《鋼質內河船舶建造規范》（2016版）以及中人民共和國國家標準GB8918-2006重要用途鋼絲繩等參考標準得知該錨鏈最小破斷力為312000 N，滿足雙錨的最大抓力要求。

（5）根據測算得出以下結果：

（6）根據《船舶抗風能力與氣象風級關系探討》文獻對船舶動力學風壓與風速描述的關系公式

P=0.7356V2 （公式4）

式中：V指風速（m/s）；

驗算滿載側面受實際風力數據如下：

F=P×S=0.7356×V2×S，V取=28.4m/s，S取滿載側面積186.8m2，得出F=110829N，根據公式3計算出滿載90°時十級風風力為F=115447.4N，與公式4得出結果F基本吻合，說明計算方法選取公式合理。

（7）“L”輪在臺風中走錨實際情況：該船拋單錨滿載在2017年某臺風中風力不足10級情況下發生走錨，在使用雙車頂推仍無法有效控制船舶走錨。

8.結束語

根據實例結果分析，本文測算船舶錨泊抗風等級的分析顯示：

（1）船舶所受風力會隨風力不斷變化而變化，風舷角一般為船首左右90°之間偏蕩，并在船首左右60°附近時此船所受風力最大，因此不能按照船舶0°受風情況來考慮防走錨。應按照對船舶最不利的風向來考慮本船的風致走錨。

（2）根據船舶動力學風壓與風速的關系公式4驗算可受承受風力結果與走錨最小風力計算結果基本吻合；

（3）拋雙錨時設定拋一點錨，此時雙錨夾角為零，產生抓力最大；

（4）本文計算方法只測算船舶因風走錨的情況，不考慮流、浪以及船舶的水密性、穩性、結構強度、錨鏈或鋼絲錨索破斷強度等其他因素的影響。

（5）本文計算方法可以根據已知量對不同船舶進行推廣，對指導船舶防臺、錨泊等受風情況分析具有重要意義。依照本文各組公式，已知船舶相關數據可以在較短時間內計算出風致船舶走錨最小風力。

對于無抗風能力數據的船舶，擬在受臺風影響的范圍內采取錨泊防臺措施時，可參考本文的計算方法和計算公式，核算出本船在當前狀態下可能發生走錨的最低風力。在核算后本船風致走錨不可避免時，應盡早轉移至安全水域錨泊避風，以策安全。臺風情況下，臺風風力增大，水面浪高也會增大，對船舶的錨系留力、水密和穩性要求更高，雖然滿載時受風面積較小，相對不易風致走錨，但因干舷低受水流、波浪影響大，也可能導致走錨和進水。在防臺過程中，臺風路徑變化多、風力增強概率大，很難準確預測，克服麻痹思想，寧可防而不來，不可來而無防。船舶防抗臺風，以避為主。

參考文獻：

[1]廣東省港務監督局船員培訓教材編輯委員會.船舶駕駛（上冊）[G].1997.12.

[2]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.重要用途鋼絲繩（GB8918-2006）[S].2006.

[3]洪碧光.船舶操縱[M].大連：大連海事大學出版社，2008.

[4]洪碧光，房希旺，卜仁祥.船舶操縱[M].北京：人民交通出版社，2008.

[5]周社寧.船舶抗風能力與氣象風級關系探討[G].2016年海事管理學術論文匯編.2016.

[6]中國船級社.鋼質內河船舶建造規范[S].2016.

[7]中華人民共和國海事局.內河船舶法定檢驗技術規則[S].2011.

[8]閆澍旺，任宇曉，孫立強，郭炳川.砂土中的拖錨模型試驗及錨抓力計算方法研究[J].中國造船.2016.3.

[9]李宇服，周俊，陳琦.欽州港錨地規劃及錨抓力研究[J].中國水運.2009.9.