冰區航行船舶艏錨和錨鏈的設計

吳文翔

（中國船級社 武漢分社，湖北 武漢 430022）

0 引 言

冰區航行船舶在錨泊時的安全性一直備受關注，目前很多冰區航行船舶的艏錨和錨鏈都不足以保證船舶錨泊的安全性[1-2]。國際船級社協會的統一要求、技術建議[3-4]和各成員船級社的船舶入級規范對按船舶舾裝數選用艏錨和錨鏈的方法有一系列假定前提，即：最大水流速度為2.5m/s；最大風速為25m/s；出鏈長度（拋出錨鏈的長度與水深之比）為6～10。對于船長大于135m的船舶，限制最大水流速度為1.54m/s，最大風速為11m/s，最大有義波高為2m[5]。冰區航行船舶一般難以滿足這些假定條件。冰區航線所處的地理環境復雜，錨泊水域的遮蔽條件較差，加上高緯度地區氣象的特殊性，使得錨泊環境比較惡劣。特別是上述假定中未提及海冰對船舶的作用，而這是冰區航行船舶在錨泊時遭受海冰侵襲，發生走錨、斷鏈事故的根本原因。因此，僅通過計算舾裝數選用艏錨和錨鏈，對于冰區航行船舶而言是不夠的。

下午的議程將大會分為兩大主題分會場，分別圍繞著“轉型升級高峰論壇”和“新材料與綠色供應鏈”進行主旨演講與高峰論壇環節，眾多國內外專家學者、協會領導與品牌負責人進行對話，圍繞著專題內容進行研究探討。

1 問題的簡化與處理

冰區航行船舶在風、流、浪和海冰綜合作用下錨泊時的運動十分復雜，環境載荷耦合機理尚不明確，理論計算的難度很大，因此在工程應用中有必要對問題進行適當簡化。

1) 對環境載荷進行簡化。

對馬鈴薯脆片品質各指標進行主成分分析，取特征值大于1的因子提取主成分，馬鈴薯脆片品質的綜合評分按公式(1)計算菊芋餅干各個試驗組的綜合得分后按公式(2)將得到的綜合評分F進行規范化處理，并分別計算綜合得分和標準化綜合得分[16]。

(1) 不單獨考慮浪的作用，因為在海冰環境中浪的耗散能量逐漸消波[6-7]，影響大大減弱，且其作用已體現在海冰運動（如碰撞、翻轉、堆積）中，計算海冰載荷就意味著考慮了浪的作用；

(2) 在錨泊水域的流速一般不大（≤2m/s）、流的成分不復雜的情況下，假設流作定常運動，可按理想流體處理；

(3) 海冰與船舶的相互作用緩慢，滿足準靜定方法的條件等。

2) 對錨鏈受力分析進行簡化。錨泊船舶在風、流、浪和海冰綜合作用下的偏蕩運動較為劇烈，錨鏈受到定常力和沖擊力2種力的作用，二者的作用機制不同，大小也相差懸殊，其中：定常力作用持續，是影響錨抓力的重要因素；沖擊力作用短暫，主要導致錨鏈運動和懸鏈形態發生改變[8]。因此，應分開考慮錨鏈受到的定常力和沖擊力，其中：定常力用于判斷船舶是否發生走錨[9]；沖擊力用于考核錨鏈承受載荷的能力。特別強調的是，在較劇烈的偏蕩運動中，無論是定常力還是沖擊力，都不宜采用靜態懸鏈模型進行分析，因為誤差較大。替代的分析方法有2種：一是采用錨鏈動態受力模型進行分析；二是通過試驗和數值回歸分析得出經驗公式，由此進行估算。

（3）土地流轉率未達100%，土地難以集中規劃。雖然現在各村土地流轉率已達到95%以上，但是依然有少部分村民不愿將土地流轉，所以較難形成大面積的成片土地，并且土地流轉期限僅為3～5年，不能保證每次期限過后村民依然愿意土地流轉，村委會難以對土地進行集中規劃、招商引資。發展高效農業的周期較長，土地流轉期限得不到保證的話，商家不愿長久投資，這就限制了高效農業的發展。

3) 在簡化物理模型的基礎上，對解決方案進行簡化。目前，以理論計算為基礎設計艏錨和錨鏈的方法是：先計算出錨泊環境的總載荷，其次結合初選的艏錨和錨鏈，借助計算軟件分析船舶運動響應，求出錨鏈張力，隨后對船舶的錨泊能力予以考核，最終確定合適的艏錨和錨鏈。該方法的實施過程復雜，成本較高。為進一步提高效率，可對該方法進行簡化：先分別在風、流、浪和海冰單獨作用的條件下對初選艏錨和錨鏈的錨泊能力予以考核，隨后根據實際常見的環境載荷疊加的不利情形評價艏錨和錨鏈的適用性。由于當前已有較多有關風、流、浪、海冰單獨作

用下的船舶系泊能力的研究成果可借鑒，因此采用該簡化方案既能保證方便實用，又能保證安全性。實踐中，推薦采用考慮錨泊環境載荷的艏錨和錨鏈設計評估流程，具體見圖1。

高等學校應將原賬會計科目余額表中 “非流動資產基金”“事業基金”“財政補助結轉”“財政補助結余”“非財政補助結轉”“經營結余”的期末余額合計記入新賬“累計盈余”貸方期初余額。

圖1 艏錨與錨鏈設計評估流程

2 錨泊船舶在不同環境載荷下的錨鏈力

2.1 風載荷下的錨鏈力

2) 在流速為1m/s、入射角為45°的斜流作用下，按式（4）求得錨鏈定常力約66kN，錨鏈沖擊力取定常力的5.5倍，約363kN；

式(1)和式(2)中：F0為船舶正面所受風壓；AB為船側受風面積；AB0為船舶水線下的側投影面積；Pφ為船舶風壓中心（風舷角90°）與舯部之間的距離，風壓中心在舯前Pφ為+，否則為-；LPP為船舶垂線間長。

2.2 流載荷下的錨鏈力

在流的作用下，當錨泊船舶達到運動平衡狀態時，其錨鏈受力WF等于船體和舵受到的水動力合力，即

(1)企業應加強誠信建設，勇擔企業社會責任，樹立良好的企業形象。通過增強企業實力，為獲得良好的融資提供堅實的基礎，拓寬融資途徑，吸引直接融資，如利用企業債券、基金等，實現多渠道的融資，特別要善于利用好民間資本，既減少社會上的閑置資金，又支持了旅游業的發展。

式(3)中：CF為水動力系數，通過船模試驗獲得；ρ為水的密度；AW為船體濕表面的面積；v為流速。

當精度要求不高時，可按美國石油學會（American Petroleum Institute, API）提供的公式[11]估算錨鏈受力，即

式(4)中：CE為流力系數。當流從船首或船尾入射時取CE=2.89N·s2/m4，當流從正橫向入射時取72.37N·s2/m4；對于以β角入射的斜流，按正交分解的流速分別適用縱向和橫向的流力系數。

動態看盤就是在交易時間內看盤，靜態看盤就是在非交易時間之內看盤。交易時間內看盤能感知當時的盤面盤口市場情緒和交易氣氛，這在非交易時間看盤是無法獲知的。動態看盤看的是過程，靜態看盤看的是結果。動態看盤能獲得更多的盤口各種各樣交易信息。

2) 錨和錨鏈系統能提供的最大水平錨泊力F的計算式為

2.3 浪載荷下的錨鏈力

在浪的作用下，錨泊船舶的錨鏈受力主要取決于二階波浪漂移力QF，其計算式[13]可表示為

瀝青公路路面施工過程中的技術應用，決定著工程施工的成果。為了達成施工目標，文章主要針對公路瀝青路面出現不平整的原因以及養護的措施進行了思考，這是對于施工質量的保障，有利于提升結構整體的穩定性，延長工程的使用壽命，維護交通出行及運輸安全。

式(5)中：LW為船舶水線長；h為有義波高；φ為波浪入射角，φ≠0；R為漂移力系數，與波長λ與船長之比有關[14]。

2.4 海冰載荷下的錨鏈力

海冰載荷取決于冰況和船舶與海冰的相對運動。錨泊區域的海冰一般以小塊浮冰的狀態存在，錨泊船舶的海冰載荷就是其受到的碎冰阻力。根據楊佳東等[15]的研究，碎冰阻力RI的計算式可表示為

式(6)～(9)中：Cs為水體參數，海水取1.0；Ch為涂層參數，漆取1.0；T為海冰表面溫度；fσ為海冰彎曲強度；γ為船首沿船寬方向外飄角的平均值；θ為船首縱剖線與水線面夾角的平均值；B為船舶型寬；D為船舶型深。

需說明的是，改變海冰作用于錨泊船舶的角度可使錨鏈張力陡增，峰值能達到其定常力的1.4倍[15]。

2.5 冰區錨泊常見的幾種環境載荷疊加的情形

1) 開闊水域風、流、浪作用疊加。除了風、流、浪的載荷疊加以外，還要注意流與浪的耦合作用可使浪的二階漂移力增大25%（浪對流的載荷影響很小）[16]。

大豆屬豆科、蝶形花亞科，大豆屬。干豆稱為黃豆，青鮮豆稱毛豆。大豆是短日照、喜溫、需水較多、對土壤條件要求不嚴適應性較強的作物。

2) 冰區風、流、浪、海冰作用疊加。按照前述簡化問題的原則，在該情形下不計算浪載荷，但在波高大于1m時應考慮浪與海冰的耦合作用會導致冰作用力增加10%[17]。

3) 冰區風、海冰作用疊加。這是冰區錨泊常見的情形，該情形下的環境載荷是冰區航行船舶錨泊必須滿足的基本要求。

3 艏錨與錨鏈的適用性評價

錨鏈張力水平分量H的計算式為

3.1 走錨

1) 防止錨泊船舶走錨的條件是：錨鏈張力水平分量H不大于最大水平錨泊力F，即H≤F。

錨泊船舶的錨鏈受力不僅取決于環境載荷，而且受艏錨和錨鏈的型式、拋錨方式和出鏈長度等因素的影響。為更好地討論環境載荷對錨鏈受力的影響，需對艏錨和錨鏈的型式、拋錨方式和出鏈長度做統一假定，即：假定使用同一型式的艏錨和錨鏈，拋單錨，出鏈長度（拋出錨鏈的長度與水深之比）為9，錨泊力與錨鏈張力平衡時至少有1節錨鏈臥底。

錨鏈不發生變形或破斷的條件是：錨鏈沖擊張力的峰值不大于其拉力試驗載荷。錨鏈拉力試驗載荷見表2[19]，其中d為錨鏈直徑，mm。

式(10)中：T0為錨鏈張力的定常值，按前文所述方法計算，kN；Wc為每米錨鏈的濕重，N/m；h為拋錨水深，m。

如樂善秦腔表演中的秦劇《下河東·趕駕》中趙匡胤的大段唱腔：“河東城困住了趙王太祖，把一個真天子晝夜巡營，黃金鎧每日里將王困定，可憐王黃驃馬未解鞍籠，王登基二十載干戈未盡，手提上盤龍棍東打西征，五王八侯都喪命，朝廊里無人來領兵，——在河東王哭的珠淚傾，是何人又來統領兵。”這段唱詞不僅反映了宋朝重文輕武的事實，這還唱出了天子因錯用人，致使先行喪命，而朝中無人掛帥，自己親自領兵晝夜巡營的痛苦心情。

值得注意的是，在流的作用下，錨鏈所受沖擊力的峰值可達其定常力的3～8倍[12]。

式(11)中：λa為錨的抓力系數，取決于錨型、錨地底質、抓底姿態和錨鏈出鏈長度等，參考值見表1[18]；Wa為錨的濕重，等于錨在空氣中的重量乘以0.867，N；λc為錨鏈的抓力系數，通常取0.75；Wc為每米錨鏈的濕重，N/m；Lb為臥底錨鏈的長度，m。

表1 錨抓力系數試驗結果參考值

1) 在蒲氏7級風（風速17.1m/s）的作用下，按式(1)求得錨鏈定常力約133kN，按式(2)求得錨鏈沖擊力約649kN；

3.2 錨鏈變形或破斷

歷史是不可能發生的事：企圖用不完整的知識，來解釋本身就在不完整的知識下發生的行為。因此它教導我們，沒有通向“救贖”的捷徑，沒有制造“新世界”的秘方，只有兢兢業業和耐心的做法才行得通。我教導你們，通過不斷努力解釋，我們也許可以最終得知——并非某種解釋——我們進行解釋的能力是極其有限的[2]92。

表2 錨鏈拉力試驗載荷

4 參考案例

案例船舶的基本參數為：總長100m；垂線間長90m；型寬18m；型深9m；設計吃水5.6m；滿載排水量5000t。設計該船航行的最嚴重冰況見圖2。經調查，船舶航行過程中潛在錨泊區域的環境參數和相關信息為：海床質地為砂石；水深20～35m（計算取25m），流速≤2kn；常有風蒲氏4～5級，陣風可達7級；每年11月至來年3月可見厚度約0.4m的薄當年冰和跨度≤10m的小塊浮冰，冰況見圖3。

在監督機制建設中要重點強化企業的成本監督和相關管理工作，要以成本作為監督的目標，理順企業生產、管理的經濟關系，從成本控制的角度構建起有針對性、可執行的監督平臺和監督制度，真正將監督工作的重點放在對企業各項成本的控制工作上，提升企業成本管理、運營管理的效率，打造企業在生產、管理和經營上的經濟、組織與成本優勢。

圖2 設計航行的最嚴重冰況

圖3 潛在錨泊區域的冰況

4.1 初步選擇艏錨和錨鏈

經計算，船舶水線以上的側投影面積為750m2，求得舾裝數為927。按舾裝數初步選取艏錨（馬氏錨，單重2850kg）2只和直徑為φ42mm的AM3錨鏈495m，滿足中國船級社《鋼質海船入級規范》的要求。

4.2 冰區錨泊幾種常見環境載荷疊加情形下的錨鏈受力估算

4.2.1 開闊水域風、流、浪作用疊加情形下的受力估算

對于海冰作用在錨鏈上視為錨鏈荷重并由此增大錨泊力的問題，本文暫不討論，而是將其作為錨泊力的安全冗余。

在風的作用下，錨泊船舶的錨鏈受到的力包括定常力F1和沖擊力F2，根據井上欣三[10]的研究，這2種力的計算式可表示為

數據管理、預警管理與預警發布管理3個模塊安裝在服務器端，由于交互性較強，采用B/S架構，基于ASP.NET的MVC模式設計。預警分析引擎也安裝在服務器端，由于不需要進行詳細的配置，采用C/S架構。服務器端實現遠程數據管理、預警規則設定、預警分析處理等功能，在接收到實時數據后，進行分析計算，判別是否超警，同時生成預警消息，推送至客戶端。

3) 在平均波長為200m[17]、有義波高為4.31m（7級風對應海況）[18]、入射角為45°的斜浪作用下，按式(5)求得浪載荷約124kN，若考慮浪與流的耦合作用，載荷峰值可達155kN。

以上載荷疊加，在最不利的情況下可使錨鏈所受定常力達到354kN，沖擊力達到1167kN。

4.2.2 冰區風、流、浪、海冰作用疊加情形下的受力估算

1) 風與流作用下的受力計算同上，浪載荷不計。

2) 在密集度為60%、相對運動速度為1m/s的小塊浮冰的作用下，錨泊船舶受力按式(6)～式(9)求得，約32kN；若考慮浪與海冰的耦合作用，錨鏈受力可增至35kN；若考慮海冰作用角度改變導致的受力陡增，最大可至49kN。

以上載荷疊加，在最不利的情況下使錨鏈所受定常力達到248kN，沖擊力達到1061kN。

2017年8月8日，共建“平安西江”行動啟動。記者通過專訪廣東海事局局長陳畢伍了解到，在一年多的建設時間里，共建“平安西江”行動取得了階段性成果，該行動也讓廣東海事局追求的水上安全監管長治久安目標得到進一步實現。

4.2.3 冰區風、海冰作用疊加情形下的受力估算

這種情形下，錨鏈所受定常力可達182kN，沖擊力可達698kN。

4.3 初選艏錨和錨鏈的適用性評價

初選2只馬氏錨（單重2850kg）和直徑為φ42mm的AM3錨鏈，取錨的抓力系數為6，按式(11)估算拋單錨時的最大水平錨泊力為153kN，遠小于開闊水域風、流、浪疊加作用下的錨鏈受力，即便采取“一點錨”式拋錨方法（見圖4）使總錨泊力增大1倍，也不能滿足錨泊需求。初選直徑為φ42mm的AM3錨鏈的拉力試驗載荷為984kN，小于前述4.2.1、4.2.2情形下錨鏈所受沖擊力，錨鏈強度得不到保證。由此，必須加大艏錨和錨鏈的選型規格。

4.4 最終選定的艏錨和錨鏈

實際選取艏錨（馬氏錨，單重3300kg）2只和直徑為φ46mm的AM3錨鏈577.5m，在相同條件下估算的最大水平錨泊力為181kN，在最不利的錨泊環境下，采取“一點錨”式拋錨方法能滿足錨泊需求。直徑為φ46mm的AM3錨鏈的拉力試驗載荷為1171kN，大于最不利情形下錨鏈所受沖擊力，表明錨鏈強度能得到保證。

圖4 “一點錨”拋錨示意

5 結 語

冰區航行船舶所處拋錨環境及對海冰作用力的特別考慮超出了根據舾裝數選用艏錨和錨鏈的適用前提，因此舾裝數法并不完全適用于冰區航行船舶的錨泊設計。為改進冰區航行船舶的錨泊設計，有必要對冰區錨泊的環境載荷進行分析，在此基礎上預報錨鏈受力并選擇適用的錨泊設備。對于上述問題，通常需采用大型軟件進行計算求解，但在設計任務允許的情況下也可采用公式法進行簡化處理。

在冰區環境因素疊加的不利情形下，錨泊船舶的艏錨和錨鏈負荷很大，其中以開闊水域的風、流、浪作用疊加為最不利情形。為保證錨泊安全，除了應適當增大艏錨和錨鏈的規格選型以外，還需采用“一點錨”等拋錨方法加以應對。