某游弋式養殖工船的錨泊設計

中圖分類號：U662 文獻標志碼：A

Anchoring Design of a Crusing Fishfarming Vessel

SHEN Changyun'， YIN Jinhui2，LIU Xingliang3，WANG Ling1， ZHU Wenqian'（1.GuangzouiEitioago，ia；CaguWeobditedo510715，China;3.Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co.，Ltd.，Shanghai 2oo137，China）

Abstract： To adapt the safe culture and cruising demand of self-propelled fishfarming vessel under selected sea water area， wind，sea wave，current， water depth，tidal range and nature of the sea bottom etc，environmental conditions，determinate the anchoring mode per the requirement ofcurrent code amp; rules，then conduct hydrodynamic force analysis targeted the positioning anchoring system in culture mode by using hydralic calculation software， select jury anchor by equipment number in charge of classrules，at last obtain the anchoring equipments which meet the specified culture， cruising and self-propelled conditions.

Key words： cruising fishfarming Vessel; anchoring mode; hydrodynamic force analysis;anchoring design

1 引言

現階段我國海洋資源開發仍多集中在近海海域，近海海洋資源開發過度與深遠海資源利用不足問題并存，近海海洋生態環境壓力持續增大。因此，基于海洋經濟持續發展和環保的迫切需要，以及近年來對深遠海資源開發的重視，國家層面加大了遠離近岸的深遠海資源的開發與綜合利用力度。

作為海上移動式漁業養殖裝備的一種，自航式養殖工船這種新型深遠海養殖裝備，具有排水型船型結構、封閉式養殖艙和推進裝置，具備自航能力，可實現不同海域錨地的游弋式養殖作業，船上設置多個封閉式養殖艙獲得穩定的養殖環境，采用“船載艙養”模式，可有效利用深遠海適養海域進行長期游弋式轉場的水域輪作養殖和加工作業，實現南魚北養和北魚南養以及解決全季節優質水產養殖的產業需求，同時適合中國海域臺風多發的海況特點，能夠有效規避臺風、赤潮等自然災害的不利影響。

因而，作為可移動封閉式深遠海綜合漁業生產和服務平臺，游弋式養殖工船在設計上兼具適養海域錨地系泊固定和自航式移動兩種模式，相應的錨泊設備涉及養殖和臨時（航行）錨泊這兩種工況，需要研究分析不同工況下的錨泊需求以滿足法規和規范對養殖工船錨泊的配置要求，并作為游弋式養殖工船錨泊設備設計選型的基礎。

2 養殖工船主要參數和設計依據

2.1養殖工船主要參數

以國內首艘游弋式養殖工船為對象，其主要參數見表1所示。

2.2養殖海域環境條件

根據各地方政府海域規劃情況，不同海域氣象、水文的季節變化規律，以及不同養殖品種的生物學特性，養殖工船的運營方綜合養殖安全、船舶安全、經濟性等要素篩選出各養殖品種的錨地養殖和轉場方案，并對所選國內幾個錨地的海域環境、水文、底質等信息進行深人調研，基于這些相關海域的長期統計數據，按該養殖工船的養殖作業窗口期不低于 80% ，選定正常養殖作業工況下的風浪流數據為： 10min 平均風速?13.8m/s 、有義波高 Hs?2.5m 、譜峰周期 8.3s 、流速 ?1.5m/s 。當養殖作業時本船所處海域相關風浪流預報數據高出以上設定值時，應當提前啟動防風應急預案，并根據既定線路組織游弋轉場，航行至指定區域避險。

考慮水深對系泊系統的能力有較大的影響，調研得到所選各錨地的海圖水深分別為錨地1為 28-33m 、錨地2為 38-53=19 、錨地3為 16-46m 、錨地4為 26-42m_?

根據水文觀測數據，調研得到所選各錨地潮位差見表2所示。

根據地質資料，錨地1、錨地2、錨地3海域范圍的海底底質條件主要以淤（軟）泥為主；錨地4的海底底質條件主要以泥沙混合為主。

2.3規范依據及設計衡準

本船設計時國內尚無明確的針對此類養殖設施的相關規則和規范，經各方溝通后按船舶發證，錨泊設備原則上先滿足《鋼質海船入級規范》對船用臨時（航行）錨泊設備的配置要求；對于《鋼質海船入級規范》無法涵蓋的工況，按船東規定的設計條件，參照《海上移動平臺人級規范》的評估方法對定位錨泊系統進行分析。由此，本船開展錨泊設計的規范及依據主要為《鋼質海船入級規范》、《海上移動平臺人級規范》中的相關規定。

按照《海上移動平臺人級規范》以及與船級社溝通意見，本船錨泊設備的定位錨泊系統水動力設計衡準滿足如下要求：

1）對于遠離其他結構物作業的養殖工船，設計為單根錨鏈時，錨鏈安全系數不小于3;

2）如果采用大抓力錨，錨抓力安全系數不小于1.5，系泊系統最大偏移時系泊索仍有一段與海底相切；

3）應盡可能避免走錨并設置有關監測系統監控系泊變化情況。

3 錨泊模式

3.1臨時錨泊模式

一般采用船首拋單錨的方式。

3.2定位錨泊模式

養殖工船在風浪流等環境條件下會產生六個自由度的運動，導致養殖艙內的養殖水體形成具有一定規律的流態和流場，并間接影響養殖水體中溶解氧、顆粒物、營養鹽等物質的傳遞和輸運。可以采用不同的定位方式：一是動力定位，這種模式效果最好，能耗最高，代價最大；二是多點輻射懸鏈式定位錨泊系統，這種方式效果不錯，需要輔助船拋錨起錨作業，機動性較差，代價較高；三是單點懸鏈式定位錨泊系統，這種模式最簡單，可自拋起錨，機動性較好，代價最低。

考慮本養殖工船隨季節變更養殖海域，在單個海域的養殖時間不長，為非永久性系泊，錨泊定位系泊采用自拋錨定位的單點系泊方式。該模式如圖1所示。

該模式下錨泊設備主要組成為大抓力錨和錨索（系泊索）。定位錨泊系統主要依靠錨索（鏈）的懸鏈效應提供恢復力，主要與水深、鏈長和單位長度的鏈重有關。

4 錨泊系統水動力分析

4.1計算方法

定位錨泊系統需要依據力的大小進行設計。養殖工船定位錨泊力的大小主要受風、浪和流的影響，船舶水線以上部分受風壓作用，水線以下部分受水流、波浪的作用。需要先獲得船的位移、錨索張力、錨索拋出長度、錨承載力等指標。

采用ANSYSAQWA和OrcaFlex水動力分析軟件進行本船定位錨泊系統數值分析。根據選定的海洋環境條件，對不同的工況組合進行系泊系統的運動及受力分析。

4.2錨索計算參數

本船錨索（系泊索）選用公稱規格為 97mm 的錨鏈，水動力計算時，從鏈出口處到錨固點設置錨鏈，長度取 601m ，干重為 206kg/m 。

4.3頻域計算

1）時域計算模型

選用三維線性波浪載荷計算軟件ANSYSAQWA來計算各規則波中船的運動響應和波浪載荷。

根據養殖工船的實際型表面和設計吃水建立水動力計算面元模型，如圖2所示。

2）各工況運動響應RAO曲線

分別計算在 25m 、 32m 、 53m 等水深工況下養殖工船在設計吃水時的運動響應RAO曲線。限于篇幅，僅給出 53m 水深時養殖工船的橫搖運動RAO曲線，如圖3所示。

4.4時域計算

1）時域計算模型

采用OrcaFlex進行時域分析計算，所有工況均完成時域不小于 3h 仿真計算。計算時，風流采用定常力，浪采用Jonswap譜。時域分析模型見圖4所示。

2）計算工況

基于上述錨索（系泊索）選用公稱規格為 97mm 的錨鏈，從鏈出口處到錨固點長度取 601m ，對設定海況風浪流數據 10min 平均風速 ?13.8m/s 、有義波高Hs?2.5m 、譜峰周期 8.3s 、流速 ?1.5m/s 下的養殖工船開展系泊系統分析，主要針對極端水位的不同風浪流方向以及考慮潮差的影響，具體工況見表3所示。

4.5主要計算結果統計分析

對養殖工船進行時域分析后，位移數據有縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖以及首搖六個自由度的數據。由于采用單點系泊系統，養殖工船在風浪流的作用下可繞系泊點進行360°的旋轉，計算過程中，每個工況考慮5個隨機種子數。選取對養殖工船定位錨泊配置影響較大的錨索（系泊索）張力和躺地長度數據進行統計分析，各工況下錨索（系泊索）張力最大值統計結果見表4所示。

各工況下系泊索（鏈）躺地長度統計結果見表5所示。

4.6典型時歷曲線

考慮篇幅，僅摘取了工況1養殖工船的錨索（系泊索）受力曲線及躺地長度，如圖5、圖6所示。

5 錨泊設備選型配置

5.1錨選型

綜合考慮錨的尺寸、錨的存放、自拋/起錨的便利性，對于本船懸鏈式單點系泊系統，錨選用拖曳埋置式大抓力錨，該類錨適應各種底質并具有較好的穩定性。

按《鋼質海船入級規范》對船用臨時（航行）錨泊設備的要求，計算本船裝數，可查表得到船首部臨時（航行）錨的配置。

對于定位錨泊的配置，參照《海上移動平臺入級規范》的方法，經水動力分析計算得到定位錨泊系統的錨抓力等指標，參考《船舶設計實用手冊裝分冊（第3版）》的各類錨抓力系數曲線，考慮安全系數計算得到錨重參數。

綜合上述兩種配置要求，選定錨型和錨規格。本船實配名義重量 18375kg 的大抓力錨。

5.2錨索選型

按計算所得本船裝數，可查表得到船首部臨時（航行）錨索的配置。

按水動力分析計算得到定位錨泊系統的錨索張力、錨索拋出長度等指標，選定錨索規格和長度。

綜合考慮懸鏈效應和錨鏈艙的配備等因素，選定錨索規格和長度。本船實配公稱規格為 97mm 、長度為 605m 的三級錨鏈。

5.3錨機選型

依據上述選定的錨索規格，進行錨機選型，確定額定拉力、速度、支持負載等參數。通常選用船用定位錨機，帶錨索放出長度顯示功能。錨機滿足《海上移動平臺入級規范》對定位錨泊設備的電氣控制、監測和報警系統的規定。

6 走錨風險及防范措施

該養殖工船需隨時節進行轉場，可依靠養殖工船自身的錨機自行拋錨、起錨作業，方便養殖工船進行轉場操作。但由于拖曳埋置式大抓力錨的特性，當風浪流方向改變時存在一定走錨風險。

為此，本船養殖工況時從硬件、管理、預案等方面考慮錨位監測措施

硬件方面，本船設有兩臺雷達，S波段雷達和X波段雷達各一臺，兩臺雷達均具有監測本船位置的功能，在本船走錨，船位偏移超過設定范圍時產生聲光報警，這個設定范圍是一個以本船為圓心、設定的監測距離為半徑形成的圓，設定的監測距離可按需自行調整。

管理及預案方面，駕駛室采用 24h 有人值班制，關注船位偏移等狀態，有偏差時按預案采取應對措施。

7 結論

針對該養殖工船在相關海域的作業需求，綜合考慮各方面條件，得到滿足規范和實際工程應用的錨泊設備配置結果，首制船已交付并進行了工程化驗證，取得了較好效果。這種解決思路和方法可為類似工程提供有益參考。

參考文獻

[1]中國船級社.鋼質海船入級規范[S].北京：人民交通出版社，2018.

[2]中國船級社.海上移動平臺入級規范[S].北京：人民交通出版社，2016.

[3]中國造船工程協會.船舶設計實用手冊（第3版）裝分冊[M].北京：國防工業出版社，2013.