大型船舶深水锚泊出链长度估算方法

洪恩瑰

一、引言

大型船舶在深水海域锚泊时首先要考虑的是锚泊极限水深问题，这关系到起锚时能否安全收回锚设备。船长可根据船舶锚设备的配备情况及锚机安全特性等参量选取合适的锚泊水深[1]。确定安全锚泊极限水深后，船长需要确定合理的出链长度，以保证船舶在锚地的安全系留。

为确保船舶安全锚泊，选择出链长度应综合考虑各种因素，如船舶载况，外界风力、流速及浪的大小等。通常水深越深，所需的出链长度越长；外界风流等环境条件越恶劣，所需的出链长度越长；船舶压载时，水面以受风面积越大，所需的出链长度越长。但这些只是定性的结论，在航海实践中，受船舶配备的锚链长度及锚机的额定功率的限制，且不可准确预知海上外界风流变化情况，船长在深水抛锚时仅仅依靠这些定性结论显然还不足以应对复杂的操作局面。

本文根据有关资料给出的成果，结合笔者多年的大型船舶的船长经验，考虑深水锚泊期间出链长度所涉及的水深、外界风力条件和船舶装载状态等因素，给出适合某VLCC油船特定船型深水锚泊时的出链长度估算方法。首先假定水平外力为一定常值，利用出链长度计算公式计算锚泊船出链长度与水深和外力之间的关系，通过风压力估算公式得到水平外力，进而得到在一定水深条件下的所需出链长度与风级之间的关系。

二、单锚泊出链长度估算方法

为了抵御外界风、浪和流等外力的影响，船舶锚泊时，必须有足够锚泊力，以保证在锚地安全系留。锚泊力大小受锚泊出链长度影响，过长或过短的出链长度都达不到安全锚泊要求，因此，有必要估算合理的锚泊出链长度。

1.所需出链长度计算方法

锚泊力P俗称锚抓力，其由锚的抓力Pa和锚链的抓力Pc两部分组成[4-5]，即：

其中：λa为锚抓力系数；Wa为锚重（t）；λc为锚链抓力系数；wc为单位链长重量（t/m）；l 为卧底链长（m）。

锚链受重力的作用，锚泊船所需出链长度S分为悬链长度s和卧底链长l两部分，悬链长度是指悬垂在水中的部分，卧底链长是指平卧在海底的部分，显然，为了保证锚泊船有足够的锚泊力，除需要锚本身的抓力外，还必须有一定的卧底链长，以确保船锚平卧于海底。卧底链长越长，锚泊力越大。如图1所示。

图1 不同水深锚泊时出链长度示意图

根据有关资料，锚泊船所需出链长度可由式（2）进行估算[4]:

其中：h0为锚链孔至海底的距离（m），h0=h+d，h为水深（m）；d为锚链孔至水面的距离（m）；T0为作用于锚泊船的水平外力（t），主要为风对船舶水面以上船体的作用力，其次还包括流和浪对船舶水面以下船体的作用力。

由式（2）可见，对于特定的锚泊船，当水深和出链长度一定时，悬链长度和卧底链长与水平外力T0的大小有关。T0越大，悬链长度越长，卧底链长越短。当T0增大到使卧底链长接近0时，就是锚本身抓力可以抵御外力影响的临界点。

同理，对于同一锚泊船，当作用于船舶的水平外力一定时，所需出链长度与水深有关。水深越深，所需出链长度越大，见图1。

锚泊船在风、浪和流的作用下产生偏荡运动，风、浪、流的作用力大小是随着船舶运动状态的改变而随时发生变化的，因此，精确计算外力的大小十分复杂和困难。为了简化计算，本文仅考虑风的作用力，而忽略流和浪的作用力。

2.所需出链长度经验公式

随着水深的不断加大，出链长度是否可以无限增大？答案是否定的。实践中单锚泊出链长度常采用下列经验公式[3-5]:

根据该经验公式，在风速为20 m/s和30 m/s的条件下，不同水深时所需出链长度计算结果分别见表1和表2。

表1 8级风时不同水深出链长度经验公式估算结果

表2 11级风时不同水深出链长度经验公式估算结果

根据该经验公式计算结果，风力达到8级、水深达到80米或风力达到11级、水深达到50米时，锚泊船抛出的锚链长度均超过12节。但船舶配备的单舷锚链长度一般为11～14节（300～385米），显然，当水深超过一定限度或风力达到一定级别时，即使船舶配备的锚链长度全部抛出也可能达不到上述经验公式求得的出链长度，何况实际锚泊时，还需要保留一定长度（1~2节）的安全余量。因此，船舶在深水锚泊时，可抛出的最大链长是有限的，该经验公式对大型船舶在水深超过80米的深水锚地进行单锚泊的适用性存在不足之处。

另外，单锚泊出链长度不但与水深和风力有关，还与水文条件、船舶载况及锚设备性能等诸多因素有关，因此，对于大型船舶深水锚泊而言，上述经验公式在理论上也存在不足之处。

三、深水锚泊出链长度的估算方法

由上述分析可知，水平外力是随着锚泊船偏荡运动而发生变化的，实际操作中很难对式（2）中的水平外力T0进行精确计算，因此，需要对其进行简化，结合风流压力估算公式，提出一种实用的估算方法。首先假定锚泊船所遭遇的水平外力T0为定常值，得到与不同水深条件下所需出链长度S之间的关系；然后利用风流力的估算公式得到不同风级的风压力与定常外力之间的关系；最后，对两者结果进行比较，得到不同水深条件下锚泊所需出链长度S与风级之间的关系，其结果可作为计算船舶深水锚泊出链长度的定量参考。

1.不同水平外力所需出链长度

式（2）中的水平外力T0的大小分别取20吨、40吨、60吨、80吨、100吨、120吨和140吨的定常值，水深h分别取40米、60米、80米、100米和120米，式中锚和锚链数据以及船舶载况等其他参数见表3。

表3 某VLCC不同载况时的船舶参数及锚设备参数[1，4]

将水平外力、水深及船舶载况和锚设备参数代入式（2），其中锚的抓力系数λa取8（AC-14型锚取7～11），锚链的抓力系数λc取0.7（泥沙底），则该船压载和满载在不同水深条件下遭遇不同定常外力时所需出链长度计算结果分别见表4和表5。

表4 压载时不同水深和水平外力所需出链长度 节

表5 满载时不同水深和水平外力所需出链长度 节

由此可见，在水深一定时，出链长度随外力增加而增大；在水平外力一定时，出链长度将随水深增加而增大；同一外力、同一水深条件下，压载比满载所需出链要长。但当水深为120米，压载情况下水平外力达到100吨、满载情况下水平外力达到120吨时，所需出链长度分别为12.6、12.8节。当水深为60米，压载和满载外力达到140吨时，所需出链长度分别为14.2和13.2节。这些出链长度已经超过该船所允许的最大出链长度，因此，在气象水文条件极其恶劣的情况下，该船不宜进行深水锚泊。

2.风压力和流压力估算

风压力估算如式（5）所示[3-5]：

其中：ρ为空气密度（1.29 kg/m3）；θ为风舷角；Ca为风力系数，呈马鞍形曲线，其与风舷角和船型有关，对于油船，Ca≈0.5～1.3；va为相对风速（m/s），风级采用蒲氏风级，风速采用蒲氏风级表中速度的平均值；Aa和Ba分别为船舶水线以上船体正投影面积和侧投影面积（m2），可根据船舶型深、吃水和船长参数估计，见表3。

对于锚泊船来说，即使考虑偏荡的影响，风舷角θ也不会超过40°，因此，风舷角θ仅计算至40°，风舷角为0°、10°、20°、30°和40°时的风力系数Ca的取值见表6[3]。

表6 不同载况、不同风舷角的风压系数Ca取值

将上述参数代入式（5），则该船压载和满载在不同风舷角、不同风级的作用下所受风压力计算结果分别见表7和表8。

表7 压载时，不同风舷角和风级下的风压力估计值 t

表8 满载时，不同风舷角和风级下的风压力估计值 t

计算结果表明，在0°～40°风舷角范围内，30°或40°时风压力最大；同一水深、同一风力条件下，压载时船舶所受的风压力大于满载情况。

3.出链长度估算方法的应用

出于安全方面的考虑，风压力取30°风舷角的较大值。利用表4或表5进行插值检索，即可获得相应风级条件下的锚泊出链长度。

例如，算例中的VLCC锚泊时遭遇风级6、7、8、9和10级的作用，压载时，查表7，得到 30°风舷角的风压力分别为36.2吨、56.6吨、81.5吨、110.9吨和157.1吨；满载时，查表8，得到最大风压力分别为18.1吨、28.3吨、40.8吨、55.5吨和78.6吨。

将得到的压载和满载分别与表4和表5的水平外力对比并内插，得到水深分别为40米、60米、80米、100米和120米时不同风级所对应的出链长度，估算结果分别见表9和表10。

表9 某VLCC压载时不同风级深水锚泊出链长度 节

表10 某VLCC满载时不同风级深水锚泊出链长度 节

由估算结果可见，该船压载时，水深达到120米、风力超过9级时或风力10级时，所需出链长度均超过配备锚链的极限长度，因此，在这种情况下，该船不宜在锚地锚泊，宜采用外海漂航方式，以利于安全。该结论与本文三、1节所述一致。

4.估算方法与经验公式比较

在遭遇8级风时，将上述估算方法和本文二、2节经验公式结果放在同一表格中进行比较，不同水深情况下所需出链长度结果见表11。

表11 8级风时经验公式与本文估算出链长度 节

比较可知，经验公式结果更接近该船压载在水深较浅时的出链长度，水深越浅，两者越接近，经验公式更适用于水深小于60米的情况。

四、结论

本文的估算方法看似复杂，但针对特定系列船型，可通过一次详细计算，列出风级与出链长度之间关系的表格，以备本船或相似船型重复使用。实际使用本文结论时应注意以下要点：

（1）估算方法选取的外力间隔（20吨）和水深间隔（20米）较大，在估算风级与出链长度之间关系时，需要进行线性内插，但实际上，两者之间并非线性关系，则估算结果必然存着一定误差。因此，在具体应用时，应尽可能选取较小的水平外力间隔和水深间隔。

（2）本文估算方法仅仅考虑了风的影响，而没有考虑水流的作用力。在流速大于2节的强流水域，特别是船舶重载时，应考虑在上述估算结果基础上，根据流的大小再增加0.5~1.0节的出链长度。

本文仅仅给出锚泊船在风的作用下出链长度的粗略估算方法，尽管采用的参数可能存在一定误差，且假定为定常风、定常水平外力，但根据本人多年的大型船舶船长经验，估算结果基本与实际情况一致，可作为同类船型深水锚泊选择出链长度时的参考。