冰区航行船舶艏锚和锚链的设计

吴文翔

（中国船级社 武汉分社，湖北 武汉 430022）

0 引 言

冰区航行船舶在锚泊时的安全性一直备受关注，目前很多冰区航行船舶的艏锚和锚链都不足以保证船舶锚泊的安全性[1-2]。国际船级社协会的统一要求、技术建议[3-4]和各成员船级社的船舶入级规范对按船舶舾装数选用艏锚和锚链的方法有一系列假定前提，即：最大水流速度为2.5m/s；最大风速为25m/s；出链长度（抛出锚链的长度与水深之比）为6～10。对于船长大于135m的船舶，限制最大水流速度为1.54m/s，最大风速为11m/s，最大有义波高为2m[5]。冰区航行船舶一般难以满足这些假定条件。冰区航线所处的地理环境复杂，锚泊水域的遮蔽条件较差，加上高纬度地区气象的特殊性，使得锚泊环境比较恶劣。特别是上述假定中未提及海冰对船舶的作用，而这是冰区航行船舶在锚泊时遭受海冰侵袭，发生走锚、断链事故的根本原因。因此，仅通过计算舾装数选用艏锚和锚链，对于冰区航行船舶而言是不够的。

下午的议程将大会分为两大主题分会场，分别围绕着“转型升级高峰论坛”和“新材料与绿色供应链”进行主旨演讲与高峰论坛环节，众多国内外专家学者、协会领导与品牌负责人进行对话，围绕着专题内容进行研究探讨。

1 问题的简化与处理

冰区航行船舶在风、流、浪和海冰综合作用下锚泊时的运动十分复杂，环境载荷耦合机理尚不明确，理论计算的难度很大，因此在工程应用中有必要对问题进行适当简化。

1) 对环境载荷进行简化。

对马铃薯脆片品质各指标进行主成分分析，取特征值大于1的因子提取主成分，马铃薯脆片品质的综合评分按公式(1)计算菊芋饼干各个试验组的综合得分后按公式(2)将得到的综合评分F进行规范化处理，并分别计算综合得分和标准化综合得分[16]。

(1) 不单独考虑浪的作用，因为在海冰环境中浪的耗散能量逐渐消波[6-7]，影响大大减弱，且其作用已体现在海冰运动（如碰撞、翻转、堆积）中，计算海冰载荷就意味着考虑了浪的作用；

(2) 在锚泊水域的流速一般不大（≤2m/s）、流的成分不复杂的情况下，假设流作定常运动，可按理想流体处理；

(3) 海冰与船舶的相互作用缓慢，满足准静定方法的条件等。

2) 对锚链受力分析进行简化。锚泊船舶在风、流、浪和海冰综合作用下的偏荡运动较为剧烈，锚链受到定常力和冲击力2种力的作用，二者的作用机制不同，大小也相差悬殊，其中：定常力作用持续，是影响锚抓力的重要因素；冲击力作用短暂，主要导致锚链运动和悬链形态发生改变[8]。因此，应分开考虑锚链受到的定常力和冲击力，其中：定常力用于判断船舶是否发生走锚[9]；冲击力用于考核锚链承受载荷的能力。特别强调的是，在较剧烈的偏荡运动中，无论是定常力还是冲击力，都不宜采用静态悬链模型进行分析，因为误差较大。替代的分析方法有2种：一是采用锚链动态受力模型进行分析；二是通过试验和数值回归分析得出经验公式，由此进行估算。

（3）土地流转率未达100%，土地难以集中规划。虽然现在各村土地流转率已达到95%以上，但是依然有少部分村民不愿将土地流转，所以较难形成大面积的成片土地，并且土地流转期限仅为3～5年，不能保证每次期限过后村民依然愿意土地流转，村委会难以对土地进行集中规划、招商引资。发展高效农业的周期较长，土地流转期限得不到保证的话，商家不愿长久投资，这就限制了高效农业的发展。

3) 在简化物理模型的基础上，对解决方案进行简化。目前，以理论计算为基础设计艏锚和锚链的方法是：先计算出锚泊环境的总载荷，其次结合初选的艏锚和锚链，借助计算软件分析船舶运动响应，求出锚链张力，随后对船舶的锚泊能力予以考核，最终确定合适的艏锚和锚链。该方法的实施过程复杂，成本较高。为进一步提高效率，可对该方法进行简化：先分别在风、流、浪和海冰单独作用的条件下对初选艏锚和锚链的锚泊能力予以考核，随后根据实际常见的环境载荷叠加的不利情形评价艏锚和锚链的适用性。由于当前已有较多有关风、流、浪、海冰单独作

用下的船舶系泊能力的研究成果可借鉴，因此采用该简化方案既能保证方便实用，又能保证安全性。实践中，推荐采用考虑锚泊环境载荷的艏锚和锚链设计评估流程，具体见图1。

高等学校应将原账会计科目余额表中 “非流动资产基金”“事业基金”“财政补助结转”“财政补助结余”“非财政补助结转”“经营结余”的期末余额合计记入新账“累计盈余”贷方期初余额。

图1 艏锚与锚链设计评估流程

2 锚泊船舶在不同环境载荷下的锚链力

2.1 风载荷下的锚链力

2) 在流速为1m/s、入射角为45°的斜流作用下，按式（4）求得锚链定常力约66kN，锚链冲击力取定常力的5.5倍，约363kN；

式(1)和式(2)中：F0为船舶正面所受风压；AB为船侧受风面积；AB0为船舶水线下的侧投影面积；Pφ为船舶风压中心（风舷角90°）与舯部之间的距离，风压中心在舯前Pφ为+，否则为-；LPP为船舶垂线间长。

2.2 流载荷下的锚链力

在流的作用下，当锚泊船舶达到运动平衡状态时，其锚链受力WF等于船体和舵受到的水动力合力，即

(1)企业应加强诚信建设，勇担企业社会责任，树立良好的企业形象。通过增强企业实力，为获得良好的融资提供坚实的基础，拓宽融资途径，吸引直接融资，如利用企业债券、基金等，实现多渠道的融资，特别要善于利用好民间资本，既减少社会上的闲置资金，又支持了旅游业的发展。

式(3)中：CF为水动力系数，通过船模试验获得；ρ为水的密度；AW为船体湿表面的面积；v为流速。

当精度要求不高时，可按美国石油学会（American Petroleum Institute, API）提供的公式[11]估算锚链受力，即

式(4)中：CE为流力系数。当流从船首或船尾入射时取CE=2.89N·s2/m4，当流从正横向入射时取72.37N·s2/m4；对于以β角入射的斜流，按正交分解的流速分别适用纵向和横向的流力系数。

动态看盘就是在交易时间内看盘，静态看盘就是在非交易时间之内看盘。交易时间内看盘能感知当时的盘面盘口市场情绪和交易气氛，这在非交易时间看盘是无法获知的。动态看盘看的是过程，静态看盘看的是结果。动态看盘能获得更多的盘口各种各样交易信息。

2) 锚和锚链系统能提供的最大水平锚泊力F的计算式为

2.3 浪载荷下的锚链力

在浪的作用下，锚泊船舶的锚链受力主要取决于二阶波浪漂移力QF，其计算式[13]可表示为

沥青公路路面施工过程中的技术应用，决定着工程施工的成果。为了达成施工目标，文章主要针对公路沥青路面出现不平整的原因以及养护的措施进行了思考，这是对于施工质量的保障，有利于提升结构整体的稳定性，延长工程的使用寿命，维护交通出行及运输安全。

式(5)中：LW为船舶水线长；h为有义波高；φ为波浪入射角，φ≠0；R为漂移力系数，与波长λ与船长之比有关[14]。

2.4 海冰载荷下的锚链力

海冰载荷取决于冰况和船舶与海冰的相对运动。锚泊区域的海冰一般以小块浮冰的状态存在，锚泊船舶的海冰载荷就是其受到的碎冰阻力。根据杨佳东等[15]的研究，碎冰阻力RI的计算式可表示为

式(6)～(9)中：Cs为水体参数，海水取1.0；Ch为涂层参数，漆取1.0；T为海冰表面温度；fσ为海冰弯曲强度；γ为船首沿船宽方向外飘角的平均值；θ为船首纵剖线与水线面夹角的平均值；B为船舶型宽；D为船舶型深。

需说明的是，改变海冰作用于锚泊船舶的角度可使锚链张力陡增，峰值能达到其定常力的1.4倍[15]。

2.5 冰区锚泊常见的几种环境载荷叠加的情形

1) 开阔水域风、流、浪作用叠加。除了风、流、浪的载荷叠加以外，还要注意流与浪的耦合作用可使浪的二阶漂移力增大25%（浪对流的载荷影响很小）[16]。

大豆属豆科、蝶形花亚科，大豆属。干豆称为黄豆，青鲜豆称毛豆。大豆是短日照、喜温、需水较多、对土壤条件要求不严适应性较强的作物。

2) 冰区风、流、浪、海冰作用叠加。按照前述简化问题的原则，在该情形下不计算浪载荷，但在波高大于1m时应考虑浪与海冰的耦合作用会导致冰作用力增加10%[17]。

3) 冰区风、海冰作用叠加。这是冰区锚泊常见的情形，该情形下的环境载荷是冰区航行船舶锚泊必须满足的基本要求。

3 艏锚与锚链的适用性评价

锚链张力水平分量H的计算式为

3.1 走锚

1) 防止锚泊船舶走锚的条件是：锚链张力水平分量H不大于最大水平锚泊力F，即H≤F。

锚泊船舶的锚链受力不仅取决于环境载荷，而且受艏锚和锚链的型式、抛锚方式和出链长度等因素的影响。为更好地讨论环境载荷对锚链受力的影响，需对艏锚和锚链的型式、抛锚方式和出链长度做统一假定，即：假定使用同一型式的艏锚和锚链，抛单锚，出链长度（抛出锚链的长度与水深之比）为9，锚泊力与锚链张力平衡时至少有1节锚链卧底。

锚链不发生变形或破断的条件是：锚链冲击张力的峰值不大于其拉力试验载荷。锚链拉力试验载荷见表2[19]，其中d为锚链直径，mm。

式(10)中：T0为锚链张力的定常值，按前文所述方法计算，kN；Wc为每米锚链的湿重，N/m；h为抛锚水深，m。

如乐善秦腔表演中的秦剧《下河东·赶驾》中赵匡胤的大段唱腔：“河东城困住了赵王太祖，把一个真天子昼夜巡营，黄金铠每日里将王困定，可怜王黄骠马未解鞍笼，王登基二十载干戈未尽，手提上盘龙棍东打西征，五王八侯都丧命，朝廊里无人来领兵，——在河东王哭的珠泪倾，是何人又来统领兵。”这段唱词不仅反映了宋朝重文轻武的事实，这还唱出了天子因错用人，致使先行丧命，而朝中无人挂帅，自己亲自领兵昼夜巡营的痛苦心情。

值得注意的是，在流的作用下，锚链所受冲击力的峰值可达其定常力的3～8倍[12]。

式(11)中：λa为锚的抓力系数，取决于锚型、锚地底质、抓底姿态和锚链出链长度等，参考值见表1[18]；Wa为锚的湿重，等于锚在空气中的重量乘以0.867，N；λc为锚链的抓力系数，通常取0.75；Wc为每米锚链的湿重，N/m；Lb为卧底锚链的长度，m。

表1 锚抓力系数试验结果参考值

1) 在蒲氏7级风（风速17.1m/s）的作用下，按式(1)求得锚链定常力约133kN，按式(2)求得锚链冲击力约649kN；

3.2 锚链变形或破断

历史是不可能发生的事：企图用不完整的知识，来解释本身就在不完整的知识下发生的行为。因此它教导我们，没有通向“救赎”的捷径，没有制造“新世界”的秘方，只有兢兢业业和耐心的做法才行得通。我教导你们，通过不断努力解释，我们也许可以最终得知——并非某种解释——我们进行解释的能力是极其有限的[2]92。

表2 锚链拉力试验载荷

4 参考案例

案例船舶的基本参数为：总长100m；垂线间长90m；型宽18m；型深9m；设计吃水5.6m；满载排水量5000t。设计该船航行的最严重冰况见图2。经调查，船舶航行过程中潜在锚泊区域的环境参数和相关信息为：海床质地为砂石；水深20～35m（计算取25m），流速≤2kn；常有风蒲氏4～5级，阵风可达7级；每年11月至来年3月可见厚度约0.4m的薄当年冰和跨度≤10m的小块浮冰，冰况见图3。

在监督机制建设中要重点强化企业的成本监督和相关管理工作，要以成本作为监督的目标，理顺企业生产、管理的经济关系，从成本控制的角度构建起有针对性、可执行的监督平台和监督制度，真正将监督工作的重点放在对企业各项成本的控制工作上，提升企业成本管理、运营管理的效率，打造企业在生产、管理和经营上的经济、组织与成本优势。

图2 设计航行的最严重冰况

图3 潜在锚泊区域的冰况

4.1 初步选择艏锚和锚链

经计算，船舶水线以上的侧投影面积为750m2，求得舾装数为927。按舾装数初步选取艏锚（马氏锚，单重2850kg）2只和直径为φ42mm的AM3锚链495m，满足中国船级社《钢质海船入级规范》的要求。

4.2 冰区锚泊几种常见环境载荷叠加情形下的锚链受力估算

4.2.1 开阔水域风、流、浪作用叠加情形下的受力估算

对于海冰作用在锚链上视为锚链荷重并由此增大锚泊力的问题，本文暂不讨论，而是将其作为锚泊力的安全冗余。

在风的作用下，锚泊船舶的锚链受到的力包括定常力F1和冲击力F2，根据井上欣三[10]的研究，这2种力的计算式可表示为

数据管理、预警管理与预警发布管理3个模块安装在服务器端，由于交互性较强，采用B/S架构，基于ASP.NET的MVC模式设计。预警分析引擎也安装在服务器端，由于不需要进行详细的配置，采用C/S架构。服务器端实现远程数据管理、预警规则设定、预警分析处理等功能，在接收到实时数据后，进行分析计算，判别是否超警，同时生成预警消息，推送至客户端。

3) 在平均波长为200m[17]、有义波高为4.31m（7级风对应海况）[18]、入射角为45°的斜浪作用下，按式(5)求得浪载荷约124kN，若考虑浪与流的耦合作用，载荷峰值可达155kN。

以上载荷叠加，在最不利的情况下可使锚链所受定常力达到354kN，冲击力达到1167kN。

4.2.2 冰区风、流、浪、海冰作用叠加情形下的受力估算

1) 风与流作用下的受力计算同上，浪载荷不计。

2) 在密集度为60%、相对运动速度为1m/s的小块浮冰的作用下，锚泊船舶受力按式(6)～式(9)求得，约32kN；若考虑浪与海冰的耦合作用，锚链受力可增至35kN；若考虑海冰作用角度改变导致的受力陡增，最大可至49kN。

以上载荷叠加，在最不利的情况下使锚链所受定常力达到248kN，冲击力达到1061kN。

2017年8月8日，共建“平安西江”行动启动。记者通过专访广东海事局局长陈毕伍了解到，在一年多的建设时间里，共建“平安西江”行动取得了阶段性成果，该行动也让广东海事局追求的水上安全监管长治久安目标得到进一步实现。

4.2.3 冰区风、海冰作用叠加情形下的受力估算

这种情形下，锚链所受定常力可达182kN，冲击力可达698kN。

4.3 初选艏锚和锚链的适用性评价

初选2只马氏锚（单重2850kg）和直径为φ42mm的AM3锚链，取锚的抓力系数为6，按式(11)估算抛单锚时的最大水平锚泊力为153kN，远小于开阔水域风、流、浪叠加作用下的锚链受力，即便采取“一点锚”式抛锚方法（见图4）使总锚泊力增大1倍，也不能满足锚泊需求。初选直径为φ42mm的AM3锚链的拉力试验载荷为984kN，小于前述4.2.1、4.2.2情形下锚链所受冲击力，锚链强度得不到保证。由此，必须加大艏锚和锚链的选型规格。

4.4 最终选定的艏锚和锚链

实际选取艏锚（马氏锚，单重3300kg）2只和直径为φ46mm的AM3锚链577.5m，在相同条件下估算的最大水平锚泊力为181kN，在最不利的锚泊环境下，采取“一点锚”式抛锚方法能满足锚泊需求。直径为φ46mm的AM3锚链的拉力试验载荷为1171kN，大于最不利情形下锚链所受冲击力，表明锚链强度能得到保证。

图4 “一点锚”抛锚示意

5 结 语

冰区航行船舶所处抛锚环境及对海冰作用力的特别考虑超出了根据舾装数选用艏锚和锚链的适用前提，因此舾装数法并不完全适用于冰区航行船舶的锚泊设计。为改进冰区航行船舶的锚泊设计，有必要对冰区锚泊的环境载荷进行分析，在此基础上预报锚链受力并选择适用的锚泊设备。对于上述问题，通常需采用大型软件进行计算求解，但在设计任务允许的情况下也可采用公式法进行简化处理。

在冰区环境因素叠加的不利情形下，锚泊船舶的艏锚和锚链负荷很大，其中以开阔水域的风、流、浪作用叠加为最不利情形。为保证锚泊安全，除了应适当增大艏锚和锚链的规格选型以外，还需采用“一点锚”等抛锚方法加以应对。