风致船舶走锚关系研究

张国安+向成

摘 要：本文根据代表船舶在锚泊状态下不同吃水、不同风舷角情况计算船舶锚链受力情况，与船舶锚系留力和主机推力的大小比对，分析船舶在某种吃水状态下风致走锚的最低风力。根据实际船舶走锚风力大小的案例，验证计算方法的可靠性。提供一种简便的方法，对计算船舶在锚泊情况下防台走锚的可能性有一定的借鉴意义。

关键词：台风 风力 风舷角 走锚

1.前言

船舶作为水上运输主要交通工具运输旅客及货物极易受到风力影响，船舶抗风能力涉及船舶甲板上部分建筑和甲板下水面上各部分动力学受力的综合内容。随着航海和社会各方面的快速发展，船舶抗风能力日益提高，但是日益复杂变化的极端天气也频发，特别是台风天气对于船舶锚泊安全带来严重影响。目前，船舶抗风能力的大小对于大部分船舶来说无具体数据可查，船舶在锚泊状态下在何种风力风向会导致走锚无具体数据可查。本文主要针对船舶在不同吃水状态下所受的风力与船舶走锚之间的量化关系进行探讨，提供一种简便的方法，计算船舶在锚泊情况下防台，如何提前采取措施预防走锚，保障人命和财产安全。

2.船舶锚泊所受锚的系留力大小分析

锚的系留力是指船舶处在锚泊状态时所受到的约束力，也称为锚泊力。受重力的作用，锚泊船的出链长度分为两个部分，悬垂在水中的部分称为悬链长度，平卧在海底的部分称为卧底链长。卧底链长与海底的摩擦力称为链的抓力，它增加了锚泊力，故锚泊力由锚的抓力和锚链的抓力两部分组成，即：

式中：P为系留力（锚的抓力+锚链的补充抓力）（N）；Wa为锚在水中的质量（空气中质量×0.867）（kg）；λa为锚抓力系数；Wc为锚链在水中的质量（kg/m）；λc为锚链的摩擦系数；L1为锚链卧底部分的长度（m）。

根据相关规定，装备在船首两舷锚的重量取决于船舶的舾装数。然而锚的形状却未予规定。船首锚常用锚型为霍尔锚（无杆锚）。锚的抓底性能与底质、锚型和出链长度和水深之比均有关。客观上主要决定于底土的底质，软硬适度的沙底和泥土底质抓力较好，沙泥混合次之，硬质泥沙较差，石底最差。根据相关文献研究，霍尔锚在泥沙底质中，抓力系数为5.8。珠江水域部分船舶使用粤桂锚（类似大抓力锚的有杆锚）作首锚，抓力系数比霍尔锚大，但低于大抓力锚，约为7。另外，抛双锚必须为一点锚（平行锚，即两锚链夹角为0°时）才有2倍抓力。

3.船舶主机推力大小分析

船舶推进力由船舶主机产生，船舶主机额定功率与船舶推进力的关系根据我国打捞局经验公式描述为1 kW=0.133kN 或者 7.5kW=1kN得出经验公式如下：

式中：F 為主机推力（N）；W 为主机额定功率（kw）。

4.船舶所受风力分析

船舶水面以上面积（简称受风面积）的风压总和称为风压力。风压力的作用改变了船舶的动力学状态，进而改变了船舶的运动状态。作用于受风面积的中心的风压力也称为风压合力，根据Hughes在1930年提出的风压力表达式为：

式中：Fa为风压力；Ca为风压力系数（根据风舷角θ查表1可得）；ρa为空气密度1.226kg/m3；Va为相对风速（m/s）；A为水线上船体正面积（m2）；B为水线上船体侧面积（m2）；θ为相对风舷角（风与船舶纵中线夹角）；

5.船舶不同状态受风面积分析

船舶载货情况一般分为满载、半载、空载，本文主要分析这三种状态下的船舶侧面以及正面受风面积的计算方法。本文不考虑船舶舾装数及船舶受风中心力矩的关系，本文主要从船舶实际出发计算可见面积的正面及侧面正投影面积。

满载时，要充分考虑船舶货物积载情况、平仓、船舶吃水、不同航区的干舷数据等实际情况，测出帆布（内河船）离主甲板高度、实际干舷、生活区建筑物高度及宽度以及其他加建构筑物的情况。

半载时，除了满载考虑情况外，半载状态的水线测算是用满载吃水的一半来计算，半载也要考虑货仓帆布遮蔽情况，一般同满载计算同样面积。

空载时，一般认为帆布不会遮蔽，根据船舶受风情况要考虑货舱口围板高度产生的投影面积。

6.船舶锚链的破断力分析

锚链需要较好的维护和保养才能达到最佳的使用工况，本文根据锚链处于最佳状态时的情况计算，锚链的破断力直接影响锚的系留力是否发挥最大效力。船舶锚链最小破断力根据《钢质内河船舶建造规范》（2016版）以及中人民共和国国家标准GB8918-2006重要用途钢丝绳等文献可以查询参考标准。

7.实例计算分析

某散货船“L”轮总吨850，净吨476，船长55.25米，船宽10.80米，空载吃水0.623米，满载吃水3.650米，配备左右首锚各600kg，首锚类型为粤桂锚。左右首锚锚链均为柔韧镀锌钢丝绳，左右首锚索直径均为24mm，主机功率420KW，根据船舶实际尺寸计算出满载侧面受风面积为186.8 m2，满载正面受风面积为48.4m2，半载侧面受风面积为270.4m2，半载正面受风面积为64.7m2，空载侧面受风面积为281.7m2，空载正面受风面积为81.1m2。现根据上述公式计算出船舶走锚最小风级。

（1）根据公式1中P=Wa×λa+Wc×λc×L1，已知本船首锚为锚链为钢丝绳，锚链的补充抓力不计。经查海图知某水域底质大多为沙泥（沙土），取λa=7。根据公式为得出此船单锚抓力为35685N，双锚抛一点锚时有最大抓力为71371N。

（2）根据公式2中F=0.133×W，可得本船主机额定功率输出推力为55860 N。（L船在防台中采用转速为1300RPM，额定转速为1800RPM，则最大推力为40343N。）

（3）根据公式3中：

Fa=1/2×Ca×ρa×Va×（Acos2θ+Bsin2θ），根据不同风舷角的正侧面受风力数据。

（4）根据已知本船船舶锚链直径24mm的柔韧镀锌钢丝绳，经查询《钢质内河船舶建造规范》（2016版）以及中人民共和国国家标准GB8918-2006重要用途钢丝绳等参考标准得知该锚链最小破断力为312000 N，满足双锚的最大抓力要求。

（5）根据测算得出以下结果：

（6）根据《船舶抗风能力与气象风级关系探讨》文献对船舶动力学风压与风速描述的关系公式

P=0.7356V2 （公式4）

式中：V指风速（m/s）；

验算满载侧面受实际风力数据如下：

F=P×S=0.7356×V2×S，V取=28.4m/s，S取满载侧面积186.8m2，得出F=110829N，根据公式3计算出满载90°时十级风风力为F=115447.4N，与公式4得出结果F基本吻合，说明计算方法选取公式合理。

（7）“L”轮在台风中走锚实际情况：该船抛单锚满载在2017年某台风中风力不足10级情况下发生走锚，在使用双车顶推仍无法有效控制船舶走锚。

8.结束语

根据实例结果分析，本文测算船舶锚泊抗风等级的分析显示：

（1）船舶所受风力会随风力不断变化而变化，风舷角一般为船首左右90°之间偏荡，并在船首左右60°附近时此船所受风力最大，因此不能按照船舶0°受风情况来考虑防走锚。应按照对船舶最不利的风向来考虑本船的风致走锚。

（2）根据船舶动力学风壓与风速的关系公式4验算可受承受风力结果与走锚最小风力计算结果基本吻合；

（3）抛双锚时设定抛一点锚，此时双锚夹角为零，产生抓力最大；

（4）本文计算方法只测算船舶因风走锚的情况，不考虑流、浪以及船舶的水密性、稳性、结构强度、锚链或钢丝锚索破断强度等其他因素的影响。

（5）本文计算方法可以根据已知量对不同船舶进行推广，对指导船舶防台、锚泊等受风情况分析具有重要意义。依照本文各组公式，已知船舶相关数据可以在较短时间内计算出风致船舶走锚最小风力。

对于无抗风能力数据的船舶，拟在受台风影响的范围内采取锚泊防台措施时，可参考本文的计算方法和计算公式，核算出本船在当前状态下可能发生走锚的最低风力。在核算后本船风致走锚不可避免时，应尽早转移至安全水域锚泊避风，以策安全。台风情况下，台风风力增大，水面浪高也会增大，对船舶的锚系留力、水密和稳性要求更高，虽然满载时受风面积较小，相对不易风致走锚，但因干舷低受水流、波浪影响大，也可能导致走锚和进水。在防台过程中，台风路径变化多、风力增强概率大，很难准确预测，克服麻痹思想，宁可防而不来，不可来而无防。船舶防抗台风，以避为主。

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