论“大型船舶刹车式直角抛锚法”

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  摘 要:当今,世界各大航运公司为了降低营运成本,增加规模效益,提升在全球航运市场的竞争力,其所拥有的专业船舶正在朝着大型化、远程化、现代化的方向发展。相反大型船舶一旦出现安全事故造成经济损失、人身安全和海洋环境污染都是不可估量的。因此在保障船舶安全过程中,抛锚作业具有重大的现实意义。笔者长期服务超大型船舶,经过不断的实践和总结认为刹车式直角抛锚法是保障大型船舶安全、有效的方法。本文主要通过对大型船舶抛锚法的简介、刹车直角式抛锚法原理的分析和刹车直角式抛锚法抛锚程序的阐述,以此证明刹车直角式抛锚法是大型船舶抛锚的最佳方法。
  关键词: 大型船舶 刹车式直角抛锚法 松链式抛锚法 深水抛锚
  1 大型船舶抛锚法简介
  大型船舶在浅水区域抛锚时,可以参考普通船舶抛锚方法。但是,这类船舶通常需要在较深的水域锚泊。加之大型船舶的锚和锚链均偏大、偏重,若采用普通抛锚法则会造成锚链和锚的严重损坏,所以大型船舶通常都采用深水抛锚法。深水抛锚法又以松链抛式锚法和刹车式抛锚法为主。
  1.1 松链式抛锚法
  松链式抛锚法也称“锚机抛锚法”是用锚机松锚链并放锚至海底的一种抛锚方法。
  1.2 刹车式抛锚法
  刹车式抛锚法又称“重力抛锚法”是采用刹车松链放锚至海底的一种抛锚方法。
  刹车式直角抛锚法是刹车式抛锚法的一种特殊的抛锚法,在整个抛锚过程中保持锚链和船首尾线成直角。
  1.3 松链式抛锚法和刹车式直角抛锚法利弊关系的讨论
  大型船舶抛锚主要是以松链抛锚法和刹车抛锚法为主,而刹车抛锚法又以刹车直角抛锚法为最安全、有效。现对“松链抛锚法”和“刹车直角抛锚法”利弊的关系进行多方面比较分析以证明“刹车式直角抛锚法”是最为安全、有效的抛锚方法,相反“松链式抛锚法”看似简单却潜在着巨大的危险。
  1.4 锚机设备参数的设置
  松链式抛锚法:右图1-1为15万吨大型船舶锚设备系数。锚链止链器安全负荷约是刹车控制负荷的1.7倍(650/395=1.7)。刹车控制工作负荷是锚机马达工作负荷12倍(395/32=12.3)。从锚设备配备参数可以看出刹车的设计是为控制锚和锚链的动能量距而不是为控制船舶的动能矩。
  图1-1 15万吨大型船舶锚设备系数
  刹车式直角抛锚法:图1-2为船体受力图说明刹车式直角抛锚法可以有效的避免船舶所受合力分散到锚链上。当锚链与船舶首尾线成直角时,船体的受力和锚链的受力没有任何关系
  (船首尾向受的力Fa = Fc Cos θ=Fc Cos 90=0)。
  图1-2 船体受力图
  结论:从以上船体受力分析可以看出,松链式抛锚法主要依靠锚机马达来完成操作,而刹车式直角抛锚法是以刹车来完成锚泊作业,刹车的安全负荷是锚机额定负荷的12倍。所以说刹车式直角抛锚法的可靠性是有绝对理论依据的。
  1.5 船舶建造规范要求
  松链式抛锚法:中国船级社《钢质海船入级规范》规定,锚机应能以平均速度不小于每分钟9米将锚从水深82.5米处拉起至27.5米。但是,船级社并没有强制规定对锚机刹车进行测试,所以许多船厂都不一定按照锚机设备设计标准水深测试刹车。船舶锚机海试的报告通常也都按设计的计算强度记录。计算的依据也是锚机马达能否在82.5米水深将锚和锚链收回。所以从船舶建造规范上都不能十分确定锚机可以在82.5米处将锚和锚链收起,如果用锚机抛锚超过这样的水深(82.5米)发生锚绞不起和丢锚的事情也是必然的。
  刹车式直角抛锚法:中国船级社《钢质海船入级规范》规定,锚机马达设计主要目的是绞锚而不是抛锚。而刹车式直角抛锚法主要是靠锚和锚链的重力抛锚。
  结论:松链式抛锚法与《钢质海船入级规范》锚机马达使用的用途相冲突,而刹车式直角抛锚法满足规范的要求。
  1.6 船舶后退速度控制
  松链式抛锚法:通常大型船舶抛锚是顶风顶流驶向计划抛锚地点。然后停车,倒车,将锚松至海底上,脱开离合器,用刹车或者是用锚机松出锚和锚链。如果不能够有效控制船舶后退速度,很可能会导致锚链缠绕在一起。锚链本应该沿着锚的方向向后移动。若船不能有效后退,会导致锚链向前。当锚链受力时,锚链会将锚拉翻过来造成锚链缠绕或者是锚打横。假设锚地水深50米,最终锚链松出的长度是10节,锚链从水平卧底到拉直需要移动大概49.0米(如图1-3所示)。如果采用松锚链的方式将很难保证锚链一直垂直在船舶移动49.0 米的距离内。如果不能够有效的控制船舶的后退将会使止链器受力没有缓冲的余地,船向后运动船体的重量将会以超过刹车100倍的力作用至锚机上,很容易造成锚机的损坏,甚至锚和锚链都会全部丢掉。
  图1-3 锚链情况
  刹车式直角抛锚法:若采取刹车式直角抛锚则很容易控制锚链在垂直方向船后退49.0米距离。因为刹车式直角抛锚时间短,最多10分钟可以完成。即使船舶后退速度不能控制,也会因为锚链与船舶首尾线成90度角而不至于损坏锚设备。
  结论:松链式抛锚法不能有效控制船舶后退速度从而导致锚泊事故。而刹车式直角抛锚法则容易控制船舶后退的速度。所以刹车式直角抛锚法的安全性、可靠性是有实践依据的。
  1.7锚机马达超负荷
  松链式抛锚法:如果锚机马达提升锚和锚链的拉力超过设计额定的拉力,锚机的马达就会出现持续的超负荷运转。马达持续运转将会损坏相关设备,产生磨碎性金属粒子在液压系统中循环会造成锚机系统的进一步损坏。笔者曾服务的几条超级油轮经常出现此问题,不得不经常提前更换锚机液压油。松链式抛锚不当还会使锚机液压马达超负荷运转导致马达损坏,轻者造成锚泊作业终止,重者造成丢锚事故。
  刹车式直角抛锚法:刹车式直角抛锚法主要靠刹车抛锚,不存在锚机马达超负荷运转的状况。   结论:刹车式直角抛锚法可以有效的保护锚机马达而松链抛锚法常造成锚机系统的损坏和崩溃。
  1.8走锚的风险
  松链式抛锚法:在超大型油轮上锚机送出锚链的速度通常是每秒7.5 厘米,松出10节锚链通常需要30~45分钟。一些船长为节约抛锚时间会尽量选用最少的锚链下水,这也是导致很多船舶走锚主要原因之一。在巴西“伊塔基”发生过类似的事故。一艘大的散货船在她处女航航次用松链式抛锚,由于送出锚链不足造成船舶走锚搁浅。尽管许多大型船舶船长都十分小心谨慎用锚机松链抛锚,但还是很难避免上述事故。其根本原因是对锚设备使用的不当理解。
  刹车式直角抛锚法:刹车式直角抛锚可以在较短的时间内抛出需要的锚链数。从而保证锚和锚链有足够抓力,减少船舶走锚的危险。
  结论:松链式抛锚法走锚的风险机率比刹车直角抛锚法高很多。
  2 刹车式直角抛锚法原理
  2.1刹车直角抛锚法的起源
  早年,英国海军船舶到港后为了能够去尽情享受威士忌,他们必须把船稳稳抛在锚地里。他们便发明这种比较安全的抛锚方法,使船顶风、顶流,向顶风、流一侧操满舵。当船首开始转动的时候,抛下船舶旋转内侧的锚,松锚链至计划锚链长度,放下止链器。让锚和锚链在风、流的作用下把船拉住。今天,英国海军很多还是以这样传统的方式抛锚。
  2.2 刹车直角抛锚法的物理原理
  曾经,一艘25万超级油轮以19节的速度驶往伊朗卡克岛(Kharg Island)装货。右锚意外滑落。船舶被锚拖着旋转180度而锚最终没有脱离船体。该案例揭示安全的抛锚的秘诀——船舶前进的动力矩对锚链横向力矩所分割的为零(直角抛锚法)。通过以下的推理将会更容易明白“直角抛锚法”的原理。假设驾驶一辆重载的卡车,将车停产下来将取决于车速度,汽车冲程的距离和货车的重量。因此,能否及时把锚链刹住主要取决于抛出锚链的速度,锚链舱剩下锚链的重量,锚地的水深和锚的重量。
  2.3 船舶横向移动的距离和船舶受力成反比关系
  锚链在海底拖动起到滞缓船舶运动的作用。如果在水深50米锚地,计划抛出10节锚链,有效滞缓船舶的长度大概是10节锚链加上49米的船宽。因船舶的滞缓有效力和所经过的距离成反比例(F=WV·/2gS),所以滞缓的距离越大分出的横向力越大,增加船宽的距离49是整个有效长度的6.6倍。还有一个船首转动力因素,一般取3.5。因此直角抛锚减少的力是首尾向力矩的 23倍,这也是直角抛锚法很少发生事故合理物理原因。
  图2-1 计算依据
  3刹车直角抛锚法的程序
  3.1抛锚前的准备工作
  (1)锚设备检查
  在船舶抛锚前要参照船舶管理公司安全管理体系(SMS)做好必要检查。检查工作虽然很简单,但是错误的操作和设备故障产生的后果是很严重的,所以一定要在抛锚前确认相关的检查已经真正落实。
  (2)抛锚业务培训和工作会议
  抛锚业务培训目的是熟悉锚泊设备的操作和程序。船长一般都认为相关人员已经熟悉锚泊作业全部业务,而忽略此项的培训。但是,笔者还是建议每次抛锚前都需要做必要的培训或简短回顾。抛锚作业的培训最好由船长组织,除甲板得锚泊组成员外,轮机长和轮机员最好也要参加。锚泊作也是船上关键性的操作,如果不慎会造成巨大的损失,甚至是人命。抛锚前工作会议应该严格参照公司安全管理体系(SMS)执行。
  3.2 锚地的选择
  由于大型船舶一般船长都在200~300米以上,船宽50~60米,型深20~30米。无论风或流对船影响都很大,因此选择锚地除满足尽量宽敞、避风、底质好、水深适宜和流速小外还应该考虑深水锚机马达负荷的极限。通常大型抛锚的最大水深不应超过-82.5米。由于大型船舶吃水的限制,不得不在大于30米以上的锚地抛锚。所以在深水区域抛锚应充分考虑抛锚水深限制。根据大型船所配单舷起锚及而定负荷标准计算,可抛锚水深深度为-110米是可取的。如果有可能,笔者从来不在超过-60米的水深抛锚。以上论述“刹车直角抛锚法”只限水深小于-60米有效。如果超过-60米水深,必须小心谨慎的用锚机将锚链送至海底,且始终保持锚链垂直,直至松够需要的节数。尽管是不规范的做法,也不得不为之。一些航运管理公司规定30米作为刹车抛锚的极限,否则需用锚机松或者20米,但是在深水里用马达松锚要比在浅水松锚危险的多。
  3.3刹车式直角抛锚驶进锚地的方法和抛锚程序
  (1)速度与风流的控制
  大型船舶“刹车式直角抛锚法”船舶以大概6节速度慢慢的驶向预计抛锚点的下风、流侧(船1状态时)。
  图3-1刹车式直角抛锚法
  抵达锚地前必须严格控制船速。通常,超大型船速低于4节时,舵效会明显下降。船速过慢时大型船舶因水深、水下面积过大,受流影响严重。控制不好则会使船被流压往下方而偏离航路。该速度取决于锚地的拥挤状况。笔者的经验大型船舶无论满载还是空载,船速不宜超过6节速度但不低于4节的速度。船舶旋转将会减掉很多速度。为控制速度,大型船在抵达锚地区附近需要用较长的时间快倒车来减少惯性,但在流速较大的水域长时间的倒车会导致船首严重偏转,船舶很容易出现“打横”。所以大型船舶不论满载还是空载长久快速倒车都是不可取的。最好的方案是早减速、少用倒车,给操纵留有余地。
  (2)旋转减速
  船头到达计划需要抛锚位置正横时,约0.8~1海里,微速进,向抛锚的一侧操满舵,船舶一旦转动起来,停车(船2状态时)。风将会“推动”生活区使船转动起来。由于船体周围的乱流会消耗掉船舶大量速度,。假定开始微速进的船速是6节,当船舶转过90度时,船舶的速度大概是3~4节。如果船舶吃水很小,在船转的时候可使用倒车协助。
  (3)松锚至海底1米以上(walk back)   当船速是2节的时候松锚链到海底1米以上(船3状态时),然后倒车(船4状态时)。选择出链最佳时机可以参考ARPA 雷达上6 min 矢量所显示的移动方向和速度和 DGPS 及多普勒计程仪对地的速度。
  (4)抛锚(Let go)
  船相对于水的速度基本为0时,抛锚(Let go)直至计划的长度。一般情况下,大型船舶在锚泊中出链长度为:水深20米左右,出链6节入水;水深30米时,出链7节入水;水深40米时8节入水;50米以上出链9节或更多。
  (5)合上止链器
  当锚链松至计划长度时,刹紧刹车,放下止链器,插上止链器安全销。脱开离合器,微松刹车,保持从止链器到锚链轮的锚链微松弛,使锚和锚链的重量全部通过止链器来制动船舶(船5-6状态时)。
  (6)船沿着锚链以直角的方向向下风流侧移动
  船会慢慢的向下风、流侧移动。船首抛锚组不断的向驾驶台报告锚链的方向,必要时刻用车以保持锚链90度方向,减少锚链受力增大的机会(船7-9状态时)。随后锚链将会沿着船首尾向笔直被拉长,受力会逐渐传到船上,使船舶沿着锚链开始旋转。
  (7)锚抓底
  锚链受力变化的过程是吃紧长链,中链,短链,最后锚链变成近似垂直这时候锚链是前后的方向(船10状态时)。
  如果整个抛锚的过程十分熟练大概需要12-15分钟。
  3.4 抛锚时需要考虑的一些重要因素
  抛锚时很多因素需要考虑,但是对于超大型船舶来说笔者以为最重要的是以下几个因素:
  (1)大型船锚的锚爪相对于其它万吨船非常细小,因此避免拖锚。且不可以用它来拖锚减速,除非紧急情况下。
  (2)为便于准确的掌握抛出锚链的节数应该始终保持锚链标识的清晰度。
  (3)如果发现锚链绞不起,且不可强行绞起,造成马达超负荷运转。必须用车协助,始终保持锚链垂直,减少锚机马达受力。
  (4)即使引水在船上操作时也可以推荐他使用刹车直角抛锚法。通常通过友好的沟通,引水也通常也会同意使用此抛锚方法。
  (5)良好的习惯从开始培养。所以刹车式直角抛锚法应该写进航海者培训的教材中去。只有将“刹车式直角抛锚法”的理念全部灌输给航海者,且这些操作方法能够被航海者实际操练过才能彻底改变抛锚不恰当理念和习惯。
  4结束语
  航海是一门实践性很强的科学。船舶抛锚在刹车直角抛锚法同样也是在摸索中总结出来的经验。此文只供同仁们参考,具体的操作还需结合船舶和当地环境做出合理的抛锚方法。介于笔者知识和时间的限制,不足之处在所难免,竭诚希望航海界专家、同行和读者批评指正。
  参考文献
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  [2] Anchoring large vessel a new approach -The nautical Institute
  [3] 中国船级社钢质海船入级规范 2015.
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