深水作业船锚索锚泊性能研究

深水作业船锚索锚泊性能研究 2010年4月14日 摘要：为了探索深水作业船的锚索锚泊性能，运用悬垂线理论了钢索和复合锚索的 无因次长度、重量与位能，推导出了钢索和复合锚索位能对外力导数的公式，从锚索静载荷 角度研究了钢索和复合锚索吸收动载荷的能力。模拟计算结果表明，与钢索相比，复合锚索 对增加卧底锚索重量、保持锚的稳定性和抓力是有利的，对减小锚泊船漂移范围也有益处， 但吸收动载荷能力下降。复合锚索中设置的锚链的长度取1节(27.5m)为宜，锚泊时甲板以下 锚索长度以2.5～3.0倍水深较为合适。此结论对深水作业船的锚泊操纵有一定的参考意义。 关键词：船舶、舰船；深水；复合锚索；钢索；锚泊 近二十年来，关于深水锚索的研究主要集中在海洋石油工程方面。随着我国海洋战略的 实施，在深海资源勘探及科学考察中，一些船舶需要在数百米水深甚至1000m 以上的水深条 件下锚泊。当水深很大时，锚链变得笨重而低效，甚至可能因自身重量过大而断裂。所以， 在这些船上，采用钢丝绳锚索(以下简称钢索)或者钢丝绳加锚链的锚索(以下简称复合锚索) 来代替传统的锚链。钢索的优点是重量减少，但锚泊时横卧在海底的部分当外力增加时很容 易被拉起，从而破坏了锚的稳定性及其抓力。复合锚索在锚与钢索之间加一段长为数十米的 锚链，以增加卧底锚索的重量、保证锚的抓力。 关于深水作业船锚索锚泊性能，海洋石油工程锚泊系统的部分研究成果可以借鉴，但二 者还有很大差别。在应用和布置上，前者的锚需经常抛、起，在锚泊时必须有一定长度的卧 底锚索，而后者往往与之相反。因此，深水作业船的锚索锚泊性能有其特殊的一面。 蔡小阳介绍了我国某特种船在西太平洋1835m 水深处锚泊的操作实例(采用复合锚索， 其中锚链长度为20m)。但是到目前为止，国内关于深水作业船锚索锚泊性能方面的研究还很 少，尤其是能为船舶驾驶员提供参考的成果非常少。本文通过理论研究，分别分析了钢索和 复合锚索的悬垂线长度和重量，对复合锚索中的锚链长度、抛锚时的出索长度给出推荐值， 并从锚索位能的角度分析了锚索吸收动载荷的能力。 1钢索悬垂线分析 假设有一船锚泊于深为 H 的静水中，在受到水平外力 F作用后，钢索悬垂线长度为 L(见 图1)。忽略锚索的拉伸变形。为方便分析，将坐标原点 o选在钢索与海底的切点上，x轴贴 于地面，并与钢索悬垂线处于同一铅垂面上，y轴垂直向上。 通过悬垂线分析，可以得到： (1) (2) 式(1)和式(2)中，ωr为钢索在水中的单位长度重量；l 为钢索上任一点至原点 o 的悬 垂线长度，y为该点的纵坐标。 令 q=F/ωrH (3) 由式(2)可得钢索悬垂线无因次长度： (4) 2钢索吸收动载荷能力分析 首先考察钢索悬垂线位能，再根据该位能对外力的导数来分析钢索吸收动载荷能力。 参见图1，钢索悬垂线相对于海底的无因次位能可以由下式计算： (5) 将式(1)代入式(5)，积分得： (6) 由式(6)，可以求出其对外力的导数： (7) 3复合锚索悬垂线分析 深水条件下采用的复合锚索，当外力不太大的情况下，前端锚链完全横卧在海底，整个 悬垂线均为钢丝绳，这时的锚索特性与前面分析的钢索结论是一致的。而当外力增加、有少 部分锚链被拉起后，锚索悬垂线变得复杂。为此，采用图2的方法来分析锚索悬垂线。其中 L1为锚链被拉起的长度；L2为钢索悬垂长度；L3为 L2的延长线长度。坐标系 x′o′y′的原点 o′取在 L3段与假想底面的切点处。 利用式(2)，可得到： (8) (9) (10) 式(8)中，ωc为锚链在水中的单位长度重量。 根据 L1、L2和 L3段悬垂线的受力分析，可以得到一个补充方程： ωcL1=ωrL3 (11) 定义如下无因次参数： n=ωc/ωr；c1=L1/H；c2=L2/H (12) 由式(8)～式(12)可得复合锚索悬垂线的无因次参数方程： (13) 对于某一具体船舶，参数 n 是已知的。而对于锚泊中的船舶，c2也是已知的。因为复合 锚索中锚链的长度是不变的，甲板以下锚索长度对于具体一次锚泊来讲也是已知的，二者之 差即 L2。因此，式(13)就是关于 c1与 q 的隐式表达式。当 n=1或 c1=0时，即锚索悬垂线完全 为钢索，式(13)便退化为式(4)。 4复合锚索吸收动载荷能力分析 复合锚索无因次位能可由下式计算： (14) 式(14)右端大括号内第1、第2项分别为 L1段锚链和 L2段钢索悬垂线相对于海底的位能。 将式(1)、式(8)和式(13)代入式(14)中，积分后可得： (15) 再由式(16)计算 de2/dq： (16) 式(16)中əe2/əc1和əe2/əq 可由式(15)计算，əc1/əq 可由式(13)求出。 5模拟计算与分析 复合锚索中的锚链与钢丝绳一般具有相同或相近的强度，二者的单位长度重量之比值 n 对于具体某船来讲是固定值，本文取4。复合锚索中的钢丝绳在甲板以下的无因次长度 c2分 别取2和3。计算结果包括锚索无因次长度、锚索无因次重量、无因次位能及其对外力的导数 等。 5.1锚索悬垂长度与重量分析 图3～图5分别绘出了 c2=2和 c2=3的计算结果。图中横坐标是外力 q，纵坐标是各个参数 的无因次数。在每幅图上，分别绘出了复合锚索中的锚链被拉起的长度 c1、复合锚索悬垂 长度 c1+c2、复合锚索悬垂线重量 nc1+c2。钢索的悬垂线长度 L/H 也绘在图中，以便比较。 5.1.1关于锚索悬垂长度 c1+c2的分析 在图3、图4中，可以发现，在锚链被拉起及外力相同情况下，复合锚索的悬垂长度(c1+c2) 要比单纯钢索的悬垂长度(L/H)小很多。这意味着采用复合锚索的船舶，锚泊时抛出的锚索 长度可以相对减少，船舶的漂移范围也相对减小。 5.1.2关于锚索悬垂线重量 nc1+c2的分析 复合锚索悬垂线的无因次重量可定义为：(ωcL1+ωrL2)/(ωrH)=nc1+c2。而钢索悬垂线无 因次长度 L/H 也是钢索悬垂线的无因次重量。从图3可知，在甲板以下锚索长度较短的情况 下，随着外力增加，复合锚索悬垂线重量大于钢索的悬垂线重量。而图4表明，在甲板以下 锚索长度较长、锚链拉起长度不长的情况下，二者重量差别很小。 5.1.3关于复合锚索中锚链长度的讨论 复合锚索中的锚链一般按整数节配备。但过长的锚链会导致锚索重量增加，对起锚操作 不利。以本文所取的 n=4为例，配备1节锚链所增加的重量等于增加了(4-1)×27.5=82.5m 钢索的重量，配2节锚链则等于增加了165m 钢索重量。借鉴文献的经验，建议配1节锚链。 5.1.4关于锚泊时出索长度的讨论 从图3看出，当总出索长度中钢索部分为水深的2倍(c2=2)时，较小的外力(q≈1.5)就开 始将锚链拉起，这对锚泊安全是不利的。从图4看出，当总出索长度中钢索部分为水深的3 倍(c2=3)时，外力达到4倍水深那样长的钢索的重量，才能将锚链拉起。所以建议在深水锚 泊时，甲板以下锚索长度应为水深3倍左右。考虑到船舶所配备的锚索总长度的限制，当水 深约2km 时，甲板以下锚索长度至少应为水深2.5倍左右。 5.2锚索悬垂线位能及其对外力导数的分析 5.2.1锚索悬垂线位能分析 只选1个计算结果如图5所示，其他结果虽有不同，但基本趋势与图5相同。从图5可以看 出，当外力增大时，锚索位能逐渐增加；而在外力相同情况下，复合锚索位能(e2)比钢索的 (e1)要小。 5.2.2锚索悬垂线位能对外力导数的分析 在图6和图7中分别绘出了钢索和复合锚索的无因次位能对外力的导数。 从图6、图7中可见，最大值出现在 q≈0.5处，对比图3、图4知，对应的锚索悬垂线长 度约为水深的1.5倍。此时，复合锚索中的锚链尚未被拉起。当外力逐渐增加、锚链被拉起 后，位能导数值反而迅速下降。即其吸收动载荷的能力下降。 6结语 基于深水锚索静载荷分析，有以下结论： 1.当外力增加、锚链被拉起时，与钢索相比，复合锚索悬垂长度减小、重量增加、位能 减小、位能对外力导数值也减小。 2.复合锚索中的锚链，对增加卧底锚索重量、保持锚的稳定性和抓力是有利的，对减小 船舶漂移范围也有益处，但吸收动载荷能力下降。 3.复合锚索中的锚链长度取1节(27.5m)比较合适。 4.深水锚泊时，甲板以下锚索长度应保持在3倍水深长度左右比较适宜，最小不应小于 2.5倍水深。 5.锚索吸收动载荷的能力最强的状态出现在锚索悬垂长度为水深1.5倍的条件下。 作者：于洋1，韩璇2，3 来源：中国航海