深度好文，不容错过：浅谈VLOC操纵及锚泊方法！
笔者从2013年起一直在VLOC上任职船长,由于VLOC具有较小型散货船更长和更宽等特点,使得在船舶操纵和锚泊等方面也与小型散货船存在较大区别。笔者结合在VLOC工作期间的实践总结出了一点体会,供各位同仁参考。
一、船舶操纵性特征
VLOC船长300米以上,舶宽超过50米,货舱6~9个不等。与一般船舶比较,其操纵性特征有着不同的地方。下面以20万载重吨的“恒隆”轮和30万载重吨的“合通”轮为例予以介绍1.船舶主要尺度大,受外力影响也大
空载时受风影响大,满载时受流影响大:浅水效应和岸壁效应大,船舶盲区大;船型肥大,方形系数大。“恒隆”轮夏季载重状态,C=0.876,“合通”轮夏季载重状态,C。=0.86,LB≈6,比方形系数较低的瘦小高速船C≈6的旋回性能强很多,即旋回圈很小;进距约3倍船长以内,横距约2倍船长以内。
2.旋回时间长
VLOC的巨大排水量,使得其旋回时间比一般的万吨船长很多。如万吨级船舶快速满舵旋回一圈约需6分钟时间,而“恒隆”轮和“合通”轮满载时满舵旋回90°仅需4分钟时间。
3.单位排水量分配的主机功率小
单位排水量分配的主机功率即主机功率/排水量。4.5万载重吨的“志强”轮,满载时单位排水量分配的主机功率为0.135KW;“恒隆”轮满载时单位排水量分配的主机功率仅为0.0762KW,“合通”轮满载时单位排水量分配的主机功率仅为0.0666KW。由于VLOC单位排水量分配的主机功率较小,造成其反应迟钝,变速机动操纵呆笨。
4.停车及惯性比较
相对于万吨级货船,VLOC从开始停车到船停住时间长,且停船距离远。具体数据见表1。
5.舵叶面积比与舵效比较
VLOC船舶的舵叶面积比小于万吨级货船，可开出倒车时的船速大于万吨级货船，具体数据见表2.
6.旋回操纵时有较大的滞距
用舵后起转较慢,应舵性差,旋回操纵时有较大的滞距,而转起来之后转头惯性角较一般船舶更大,停转不易,所以转向时要早用舵(一般在距转向点约0.6海里处进行)。用较大舵角在海上全速航行时,可取15°以内,防止因舵角过大造成超负荷运转而对主机工况造成不良影响。达到预定航向前,要早回舵、早压舵。大角度(大于60°)转向时,在转到接近新航向前15°开始压反舵。反舵角根据转头角速度表显示的船舶转头速度进行调整,一般与转向时用的舵角保持一致;船舶接近新航向5°时回正舵并小舵角调整,使船舶稳定在新航向上。小角度转向(30~60°),在转到接近新航向前10°开始压反舵,并逐步用小舵角调整、把定在新航向上。
ニ、VLOC的下沉量及预留富裕水深
1.下沉量
(1)下沉量是由于船舶在浅水水域快速航行而造成的比其在浅水水域慢速航行时更多的下沉现象,与水深、船速、浅水特点、方形系数等有关,尤其受船速的影响最大。船舶一般以10节来划分慢速与快速:10节以下,在没有四周水量补充的运河中下沉量在50厘米以内,而在水深6米的浅水区域挖出的深水航道中下沉量在40厘米以内10节以上,下沉量则急剧加大
(2)对于中低速大型船舶而言,在浅水水域,随着船舶吃水的增加,浮心会后移:初始船舶重心和浮心在同一垂线上,处于正浮平衡状态:当船舶下沉后重心位置不变,浮心后移。若平行下沉,就无法达到平衡,必然要顺时针旋转,使重心和浮心在同一垂线上,达到新的正浮平衡状态。这样,船首的下沉量就大于船尾的下沉量。所以,在平吃水的条件下要重点关注船首的下沉量。对下沉量的估算有多种方法,目前航运公司一般采用最安全的美国海军的估算方法:开敞浅水水域S=CXV2100,受限浅水水域S=CXV/50。但是,在船舶低速状态下,按这种估算方法得出的下沉量会比实际数值偏大。
2.富余水深
“恒隆”轮夏季满载吃水在标准海水中达到18.23米,“合通”轮夏季满载吃水在标准海水中达到21.43米。相对于主要港口航道水深20~25米的条件,航道水深船舶吃水比多在1.5以内,浅水效应非常明显,所以预留富余水深显得尤为重要
(1)富余水深的规定
各个港口都会依据本港的具体情况制定大型船舶的限制吃水及富余水深标准:有的为固定值,有的为吃水比值,也有以船舶吨位来划分。
1欧洲引航协会以吃水比值确定富余水深值具体情况见表3
3澳大利亚黑德兰港口规定:富余水深=潮高误差+下沉量十横倾量十水密度及吃水观测误差航道淤积十波浪垂向影响量十船底余量。4某《船舶操纵》教材中给出建议:富余水深航道海图水深十潮高(海图基准面与潮高基准面致)一船舶静态吃水
(2)影响富余水深的因素
海图水深测量误差:水深低于20米时,允许的误差是30厘米;水深20~100米时,允许的误差是1米。
水密度及吃水观测误差:离港时,水密度及吃水较精准,偏差不大;抵港时,水密度一般由代理提供,预计吃水通过航行图中的油/水消耗变化来估算。
波浪垂向影响量:波浪引起了船舶垂向运动一一纵摇、垂荡。船长300米的“恒隆”轮纵倾1°时,吃水增加约260厘米。
船舶大角度转向或风浪作用于船舷导致的船舶橫倾:以船宽50米的“恒隆”轮横倾1为例,吃水増加约为1×2×3.14×50360×2=44厘米。
(3)动态富余水深计算系统。全球最大的散货船出ロ港一一澳大利亚黑德兰港,以17~20万载重吨散货船为主。在保证船舳安全通航的基础上,为最大效率地利用港口水深资源,该港采用船舶动态富余水深计算系统。在确保每日潮高预报精确的前提下,将船速在8节以内视为慢速、下沉量极低,需拖轮护航提前小角度平稳转向,消除橫倾准确观测开航水尺及水密度;及时疏浚航道、除去淤积,确保航道各段水深数据精确…并在此基础上规定:开航船舶必须满足最小船底余量等于大于0.25米,最小操纵安全余量(波浪垂向影响量十船底余量,在船舶低速时等同于富余水深)等于大于0.9米,即18~20万载重吨的散货船,保持航速8节以内、富余水深取0.9米(夏季吃水的0.5%)时,在做好各项安全措施的前提下,完全可以安全离港开航。
三、VLOC的抛锚操作
1.抛锚方式
超大型散货船锚和每米锚链重量较大,若采取刹车带直接抛锚的方法将锚从水面类似于自由落体式地抛下,锚链可能会因高速下放导致刹车不及而将整条锚链拉断脱出,锚也可能因高速撞击海床而裂损。因此,实际中多采用退抛法和锚机送锚的方式抛锚。
2.锚和错链的系留力计算
(1)“恒隆”轮配备的是AC~14型大抓力错,锚杆长度3.8米,锚机的额定速度在送放锚及锚链时是26米/分钟,即0.43米/秒(0.86节)。抛锚前,应用锚机将锚直接送至离水底约5~10米备好。抛锚时,只要船舶保持0.5节以下的速度,用锚机送锚,船舶的速度就会低于锚机送锚的速度。在锚及预定锚链横卧海底、刹上刹车、合上止链器、脱开离合器前,锚及锚链不受拉力。随后由于船舶运动,锚会在海底被拖动;在拖动2倍锚长左右时,锚爪开始抓土,抓力将达到最大值并固定保持。从锚在海底被拖动到稳定抓底,锚抓力的特性曲线见图1。
锚和错链的系留力P=Pa+Pc=Aa・Wa+Ac・Wc・L1。式中,Pa:锚的系留力(千克)Pc:锚链的系留力(千克);Wa:锚重(干克)wc:每米锚链重(千克/米);L1:平卧海底的链长(米);Aa:锚的抓力系数;Ac:锚链摩擦阻力系数。
锚和锚链的系留力强弱基本上由锚重、单位长度链重和平铺链长决定,同时也与锚的抓力系数和链的摩擦阻力系数有关,而海底底质则起着决定性影响。AC14型大抓力错,在细沙加泥底的锚地抓力最好(Aa=10~14),混底次之(Aa=8~10),沙底再次之(a=6~8):卧底锚链的摩擦阻力系数为c=3。
“恒隆”轮压载状态排水量87500吨,6节入水,140米(5.1节)锚链横卧海底,船速由0.5节到锚抓牢、船舶停住为0节;锚重13350千克,抓力系数取8,每米链重227.8千克,锚链摩擦阻力系数取3。抓牢后,锚和锚链的系留力P=Pa+Pc=a・Wa+Ac・Wc・L1=8×13.35+3×227.8×140/1000=106.8+95.6=202.4公吨。船舶以0.5节(0.25米/秒)的速度,拖动2倍错长(2X3.8=7.6米),约7.60.25=30秒,锚抓牢,船舶停止。船舶在锚链的拉力作用下,历时30秒,速度由0.5节降到0节。根据动量定理,船舶对锚链的拉力F=△・(V。-V1)/T・g=87500×0.25/30×9.8=74.4(公吨)。式中,V。船的初速(米/秒入V;锚抓住底后的船速(米/秒入T:Vo→V1变化的时间(秒);△:船的排水量(公吨);g:9.8米/秒2。202.4公吨>74.4公吨,即锚和锚链的系留力大于船舶对锚链的拉力。
“恒隆”轮满载状态排水量235610吨,9节入水,220米(8节)锚链横卧海底,船速由0.5节到锚抓牢、船舶停住为0节;锚重13.35吨,抓力系数取8,每米链重227.8千克,锚链摩擦阻力系数取3。抓牢后,锚和锚链的系留力P=Pa+Pc=AaWa+AcWc，L1=8×13.35+3×227.8×220/1000=106.8+150.3=257.1(公吨)。船舶对锚链的拉力F=△・(V。-V1)/T・g235610×0.25/30×9.8=200.3公吨。257.1公吨>200.3公吨,即锚和锚链的系留力大于船舶对锚链的拉力。所以“恒隆”轮以0.5节的速度,在压载6节入水和满载9节入水时,采用锚机送锚的方式抛锚是安全可行的。
(2)同理,“合通”轮压载状态排水量149455吨,船速0.5节用锚机松锚,7节入水,6节(165米)锚链横卧海底;锚重15.72吨,抓力系数取8,每米链重270千克,锚链摩擦阻力系数取3。抓牢后,经计算锚和锚链的系留力为259.4公吨,船舶对锚链的拉力为127.1公吨,锚和锚链的系留力大于船舶对锚链的拉力。“合通”轮满载状态排水量335668吨,9节入水,8节(220米)锚链横卧海底,船速由0.5节到锚抓牢、船舶停住为0节;错重15.72吨,抓力系数取8,每米链重270千克,锚链摩擦阻力系数取3。抓牢后,锚和锚链的系留力为304公吨,船舶对锚链的拉力为2855公吨。锚和错链的系留力大于船舶对锚链的拉力。所以“合通”轮以0.5节的速度,在压载7节入水和满载9节入水时,采用锚机送锚的方式抛锚也是安全可行的。
3.抛锚前距离与速度的控制
(1)“恒隆”轮满载半速(排水量235610公吨,吃水18.20米,速度9.2节)的停船数据见表4,旋回进距与旋回半径见表5。
由表4和表5可知,“恒隆”轮在满载半速情况下,停船用时约14分钟,距离约1海里;满舵旋回180°进距约0.5海里,旋回初径取3倍横距约0.9海里(考虑最不利的抵锚位前船舶处于顺流状态,采取满舵旋回180°,由顺流状态操纵变成顶流方式抛锚)。在抛锚操作中,船舶抵达锚位前1海里左右,车钟一般保持在停车或微速进(4.2节)的位置,其速度不到表4中的半速(9.2节)一半,相应的停船距离和旋回初径小于1海里。由此可以得出,“恒隆”轮满载状态在抵锚位前1海里,控制船速在4节以内,采取满舵旋回和停车等措施,完全能把船停住,进而采取抛锚作业安全可行;同理,船舶压載状态的排水量比满载状态小很多,抵锚位前1海里,控制船速在5节以内,采取满舵旋回和停车等措施,也完全能把船停住,进而采取抛锚作业也是安全可行的
(2)“合通”轮满载半速(排水量3568公吨吃水21.43米,速度10.5节)的停船数据见表6,旋回进距与旋回半径见表7。
由表6和表7可知,“合通”轮在满载半速情况下,停船用时约19分钟,距离约1.6海里;船速10.5节时,满舵旋回180°进距约0.6海里,旋回初径取3倍横距约0.9海里(考虑最不利的抵错位前船舶处于顺流状态,采取旋回转向,由顺流状态操纵变成顶流方式抛锚)。在抛锚操作中,船舶抵达锚位前1海里左右,车钟一般保持在停车或微速进(5.4节)的位置,其速度约为表6中的半速(10.5节)一半,相应的停船距离、旋回初径也比试航测试数据小很多(在1海里以内)。由此可以得出,“合通”轮满载状态在抵锚位前1海里,控制船速在5.4节以内,采取满舵旋回和停车等措施,完全能把船停住,进而采取抛锚作业安全可行;同理,压载状态船舶排水量比满载状态小很多,抵锚位前1海里,控制船速在5节以内,采取满舵旋回和停车等措施,也完全能把船停住,进而采取抛锚作业也是安全可行的。
基于以上分析,“恒隆”及“合通”轮抵港抛锚,在测试完主机及倒车的基础上,可采取这样的措施距离锚位3海里时将船速控制在8节以内,距离锚位2海里时将船速控制在6节以内,距离锚位1海里时将船速控制在4节以内。
(3)笔者在“合通”轮工作期间,有一次从巴西满载铁矿石往国内马迹山卸。在西行进入马迹山错地抛锚前,恰遇顺流。在预定锚位以北1海里处有一转向点,在“微速进”的状态下,船速约7节开始向左大角度旋回、停车、压反舵:转向约180°后用短暂微进车保持舵效,船舶成顶流状态,船速降为3节,距离锚位0.6海里:再停车航左满舵减小倒车,引起向右偏转(右旋螺旋来)倒车:保持船舳后退速度在0.5节以内,用铺机送错的方式完成抛锚。也就是说,“合通”轮在抵锚位前1海里,控制船速在4节以内是可安全操作的如果船长经验少或心理承受能力差,就要及早降速,在距离错位1海里前将船速降得更低些。
4.抛锚时流向确定
可以通过错地错泊船尤其是与本吃水相近的错泊船的船首向,也可查阅航路指南/当地潮汐表根据锚地附近往复流或回转流潮流预报点的高潮低潮前后每小时的潮流方向和数据、GPS船速与计风不计流的多普勒计程仪船速差、计风也计流的绝对计程仪中流向流速数据等,确定当时潮流的大致方向,提前做好抛锚操纵计划。
5.错位选择
澳大利亚的装货港诸如丹皮尔、黑德兰、海波因特等都给到港船舶指定了具体锚位。巴西和国内的港口大都仅提供锚地,锚位则由船舶根据安全等因素自行考量、确定。因VLOC尺度大、吃水大,在卸货港应选择与其他锚泊船2海里左右(若条件受限,至少应保持1海里以上)的安全距离的位,并在抛锚前根据锚地锚泊船的位置,在雷达上根据可接受的锚泊半径确定。这里讲的是地结泊船的位置,并非锚的位置。考虑到船舶略有退势时VLOC采取锚机送锚的抛锚方式,即当抓牢稳定后WLOC还会后退一段约为抛锚链长的距离,当船舶采取顶流抛锚时,在抵达最初预选位后仍需继续向前行驶约0.1海里才能抛锚。这样的好处是,旦抵达预选铺位时仍有前进的速度,不会盲目慌张,因为知道还有0.1海里的空间可继续减速。6.抛错时确认船舶的对地速度。“恒隆”轮有9个货舱,“合通”轮有6个货舱,而某些超大型散货船则有10~11个货舱。外在的风流数据多变,依据倒车水花到达舱盖的位置来目视推断船舶的对地速度,其适用性越来越小一般船舶的雷达都与DGPS相连,可利用雷达上本船信息栏显示的 SPD/GPS(船舶沿船首方向的对地速度)和SOG(船舶包括旋转的综合对地速度)作为参考。当SPD/GPS小于0.3节、SOG小于0.5节时,即可通知大副用锚机送锚。
7.抛锚允许的最大水深
抛锚允许的最大水深由锚机功率以及环境等客观因素决定。根据锚机航行锚泊的试验要求,在水深82.5~90米范围内,可以平均不小于9米/秒的速度将单错从水下82.5米(3节链长)深处绞至27.5米(1节链长)高。
“恒隆”轮和“合通”轮的锚机性能数据为:“恒隆”轮错机的静态承吊能力,9米/分钟时Pn50408千克≥L=(50408-13350)/227.8=162米,可承吊单锚及162米的错链重量(静态承吊50408千克,锚重13350千克,每米链重227.8千克),即可承吊单锚及163米的错链重量:“合通”轮锚机的静态承吊能力,9米/分钟时Pn=59796千克≥L=(59796-15720)/270=163米(静态承吊59796千克,锚重15720千克,每米链重270千克),即可承吊单锚及163米的锚链重量。考虑到锚抓牢后锚的抓力、横卧海底锚链产生的拉力以及涌浪等不利因素,为安全起见,锚泊的最大允许水深应限于80~100米以内。
VLOC由于其长/宽/船型肥大、单位排水量分配主机功率小等特点,在转向和避让时需要早用、早回舵、大舵角;由于其满载时22米左右的深吃水,加3上超长超宽、航道内浅水效应、船舶下沉量等因素,导致稍微横/纵倾就会增加船舶吃水对此,船长需要格外关注船舶开航的实际富余水深数据,以免发生搁浅等事故。VLOC的传统抛锚方法,时间多在2小时左右,采取本文推荐的抵达锚地前距离和速度的控制方式及满舵旋回的抛锚方法,在安全可行的基础上大大减少了抛锚时间,降低了船员的疲劳程度。
本文作者:童义船长,