Hướng dẫn cơ bản về tàu neo đậu: Lựa chọn vật liệu, trọng lượng và an toàn

A tàu neo đậu là một cái neo có trọng lượng - thường là bê tông, gang hoặc chứa đầy đá - được đặt dưới đáy biển để giữ phao neo và tàu kèm theo vào đúng vị trí. Không giống như neo kéo, tàu chìm hoàn toàn dựa vào khối lượng và ma sát đáy chứ không phải là sự xuyên qua của con sán, khiến chúng có thể dự đoán được, ít phải bảo trì và phù hợp với nhiều điều kiện đáy biển. Việc chọn đúng trọng lượng, vật liệu và cấu hình dây xích của tàu chìm là yếu tố quan trọng nhất quyết định liệu dây neo có giữ an toàn trước bão hoặc lực cản và gây hư hỏng hay không. Hướng dẫn này cung cấp những thông tin cụ thể thực tế mà bạn cần để đưa ra quyết định đúng đắn.

Những người thả neo làm gì và tại sao họ quan trọng

Tàu chìm neo đóng vai trò là nền tảng cố định của hệ thống neo cố định hoặc bán cố định. Tàu buộc vào phao nổi trên mặt nước; Phao kết nối thông qua dây nâng hoặc dây với tàu chìm nằm ở phía dưới. Công việc của người đánh chìm có hai phần: chống lại tải trọng ngang do gió, dòng chảy và sóng tác động lên tàu , và đứng yên trong khi làm như vậy.

Vì tàu chìm không bao giờ tự chôn mình nên khả năng giữ của nó bị chi phối bởi phương trình ma sát đơn giản: lực giữ bằng trọng lượng chìm của tàu chìm nhân với hệ số ma sát giữa tàu chìm và đáy biển. Trên bùn, hệ số đó khoảng 0,3–0,4; trên cát là 0,4–0,6; trên sỏi hoặc đá, lên tới 0,7. A Tàu chìm bê tông 500 kg trên cát do đó cung cấp khoảng 200–250 kg lực giữ ngang - một con số phải được so sánh trực tiếp với tải trọng neo cao nhất tính toán của tàu.

Những chiếc tàu chìm có kích thước nhỏ bị kéo lê, đôi khi rất thảm khốc. Trong một sự cố năm 2019 tại bến du thuyền ở New Zealand, một chiếc thuyền kéo dài 6 mét đã bị rơi khi đang di chuyển với vận tốc 45 hải lý về phía nam vì tàu neo của nó - ban đầu có kích thước dành cho xuồng ba lá dài 4 mét - chưa bao giờ được nâng cấp. Con tàu đã gây thiệt hại 38.000 USD cho các tàu lân cận trước khi mắc cạn. Kích thước chính xác không phải là tùy chọn.

Các loại tàu neo đậu

Chìm được sản xuất hoặc chế tạo dưới nhiều dạng, mỗi dạng có những ưu điểm riêng biệt tùy thuộc vào môi trường triển khai, ngân sách và yêu cầu về tuổi thọ.

Máy bơm bê tông

Loại phổ biến nhất trên toàn cầu. Được đổ vào các khuôn hình trụ, hình vuông hoặc hình nấm, tàu chìm bê tông không tốn kém, trơ về mặt hóa học trong nước biển và dễ chế tạo tại địa phương. Các tàu chìm tiêu chuẩn của chính quyền cảng có phạm vi từ 100 kg đến 2.000 kg . Bê tông cốt thép với cốt thép tiêu chuẩn hàng hải kéo dài tuổi thọ sử dụng lên 15–25 năm; bê tông không cốt thép có thể bị nứt và mất khối lượng sau 5–8 năm ở những vị trí tiếp xúc với sóng điện. Trọng lượng chìm của tàu chìm bê tông xấp xỉ 60% trọng lượng khô của nó - quan trọng để tính toán lực giữ thực tế.

Chìm gang và thép

Tàu chìm bằng sắt và thép cung cấp khoảng 2,5–3 lần mật độ ngập của bê tông cho cùng một khối lượng, cho phép chiếm diện tích nhỏ hơn nhiều. Một tàu chìm bằng gang nặng 300 kg về cơ bản dễ dàng vận chuyển và triển khai bằng thuyền công tác nhỏ hơn so với khối bê tông có trọng lượng tương đương. Sự đánh đổi là sự ăn mòn: các tàu chìm bằng thép không tráng phủ ở vùng nước mặn nhiệt đới có thể bị mất 2–4 mm tiết diện mỗi năm. Mạ kẽm nhúng nóng hoặc sơn epoxy kéo dài tuổi thọ lên 10–15 năm. Chúng là lựa chọn ưu tiên khi không gian triển khai bị hạn chế hoặc khi thợ lặn phải xử lý tàu chìm ở độ sâu.

Neo nấm được sử dụng làm tàu chìm

Mỏ neo hình nấm bằng gang - quen thuộc với các neo thuyền nhỏ - về mặt kỹ thuật là sự kết hợp giữa tàu chìm và neo hút. Hình dạng mái vòm ngược cho phép nó chìm dần vào trầm tích mềm, tạo ra lực hút giúp tăng đáng kể khả năng giữ theo thời gian. A 90kg nấm ban đầu chịu được tải trọng ngang 90–100 kg có thể chịu được 400–600 kg sau hai đến ba năm chìm trong bùn. Chúng khó dự đoán hơn so với các tàu chìm thuần túy trên đáy cứng nơi không xảy ra hiện tượng nhúng chìm.

Lồng đầy đá và đá vụn

Lồng lưới bằng thép mạ kẽm hoặc HDPE chứa đầy đá địa phương là giải pháp tiết kiệm chi phí tại các neo đậu ở xa, nơi việc vận chuyển các tàu chìm đúc sẵn là không thực tế. Lồng được lắp ráp tại chỗ và được lấp đầy bằng tay hoặc bằng cần cẩu nhỏ. Mật độ điển hình của lồng chứa đầy đạt 1.500–1.800 kg/m³. Ăn mòn lồng là dạng hư hỏng chính; khung không gỉ hoặc mạ kẽm nhúng nóng với thanh 6 mm được khuyên dùng để có tuổi thọ sử dụng trên 10 năm.

Máy khoan bê tông tổng hợp và bê tông mật độ cao

Các nhà sản xuất chuyên nghiệp sản xuất vật nặng sử dụng cốt liệu nặng (magnetite, barit hoặc thép) trộn vào bê tông để đạt được mật độ khô 3.000–4.500 kg/m³ , so với 2.300 kg/m³ đối với bê tông tiêu chuẩn. Chúng được sử dụng khi khả năng chứa phải được tối đa hóa trong một hệ số dạng nhỏ gọn — ví dụ: tại các bến du thuyền đông đúc với bán kính xoay hạn chế hoặc trong hệ thống neo đậu nuôi trồng thủy sản nơi phải đặt chính xác hàng chục tàu chìm.

Cách tính trọng lượng chì cần thiết

Việc xác định kích thước tàu chìm bắt đầu bằng việc ước tính tải trọng neo cao nhất - lực ngang tối đa mà tàu tác dụng lên dây neo trong điều kiện dòng chảy và gió thiết kế. Một số phương pháp có thẩm quyền tồn tại; được sử dụng rộng rãi nhất cho nghề thủ công nhỏ là Cách tiếp cận của Cục Khí tượng / Tiêu chuẩn neo đậu phổ biến ở Úc và New Zealand, và các tiêu chuẩn ABYC ở Bắc Mỹ.

Bước 1 - Ước tính tải trọng neo cao điểm

Một công thức đơn giản nhưng thiết thực cho tàu một thân là:

F (kN) = 0,5 × ρ × Cd × A × V²

Trong đó ρ = mật độ không khí (1,225 kg/m³), Cd = hệ số cản (thường là 1,0–1,3 đối với tàu một thân), A = diện tích gió tính bằng m2 và V = tốc độ gió thiết kế tính bằng m/s. Đối với du thuyền du lịch dài 10 mét với sức gió 18 mét vuông với tốc độ gió thiết kế 40 hải lý/giờ (20,6 m/s), tải trọng cực đại tính toán xấp xỉ 5,5–7,0 kN (lực 560–710 kg) . Thêm 10–15% cho tải dòng điện và sóng dâng.

Bước 2 - Tính ma sát đáy biển

Chia tải trọng neo cao nhất cho hệ số ma sát áp dụng cho loại đáy biển của bạn để có được trọng lượng tàu chìm cần thiết. Sau đó chia cho 0,6 (phần trọng lượng ngập trong bê tông) để có được trọng lượng khô cần thiết. Luôn áp dụng một hệ số an toàn tối thiểu là 2,0 để neo đậu cố định; chính quyền bến cảng ở Anh, Úc và New Zealand thường chỉ định 2,5–3,0.

Ví dụ đã làm việc

Tải trọng cực đại: lực 700 kg. Đáy biển: cát (hệ số ma sát 0,5). Trọng lượng ngập yêu cầu: 700 0,5 = 1.400 kg. Trọng lượng bê tông khô yêu cầu có SF 2,5: 1.400 × 2,5 0,6 = 5.830 kg . Con số này gây ngạc nhiên cho hầu hết những người lần đầu lắp đặt dây neo - nó giải thích tại sao dây neo bến du thuyền được thiết kế tốt cho du thuyền 10 mét thường sử dụng tàu chìm nặng 2.000–3.000 kg kết hợp với xích nối đất để tăng thêm tải trọng ma sát.

Hướng dẫn về trọng lượng tàu chìm theo kích cỡ tàu

Bảng dưới đây cung cấp trọng lượng tàu chìm tối thiểu mang tính biểu thị cho các loại tàu thông thường hoạt động trên đáy biển đầy cát với hệ số an toàn là 2,5. Điều chỉnh hướng lên trên đối với bùn (0,35 thay vì 0,5), vị trí lộ thiên hoặc tàu nhiều thân có sức gió lớn hơn.

Các thành phần của hệ thống neo hoạt động với tàu chìm

Một tàu chìm không hoạt động độc lập. Toàn bộ hệ thống neo phải được thiết kế thành một khối thống nhất; một quả nặng có kích thước chính xác vẫn có thể bị hỏng nếu được kết nối bằng dây xích có kích thước nhỏ hoặc khớp xoay bị ăn mòn.

Chuỗi mặt đất

Chuỗi nối đất kết nối tàu chìm với tàu nâng. Chức năng chính của nó ngoài khả năng kết nối là nằm phẳng dưới đáy biển và tăng thêm trọng lượng của chính nó - và lực ma sát - vào khả năng giữ của hệ thống. Khuyến nghị tiêu chuẩn là độ dài chuỗi nối đất là 1,5–2,0 lần độ sâu của nước , sử dụng xích cấp 40 hoặc cấp 70 liên kết ngắn có kích thước ít nhất bằng 1,5 lần tải trọng neo cao nhất tính theo độ bền đứt. Đối với du thuyền dài 10 mét ở độ sâu 5 m nước, dây xích nối đất điển hình là 8–10 m dây xích Cấp 40 13 mm, có tải trọng đứt tối thiểu khoảng 9,5 tấn.

Chuỗi hoặc dây nâng

Bộ nâng nối dây xích đất với phao nổi. Bộ nâng xích rất nặng và hấp thụ năng lượng đột biến thông qua hoạt động của dây xích; dây nâng nhẹ hơn và cho phép co giãn đàn hồi lớn hơn, giúp giảm tải trọng sốc tối đa lên quả chìm. Dây nâng dây nylon có thể hấp thụ 25–35% năng lượng đột biến mà dây nâng sẽ truyền trực tiếp tới tàu chìm và điểm nối dưới đáy biển. Nhiều dây neo được thiết kế hiện đại sử dụng sự kết hợp: dây xích ở phía dưới để chống mài mòn, nylon ở cột giữa nước để tạo độ đàn hồi.

Cùm và xoay

Mỗi điểm kết nối đều có thể là một điểm hỏng hóc. Chỉ sử dụng cùm cung (cùm omega) được định mức vượt quá tải trọng phá hủy hệ thống; Cùm chữ D không thích hợp cho các ứng dụng neo do khả năng chịu tải trọng bên thấp của chúng. Cùm có gắn chuột (chốt chuột) có dây không gỉ xuyên qua chốt là bắt buộc - cùm chốt đơn giản có thể tháo ra khi chịu tải theo chu kỳ trong vòng vài tuần. Các khớp xoay ngăn dây xích bị xoắn truyền tải xoắn tới điểm nối quả nặng; chỉ sử dụng các khớp xoay có tải trọng làm việc an toàn phù hợp hoặc vượt quá định mức của xích.

Phao mặt

Phao phải có đủ lực nổi để giữ cho dây nâng được nâng lên khỏi đáy biển khi không có tàu nào bám vào, ngăn không cho dây xích chồng lên tàu chìm và có khả năng bị tuột ra. Nguyên tắc chung: độ nổi tính bằng kg ít nhất phải bằng 1,5 lần trọng lượng khô của xích nâng . Phao chứa đầy bọt được ưa chuộng hơn phao chứa đầy không khí ở những vị trí lộ thiên vì chúng không thể xẹp xuống nếu bị thủng.

Loại đáy biển và ảnh hưởng của nó đến hiệu suất của tàu chìm

Thành phần đáy biển xác định trực tiếp lực giữ mà trọng lượng tàu chìm nhất định mang lại. Đây là biến số thường bị bỏ qua nhất khi các dây neo được xác định kích thước từ một bảng chung.

Trên bùn mềm, tải trọng neo đỉnh như nhau đòi hỏi gần gấp đôi trọng lượng của tàu chìm so với đáy biển có cát. Một chiếc neo có kích thước dành cho cát và được triển khai trên bùn mà không có sự điều chỉnh sẽ ngay lập tức không được xác định rõ ràng. Trong trường hợp không chắc chắn về loại đáy biển, việc kiểm tra của thợ lặn hoặc đầu dò xuyên kế cầm tay đơn giản từ xuồng ba lá có thể xác định được chất nền trước khi lắp đặt.

Lắp đặt tàu neo đậu: Từng bước

Cài đặt đúng cũng quan trọng như kích thước chính xác. Một chiếc tàu chìm có kích thước phù hợp được đặt với dây xích rối hoặc đặt sai vị trí không mang lại sự an toàn hơn một chiếc tàu có kích thước nhỏ hơn.

1. Khảo sát địa điểm. Xác nhận độ sâu của nước khi thủy triều lên và xuống, loại đáy biển, bán kính xoay không có các dây neo và mối nguy hiểm khác cũng như khoảng cách với cáp hoặc đường ống dưới nước. Hầu hết các cơ quan quản lý bến cảng đều yêu cầu giấy phép trước khi đặt neo.
2. Lắp ráp hệ thống neo trên bề mặt. Bố trí tàu chìm, xích nối đất, khớp xoay, ống nâng và phao. Kết nối tất cả các cùm, gắn chuột vào tất cả các chốt bằng dây di chuyển không gỉ và xác minh rằng tải trọng đứt trên toàn hệ thống là nhất quán — liên kết yếu nhất phải vượt quá tải trọng thiết kế với hệ số an toàn yêu cầu.
3. Đánh dấu vị trí triển khai. Thả phao đánh dấu tạm thời vào vị trí chính xác. Tính đến vòng xoay của tàu - thông thường 2× chiều dài phạm vi cộng với tàu LOA - để đảm bảo tàu lắc lư sẽ không tiếp xúc với các dây neo khác hoặc bờ biển.
4. Triển khai bằng cần cẩu hoặc xuồng khung chữ A. Hạ quả nặng xuống từ từ; những cú rơi đột ngột trên đáy biển mềm có thể khiến tàu chìm nảy lên và hạ cánh theo một góc, làm giảm dấu chân của nó. Đối với tàu chìm nặng trên 500 kg, nên sử dụng cần trục gắn trên sà lan.
5. Đưa dây xích đất ra khi tàu chìm hạ xuống. Đảm bảo dây xích đất nằm phẳng và hướng tâm ra xa quả nặng theo hướng tải trọng hiện hành, không xếp chồng lên trên quả nặng.
6. Gắn và thả nổi ống nâng và phao. Xác nhận phao nổi có mạn khô thích hợp - cao hơn mực nước ít nhất 150 mm - cho biết ống đứng không dài hơn độ sâu của nước.
7. Tiến hành kiểm tra thợ lặn trong vòng 48 giờ. Xác minh rằng quả nặng đang nằm phẳng, dây xích được đặt chính xác và không có mảnh vụn nào mắc vào dưới quả nặng có thể làm giảm diện tích tiếp xúc và ma sát.

Khoảng thời gian kiểm tra và bảo trì

Các tàu neo và phần cứng liên quan của chúng xuống cấp theo thời gian. Mòn xích là nguyên nhân phổ biến nhất dẫn đến hư hỏng khi neo đậu - không kéo tàu chìm. Trong một cuộc khảo sát năm 2017 với 1.200 dây neo ở vùng biển Nam Úc, 62% dây neo không được bảo dưỡng trong hơn ba năm cho thấy độ mòn của xích vượt quá 20% đường kính thanh ban đầu tại một hoặc nhiều mắt xích.

• Kiểm tra thợ lặn hàng năm - đo đường kính thanh liên kết xích tại các điểm có độ mòn cao nhất (kết nối quả nặng và kết nối phao). Thay xích khi độ mòn vượt quá 10% đường kính danh nghĩa (ví dụ: thay xích 13 mm khi bất kỳ mắt xích nào có kích thước dưới 11,7 mm).
• Kiểm tra tình trạng tàu chìm - kiểm tra xem có vết nứt, nứt vỡ hoặc bám bẩn sinh học đáng kể làm thay đổi hình dạng hay không. Các quả nặng bê tông bị nứt xuyên qua mắt đính kèm phải được thay thế ngay lập tức.
• Xác minh vị trí tàu chìm — so sánh tọa độ GPS với bản ghi cài đặt ban đầu. Một tàu chìm đã di chuyển hơn 2 m so với vị trí ban đầu có khả năng bị kéo dưới tải và cần được đánh giá lại.
• Kiểm tra cùm và khớp xoay - kiểm tra độ giãn dài của cung ma ní (dấu hiệu quá tải), ăn mòn chốt và tất cả dây dẫn di chuyển còn nguyên vẹn hay không.
• Thay thế toàn bộ hệ thống — hầu hết các cơ quan quản lý bến cảng đều yêu cầu thay thế hoàn toàn dây xích sau mỗi 5–7 năm bất kể độ mòn đo được và đánh giá lại tàu chìm sau mỗi 10 năm hoặc sau bất kỳ cơn bão lớn nào vượt quá tốc độ gió thiết kế của dây neo.

Thực hành tàu neo đậu có trách nhiệm với môi trường

Các tàu chìm neo đậu truyền thống bị kéo qua đáy biển khi có bão, hoặc các dây xích trên mặt đất quét qua lại theo chuyển động của tàu, có thể gây ra thiệt hại đáng kể cho thảm cỏ biển và nền san hô. Tại các khu vực biển được bảo vệ, các cơ quan quản lý ngày càng yêu cầu neo đậu để giảm thiểu tiếp xúc với đáy biển.

• Loại bỏ việc quét chuỗi mặt đất. Bằng cách điều chỉnh kích thước của quả nặng một cách rộng rãi và sử dụng dây xích nối đất ngắn hơn, nặng hơn, vòng cung bị cuốn theo chuyển động của dây xích sẽ được giảm thiểu. Một số hệ thống hiện nay sử dụng tay nâng bằng sợi thủy tinh cứng hoặc HDPE thay vì dây nâng để loại bỏ hoàn toàn việc quét đáy biển.
• Sử dụng neo vít xoắn ốc ở vùng cỏ biển. Khi quy định cho phép, việc thay thế quả nặng bằng neo vít xoắn ốc được khoan vào nền sẽ loại bỏ hoàn toàn xích nối đất. Khả năng giữ tương đương với một phần diện tích và sự xáo trộn của đáy biển được giới hạn ở đường kính trục vít (thường là 75–150 mm).
• Tránh phủ lớp phủ chống hà trên tàu chìm. Chất chống hà gốc đồng trên các quả nặng sẽ lọc chất diệt khuẩn vào lớp trầm tích ngay bên dưới. Các vết bẩn sinh học tự nhiên trên bồn bê tông không làm giảm đáng kể ma sát giữ của nó và không được xử lý.
• Loại bỏ các dây neo bị bỏ rơi kịp thời. Một tàu chìm bị bỏ lại với dây xích và phao sẽ trở thành mối nguy hiểm hàng hải và là nguồn tiếp tục gây xáo trộn đáy biển. Hầu hết các khu vực pháp lý đều áp dụng mức phạt đối với việc neo đậu không được bảo trì và chi phí dỡ bỏ sẽ tăng nhanh khi phao bị chìm và dây xích bị chôn vùi.

Những sai lầm thường gặp và cách tránh chúng

Hầu hết các lỗi neo đậu đều có thể truy nguyên được từ một số ít lỗi lặp đi lặp lại. Nhận thức về các mô hình này sẽ ngăn chặn phần lớn các sự cố:

• Sử dụng cùng một tàu chìm khi nâng cấp lên tàu lớn hơn. Sức gió và khối lượng của tàu tăng nhanh hơn LOA - chiều dài thuyền tăng 20% ​​thường tương ứng với tải trọng neo cao điểm tăng 40–50%. Luôn tính toán lại khi đổi bình.
• Bỏ qua dây xích trong tính toán độ sâu. Ở vùng nước nông (dưới 3 m), dây xích căng ra nhanh chóng khi chịu tải, truyền lực gần ngang trực tiếp đến quả chìm với lớp đệm dây xích tối thiểu. Trong những điều kiện này, trọng lượng của quả nặng phải tăng từ 25–40% so với bảng kích thước tiêu chuẩn.
• Bỏ qua hệ số an toàn. Định cỡ chính xác theo tải trọng tối đa được tính toán mà không có giới hạn an toàn có nghĩa là dây neo đang ở giới hạn trong điều kiện thiết kế - bất kỳ cơn gió giật nào vượt quá tốc độ thiết kế, bất kỳ tải trọng sóng nào hoặc bất kỳ hiện tượng mòn xích nào đều khiến hệ thống ngay lập tức bị hỏng.
• Sử dụng sai hướng cùm. Chốt cùm phải được định hướng sao cho tải trọng kéo qua cung chứ không kéo qua chốt. Còng được đặt trên chốt với cùng một lực có thể bị hỏng ở 30–50% tải định mức .
• Giả sử dây neo còn nguyên vì phao vẫn còn đó. Người ta tìm thấy phao nổi sau khi toàn bộ bộ phận dưới bề mặt - tàu chìm, xích và tất cả - bị ăn mòn và chìm. Kiểm tra thợ lặn hàng năm là phương pháp xác minh đáng tin cậy duy nhất.