氣囊船臺設計要點及應注意的問題

劉祥玉 ，韓時琳

（1.長沙理工大學水利工程學院，湖南 長沙 410114；2.中交天津港灣工程設計院有限公司，天津 300457）

2003年以來，世界造船業(yè)進入高峰時期。我國造船業(yè)的快速發(fā)展，也促進了造船新工藝及下水新工藝的應用與推廣。船舶利用氣囊下水是一項值得推廣的新工藝，成為目前頗具靈活性的柔性下水技術，具有投資少、見效快、施工簡單、安全可靠、下水操作簡單等特點。初期船舶采用氣囊下水工藝僅能適應于小型船舶，如今最大船型已達5 萬 t。

中國神飛集團榮成船舶制造基地船廠一期設計1.5萬、2.5萬、3.5萬噸級氣囊下水式船臺各1座，現(xiàn)均已投產使用。

1 工程概述

榮成市神飛船舶制造基地位于山東榮成市石島灣，是一個具有現(xiàn)代造船設施、具備先進造船技術的船舶制造基地?；匕秆b碼頭長660 m（二期擴建950 m），3座氣囊式下水船臺（1.5萬～3.5萬噸級），1座5萬噸級滑板船臺滑道，1座10萬噸級干船塢及廠房、車間、總組及舾裝場等陸域設施。3座氣囊船臺位于船廠現(xiàn)有陸域的南部，面向石島灣，西側為舾裝碼頭區(qū)，東側為5萬噸級滑板船臺滑道。3座氣囊船臺自2008年正式投產以來已陸續(xù)完成10多條船舶生產任務，目前無明顯沉降，使用狀況良好。

2 設計資料

2.1 設計水位

高程系以石島當?shù)乩碚撋疃然鶞拭嫫鹚悖ㄎ挥?985國家高程系以下169 cm）。設計特征值如下。

極端高水位：381 cm

設計高水位：281 cm

設計低水位：41 cm

極端低水位：-83 cm

當?shù)仄骄Ｆ矫妫?72 cm

船舶下水水位：230 cm

下水水位持續(xù)時間：2 h

2.2 工程地質

工程區(qū)勘察深度范圍鉆至中風化，根據(jù)該區(qū)標準地層劃分為5個主層，8個亞層（見圖1），其中：

圖1 地質剖面圖

第①1層為塊石；第②層為淤泥質粉質黏土，第②1層為黏質粉土，第②2層為粉砂，第②3層為淤泥質粉質黏土，第②4層為砂質粉土；第③層為粉質黏土，第③2層為中砂，第⑤層為中粗砂，第⑤1層為粗礫砂；第⑦層為強風化片麻狀含黑云二長花崗巖；第⑧層為中風化片麻狀含黑云二長花崗巖。

2.3 設計船型

設計船型主尺度詳見表1。

表1 三種船型設計主尺度

3 船臺設計

3.1 總平面布置

3座氣囊下水船臺平面布置詳見圖2。

1.5萬、2.5萬、3.5萬噸級氣囊下水式船臺縱向水平總長度分別為196 m、228 m、252 m，其中船臺區(qū)長度為160 m、192 m、216 m，縱向坡度為1∶80；3個船臺的變坡區(qū)長度均為36 m，又分為2個變坡段，中間有1個圓弧連接段，變坡段水平長度分別為21 m、2.036 m、12.964 m，縱向坡度分別為1∶35、1∶15。3個船臺分別設100 t（軌距29 m），130 t（軌距33 m），150 t（軌距46 m）3種門機。

船臺末端停泊水域長480 m、寬290 m，底標高為-6.7 m。西側與舾裝碼頭航道之間的連接水域底標高為-5.2 m。

船臺控制點里程及頂標高詳見表2。

表2 船臺控制點里程

3.2 船臺工藝荷載

3.2.1 支墩荷載

根據(jù)相關規(guī)范，本設計對于15000 DWT、25000 DWT船舶，支墩沿平行于縱軸線方向橫向布設5排，中墩1排，邊墩4排，縱向墩間距3 m；對于35000 DWT船舶，支墩沿平行于縱軸線方向橫向布設7排，中墩1排，邊墩6排，縱向墩間距3.5 m。設計支墩荷載見表3所示。

3.2.2 流動荷載

1）25 t平板掛車。

2）龍門式起重機荷載：100 t、130 t、150 t龍門式起重機。具體荷載參數(shù)由設備生產廠家提供。

3.2.3 出運氣囊荷載

表3 設計支墩尺寸與荷載

出運氣囊采用超高壓氣囊，氣囊縱向間距同龍骨墩間距為3 m（3.5 m），船臺每米氣囊體最大設計受力荷載如下，

平移階段：200 kN/m；下水階段：510 kN/m。

船體下水由專業(yè)氣囊出運公司負責，因此針對不同的船型，氣囊出運公司設計出相應的出運下水工藝和每根氣囊的長度。

3.3 船臺結構

船臺橫斷面參見圖3。

船臺地基采用拋石換填處理。陸上船臺區(qū)對已回填開山石（土）基礎進行強夯處理。強夯單擊夯擊能參數(shù)取4000～8000 kJ，施工中強夯最后兩擊的平均夯沉量的控制值為：軌道梁底不大于10 cm，其余區(qū)域不大于15 cm，地基承載力不小于300 kPa，強夯后補料滿夯單擊夯擊能為1000 kJ?；A滿夯后拋填碎石、二片石墊層，并采用18 t震動壓路機碾壓密實。

船臺陸上段底板為現(xiàn)澆鋼筋混凝土面板結構；水下段底板采用預制安裝鋼筋混凝土面板結構，基床要求做到極細平，高程允許偏差±20 mm；船臺末端為方塊直立岸壁。

4 氣囊下水工藝設計

1）氣囊船臺利用滾動氣囊移動船舶。氣囊與混凝土船臺面摩擦系數(shù)通常為0.01，氣囊船臺的下水臨界坡度為1∶100，當坡度為1∶80時船體能自動下滑，順利入水。

氣囊船臺支墩高度由于氣囊要求，一般控制最大高度為0.8 m，這是氣囊下水的特點。根據(jù)船型大小，設計選用高壓氣囊或超高壓氣囊，氣囊直徑一般為φ1.2～3.0 m。對于3.5萬噸級船體下水，采用兩種組合規(guī)格：φ1.2 m，工作壓力0.25 MPa，試驗壓力0.325 MPa，工作高度最大可壓縮為氣囊直徑的30%；φ1.8 m，工作壓力0.167 MPa，試驗壓力0.217 MPa，工作高度最大可壓縮為氣囊直徑的30%。

在船舶下水前采用鋼絲繩倒拉固定，其中1號船臺于首部設2個500 kN地牛；2號船臺于首部設2個500 kN地牛；3號船臺于首部設2個750 kN地牛。下水時，切斷鋼絲繩，船體將緩慢自由下水。

2）將氣囊按設計間距及位置從船艉到船艏依次進行布置。船艏段呈尖狀，如布置氣囊則接觸面積太小，其受力分配傳遞面積小。同時鑒于船艏段初始受力小，并作為初始狀態(tài)控制導向，船艏端約（1/5）LP段不布置氣囊，船體仍擱置在支墩上。

3）將船舶與船臺頂端的卷揚機通過滑輪組進行有效的連接并予以拉緊。

4）按操作工藝程序分別對氣囊進行充氣，一次充氣壓力不宜過高，充氣操作應按照從艉至艏的順序進行；分別充氣并隨時檢查氣囊壓力，有針對性的充氣和調整氣囊的壓力及工作高度，以至將氣囊上船體完全抬起；待船底高于支墩50 mm左右時進行首次撤墩操作。

5）撤墩前應對氣囊的壓力、工作高度進行檢查，待檢查確認氣囊布置及工作壓力、高度等各項指標均符合要求，且確認安全無誤時方可進行撤墩。撤墩應按照先撤中墩，再撤邊墩，由里而外的順序進行，首先撤除最末端氣囊至船艉的所有中墩與邊墩。撤墩結束后應對場地進行清理，清除障礙物及所有雜物，以免影響氣囊滾動或扎傷氣囊（參見圖4）。

圖4 撤墩后船體坐落在氣囊上

6）吊走擋水閘門并用沙袋填平擋水閘門門槽。

7）調整氣囊壓力，要求船艉部分氣囊壓力控制在設計壓力，使船艏無氣囊部分仍坐于船臺墩上。

8）當達到設計下水水位時，切斷鋼絲繩，船體靠重力自由滑入水中（見圖5），然后由拖輪拖至舾裝碼頭靠泊。

圖5 船體靠重力自由滑入水中二

5 氣囊下水船臺主要特點

5.1 下水方式

氣囊下水船臺與傳統(tǒng)滑道下水方式不同，前者為隨著船體的縱移，當重心位于船臺線以外時產生小幅度艉跌落方式入水，即依靠自重下水；后者為逐漸艉浮平緩入水方式。氣囊船臺末端標高比傳統(tǒng)滑道末端標高高，因此船臺縱向長度短，建設周期短，投產快，工程造價低。

5.2 船臺功能及下水船舶噸級

氣囊下水船臺一般是用于造船，不用于修船，目前最大可以滿足5萬噸級船舶下水。

5.3 船臺長度及坡度設計

需結合氣囊規(guī)格及壓力，針對不同船型進行過程分析，計算氣囊滾動距離、壓縮高度、船臺不同受力段，確定船臺坡度及不同變坡段長度。船臺區(qū)縱向坡度一般為1∶60～1∶80，不能緩于 1∶100。

氣囊下水船臺為變坡度設計，使船艉盡快產生較大浮力。但坡度不宜變化太大，否則造成船艏脫離氣囊段太長，影響船體剛度，同時船艉氣囊易爆裂。船臺變坡度區(qū)長度也不易過長，如果太長，隨著船體與氣囊的同步縱移，船艏因缺乏氣囊擱淺船臺；如果太短船艉過早跌落，易發(fā)生艉跌現(xiàn)象。變坡度區(qū)長度宜控制在40 m以內，一般船型越小長度越短，最小控制長度為25 m。

5.4 氣囊下水關鍵點

氣囊下水的關鍵是控制標高。船艉垂線對應底板頂標高宜取為設計下水水位（當船臺尾部設有擋水門時）。

5.5 氣囊下水時間

從切斷船艏鋼絲繩至船體離開船臺平穩(wěn)入水所需時間與船臺坡度和船舶在船臺上的初始位置有關。如坡度設計合理且船舶距水面初始距離較短時，整個過程一般不超過3 min。

5.6 氣囊的浮托作用

在船體下水過程中，將有大量氣囊滾落入水，聚集在船臺前沿水域，對船艏產生很大的浮托作用，便于船體平穩(wěn)入水。

5.7 不同氣囊船臺的比較

不同氣囊船臺的比較見表4。

表4 常規(guī)氣囊船臺與半塢式氣囊船臺比較

6 氣囊下水應注意的問題

通過船舶采用氣囊下水工藝的若干實例，總結以下幾點，供使用者參考。

1）船臺如無正規(guī)設計，土法施工上馬，船臺本身存在重大質量缺陷，船舶下水也存在著很大風險。

2）氣囊沿船寬擱置長度不夠，一旦船體縱移偏離軸線，造成船體懸空，嚴重偏離方向，氣囊爆裂，船體失控。

3）擱置氣囊不垂直于船臺縱軸線，船體下滑過程中，造成氣囊扭曲疊合不能滾動，船體不能正?？v移。

4）船臺坡度過渡不合理，船體縱移過程中，船艏嚴重脫離氣囊，造成重心失穩(wěn)或產生船體變形。

5）下水段過短，艉跌落太快，重心失穩(wěn)，船艉插入泥中。

6）下水段太長，船體運移過程中，船艏及船舯段無氣囊支撐，因重心失穩(wěn)，船艏擱置在船臺上。

7）船臺面清掃雜物不干凈，存在尖銳器物，或局部高差大于5 cm，容易造成氣囊爆裂。一旦部分氣囊爆裂，其余氣囊因承載力不夠，造成連環(huán)爆裂，船體擱置船臺。

[1]GB/T 3837-1998，船舶用氣囊上排、下水工藝要求[S].

[2]GB/T 3795-1996，船舶上排、下水用氣囊[S].

[3]CB/T 8502-2005，縱向傾斜船臺及滑道設計規(guī)范[S].