中小型船舶的氣囊下水工藝

王超

摘要：本文根據(jù)船舶氣囊下水實(shí)施案例，通過對(duì)下水過程中氣囊壓力、牽引力等一系列的計(jì)算，介紹船舶氣囊下水的原理、方法及流程，探討氣囊下水作為中小型船舶下水方式的可行性。

關(guān)鍵詞：船舶；下水；氣囊

Abstract: Based on some actual cases of ship launching by air bags and through calculation of pressure and pull force of air bags, this paper introduces the principles, method and procedures for ship launching by air bags in order to explore the feasibility of launching by air bags for small and medium-sized ships.

Key words: Vessel; Launching; Air bag

船舶下水是船舶建造過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。目前除了擁有造船塢的船廠采用塢內(nèi)造船、船舶出塢進(jìn)水之外，下水的方式還有很多，以縱橫方向分作二大類的話，縱向下水以縱向油脂、滑道方式占主要地位，橫向下水以軌道、液壓墮船小車、機(jī)械方式見多數(shù)。而采用氣囊下水，業(yè)內(nèi)人士過往都認(rèn)為那是“山寨廠”的船舶下水方式。當(dāng)然，華東沿海一帶的民營船廠成功地應(yīng)用氣囊下水，將30 000～80 000萬DWT級(jí)的船舶推下水，是促使船舶氣囊下水行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)誕生的重要因素。盡管如此，仍不足從根本上扭轉(zhuǎn)人們對(duì)其的不正確認(rèn)識(shí)。根據(jù)我們廣州航通船業(yè)有限公司(以下簡(jiǎn)稱航通公司)多年、多艘、多船型船舶氣囊下水的實(shí)踐，著力向中小型船廠，中小型船舶推薦采用氣囊下水作業(yè)既安全、可靠又環(huán)保、經(jīng)濟(jì)是很有理由的。如表1所列航通公司先后以氣囊下水的計(jì)有“粵工樁九”、3 300 m3 LPG船（二艘）、78 m三用工程船（二艘）和58.7 m工程船（四艘）等共九艘船舶；其中有船底平坦的、也有型線變化比較大的船舶，然實(shí)踐證明均可取得很好的效果，每條船都安全下水。

1基本參數(shù)

見表1 。

2工作原理、工藝流程

2.1工作原理

在船舶底部與地面之間按一定間距布置一定數(shù)量氣囊，通過卷揚(yáng)機(jī)的外力牽引船舶，使氣囊向前滾動(dòng)，從而使船舶與地面產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，達(dá)到移運(yùn)船舶下水的目的。

2.2工藝流程

船舶氣囊下水工藝過程分為三個(gè)步驟。

第一步：船底部放入大直徑氣囊，隨即充氣入囊將船舶頂高到離地1 m，在撤去船舶建造、合攏所使用的高墩之后，由氣囊滾動(dòng)、搬運(yùn)船舶下水。

第二步：牽引系統(tǒng)拉動(dòng)船舶向前，并及時(shí)在底部放入接應(yīng)氣囊，船舶移動(dòng)；此時(shí)，需保證船底離地面的垂直距離不小于0.5 m。

第三步：船舶整體下水，自浮后氣囊回收。

3實(shí)船下水作業(yè)

以“粵工樁九”和58.7 m工程船為例，分兩種情況闡述。

3.1在新會(huì)廠區(qū)“粵工樁九”船舶全氣囊下水

3.1.1船舶所使用的簡(jiǎn)易船臺(tái)與滑道坡度設(shè)計(jì)

因“粵工樁九”下水后自浮吃水比較淺，所以在不考慮當(dāng)?shù)亍?dāng)時(shí)潮差的情況下，下水滑道末端水深達(dá)到2 m，即可滿足安全下水的要求，因此需要船臺(tái)坡度、滑道長(zhǎng)度設(shè)計(jì)如圖1。

3.1.2 氣囊布置

見圖2。

3.1.3氣囊參數(shù)的確定

見表2。

3.1.4下水過程中氣囊的受力分析與計(jì)算

1）頂升船舶撤高墩；船舶下水前坐于高墩之上，應(yīng)先將高墩撤下。氣囊將船舶頂升1.0 m時(shí)計(jì)算氣囊的承受壓力（在此工作壓力下氣囊直徑有2%的彈性變形）。

單個(gè)氣囊承壓寬度：B= ×（D×1.02 － H）/2

氣囊的有效承壓長(zhǎng)度：L0=L總－2×0.866×D

氣囊承壓總面積 ：S=n×B×L0

實(shí)際氣囊承受壓力：P=Q/S

式中D為氣囊直徑；Q為船舶重量；H為氣囊工作高度（一般船舶建造時(shí)支墩高度都在0.9 m左右，因此H按1 m考慮）；L總為氣囊總長(zhǎng)度；L0為氣囊移運(yùn)中有效承壓長(zhǎng)度；n為氣囊個(gè)數(shù)。頂升時(shí)氣囊垂直于船舶26.4 m長(zhǎng)的邊進(jìn)行擺放布置，選取12個(gè)直徑1.5 m,長(zhǎng)度10 m的氣囊進(jìn)行頂升，氣囊按雙排擺放。

按上列公式計(jì)算得出B=0.83 m；L0=10.0 m；S=99.6 m2；則P=0.15 Mpa小于工作壓力0.2 Mpa，所以頂升時(shí)選用12個(gè)氣囊是安全的。

這里需要指出的是：船底支墊高墩時(shí)應(yīng)預(yù)留足夠的間距以置放氣囊和移出高墩。并符合下式計(jì)算：頂升氣囊間距：a=(L－b×n)/n。

式中L為船底可放置氣囊的平底長(zhǎng)度；b為未充氣時(shí)頂升氣囊的寬度；n為氣囊個(gè)數(shù)。船底可放置氣囊的平底長(zhǎng)度為57.6 m；未充氣時(shí)頂升氣囊寬度為2.355 m；單排氣囊數(shù)量為6個(gè)。（按上列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出a=7.245 m。）

2）船舶在船臺(tái)與滑道連接位置，氣囊的受力分析（如圖3）。

船舶移動(dòng)至船臺(tái)與滑道連接位置，由圖3可以直觀的看出，此時(shí)，氣囊的受力最復(fù)雜。

從確保船舶安全考慮，當(dāng)船舶重心點(diǎn)移運(yùn)到與坡道折角線相同位置時(shí)，需有經(jīng)驗(yàn)豐富的人員負(fù)責(zé)操作，且應(yīng)備有足夠數(shù)量的應(yīng)接氣囊，以防萬一發(fā)生氣囊爆裂，隨即可以替換；所用氣囊必須能夠承載下水船舶的總重量，并保證氣囊不超壓，船體不橫傾；船舶上滑道時(shí)氣囊高度能保持在0.5 m。

下水共需要?dú)饽?0條（12條移運(yùn)，8條接應(yīng)）。3）前拖動(dòng)、后牽引力的設(shè)計(jì)。

船舶下水時(shí)的前拖動(dòng)、后牽力：

——卷揚(yáng)機(jī)的牽引力:F≥Fe/(N每×cosβ)/N Fe——前牽設(shè)備的保險(xiǎn)力Fe≥Q×g×sina F——為卷揚(yáng)機(jī)的牽引力

a——為牽引時(shí)的傾斜角，為3o Q——為船舶的重量按4 000 t計(jì)

——磨擦系數(shù)，取0.03

β——為牽引鋼絲繩與水平方向的夾角；假設(shè)為0o

g——為重力加速度

N每——為鋼絲繩的道數(shù)，取8道

N——為卷揚(yáng)機(jī)數(shù)量；本項(xiàng)目采用4臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)牽引：2臺(tái)前拉，2臺(tái)后牽

則根據(jù)上列公式計(jì)算得出：Fe=39 200×sin30=2 734 kN

F≥2 734/(8×cos0o)/2=170.8 kN

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果所得在實(shí)際操作中，前拉和后牽各選用20 t慢速卷揚(yáng)機(jī)2臺(tái)，并配備120 t的4輪滑車2個(gè)；滿足使用需要。

后牽地面的拖力點(diǎn)設(shè)置，實(shí)際選用200 t的安全負(fù)荷，為保證在移動(dòng)過程中卷揚(yáng)機(jī)受力時(shí)，牽引點(diǎn)的安全。

4）地面承載力≥20 t/m3。

在實(shí)際施工過程中，對(duì)于卷揚(yáng)機(jī)和氣囊的使用也在設(shè)計(jì)計(jì)算的范圍之內(nèi)；后牽引力按自重4 000 t重量考慮，抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于移運(yùn)1 500 t船舶的要求，在卷揚(yáng)機(jī)的安全使用負(fù)荷下。在對(duì)氣囊的安全使用過程中，通過對(duì)氣囊充氣壓力的調(diào)整保持氣囊的工作壓力在0.2 Mpa以下，由于氣囊貫通船舶底部并分兩排布置，因此可以達(dá)到船舶的左右水平。同時(shí)在放置氣囊時(shí)要考慮氣囊充氣后的狀態(tài)和第二個(gè)充氣氣囊之間應(yīng)有一定的距離，以免船舶下水時(shí)，氣囊之間的相互擠壓，使船舶無法移動(dòng)。

在船舶下水施工中，指揮人員應(yīng)與指卷揚(yáng)機(jī)操作人員、氣囊充放氣人員密切聯(lián)系，以掌握下水的時(shí)機(jī)和距離。并始終有一名測(cè)量員密切注意船舶的傾斜角，以保持船舶平整移動(dòng)的離地狀態(tài)（船舶點(diǎn)最低離地高度應(yīng)控制≮300 mm）。

3.2廣州廠區(qū)58.7 m工程船采用氣囊滾動(dòng)、搬運(yùn)上半潛駁后，下水

航通公司于2009年6月在廣州瀝滘工地將4艘 58.7 m工程船,會(huì)同廣州打撈局救撈工程處由臨江碼頭岸用氣囊搬運(yùn)上“四航南沙”號(hào)半潛駁，然后 “四航南沙”調(diào)水下沉，實(shí)現(xiàn)船舶下水。氣囊搬運(yùn)時(shí)，58.7m工程船首部先上“南沙”號(hào)半潛駁。3.2.1工藝流程

準(zhǔn)備工作——“58.7 mm拖輪”頂升——“58.7 mm拖輪”拉移上船塢——“南沙”號(hào)船塢下替——重復(fù)以上工序?qū)⑹Ｓ嗳龡l拖輪下水—— 撤場(chǎng)。

3.2.2準(zhǔn)備工作

1）應(yīng)確保“南沙”號(hào)塢船拉移施工作業(yè)區(qū)域有足夠的水深。

在拉移作業(yè)前，應(yīng)對(duì)“南沙”號(hào)塢船拉移施工作業(yè)區(qū)域水深進(jìn)行測(cè)量，若發(fā)現(xiàn)該區(qū)域水深不滿足“南沙”號(hào)塢＋58.7工程船疊加后的吃水深度要求的情況,則需要開挖。開挖寬度由“南沙”號(hào)塢之船寬左右舷分別各多開挖出8 m，以便于拉移58.7 m拖輪下船時(shí)調(diào)整船位。

隨后，在碼頭邊打四根鋼管樁，并由三條路軌將四個(gè)鋼管樁連成一整體，路軌面高度與碼頭高度一致，以滿足“南沙”號(hào)塢船拉移時(shí)就位?？俊?/p>

2）場(chǎng)地布置。

在58.7 m工程船拉移前，先在碼頭現(xiàn)場(chǎng)畫出58.7 m拖輪拉移上碼頭的位置、支墩位置、頂升位置和拉移軸線。并現(xiàn)場(chǎng)布置“地牛”（拖力點(diǎn)），其中500 kN的“地牛”2個(gè)，100 kN的“地?！?個(gè)，同時(shí)安裝用來拉移和留尾用的80 kN卷揚(yáng)機(jī)4臺(tái)。

3）索具準(zhǔn)備：58.7 m工程船下水前，需準(zhǔn)備一應(yīng)拉移索具及頂升工具等。

4）清除58.7 m拖輪船底“尖銳物”及垃圾（包括焊縫打磨），以免刺破氣囊。

5）沿船體中心線方向均勻布置11條長(zhǎng)15 m、直徑2m的高壓氣囊，穿引頂升氣囊布置拉移氣囊。

6）“南沙”號(hào)塢船甲板面焊拉力點(diǎn)：“南沙”號(hào)塢船上需提供兩個(gè)100 t拉力點(diǎn)。3.2.3頂升

1）調(diào)整“南沙”號(hào)船位。

在高平潮時(shí)，將“南沙”號(hào)塢船呈丁字形靠泊碼頭，拋好錨帶好纜后，精確調(diào)整“南沙”號(hào)塢船的船位，使拉移軸線與準(zhǔn)備拉移的58.7 m工程船船體中心線相重合。

2）穿引兩組拉移和留尾滑車組。

3）布置拉移氣囊，將兩組拉移、留尾滑車組收

緊后，對(duì)拉移氣囊充氣，使每個(gè)氣囊的氣壓保持在1.0 Mpa時(shí)，即將58.7 m工程船全船緩慢頂起，逐個(gè)撤除船底的墊木，清潔、補(bǔ)漆；隨后所有氣囊一起放氣，將工程船船底距地面的高度降至0.5 m。

4）調(diào)整“南沙”號(hào)塢船浮態(tài)，鋪過渡鋼板。

調(diào)整“南沙”號(hào)塢船的浮態(tài)，使其縱橫傾為零，并保證”南沙”號(hào)塢船的甲板面與碼頭面高度差在20 cm之內(nèi)。

鋪過渡鋼板，在“南沙”號(hào)塢船中心線兩邊并排各布置7塊 6 000×2 000×25的鋼板。3.2.4工程船拉移上船

完成58.7 m工程船頂升后，將其拉移上“南沙”號(hào)塢船（見圖4）。拉移時(shí)間應(yīng)選擇在低平潮潮時(shí)，由牽引卷揚(yáng)機(jī)、留尾卷揚(yáng)機(jī)聯(lián)合動(dòng)作，使工程船緩慢滾動(dòng)、前行，通過不斷置換氣囊將工程船最終拉移上“南沙”號(hào)塢船甲板面指定位置。整個(gè)拉移過程中，塢船甲板高度要始終高于碼頭面0~20 cm。工程船拉移到位后，還應(yīng)在58.7 m工程船船底兩旁放置40 cm高的沙包墊及35 cm高的枕木，每邊布置11堆，然后才對(duì)拉移氣囊放氣，如此 58.7 m工程船就平穩(wěn)的“安坐”在事先布置的墊木和沙包墊上；抽出拉移氣囊，則順利完成58.7 m拖輪氣囊滾動(dòng)、搬運(yùn)上半潛駁（船）的整個(gè)作業(yè)過程。

以同樣的作業(yè)程序?qū)⑵溆嗳彝陷喍祭浦痢澳仙场碧?hào)塢船；塢船下潛，工程船自浮而完成拖輪下水目的。

3.2.5有關(guān)計(jì)算

— 58.7 m工程船頂升拉移氣囊的選?。?/p>

工程船下水重量按1 400 t計(jì)。氣囊采用有效工作長(zhǎng)度15 m超高壓氣囊各20條（超高壓氣囊直徑為2 m、工作壓力0.25 MPa）；按船底頂升高度0.7 m和氣囊起重高度0.7 m＋0.5 m＝1.2 m的要求進(jìn)行計(jì)算，設(shè)氣囊有效承載寬度≥1.26 m，對(duì)于有效工作長(zhǎng)度15 m的頂升氣囊，當(dāng)工作氣壓為0.25 MPa時(shí)，每條氣囊承載能力為5 887.5 kN，氣囊分布在第17號(hào)～84號(hào)肋位之間，有效布置距離為40.2 m，第17號(hào)、第84號(hào)肋位分別安放第1號(hào)和第10號(hào)氣囊，均勻分布10條氣囊，氣囊中心距4.47 m，則氣囊的受力如表4。

氣囊工作的安全系數(shù)：n＝0.116 7/0.25=2.14

拉移過程中保證有11條在船底，10條提供頂升力，拉移時(shí)將船體頂升高度降低為0.5 m，此時(shí)氣囊有效受力寬度更加增大，氣壓減小，所以可以確保安全。

— 牽引力計(jì)算：

牽引系統(tǒng)布置在半潛駁上，選用80 kN卷揚(yáng)機(jī)2臺(tái)并配320 kN四輪滑車組2套牽引系統(tǒng)。

配置時(shí)根據(jù)牽引力公式：

F=f×G

F為牽引力， f為氣囊與地面的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，取0.03，G為58.7 m工程船下水重量。故F=0.03×1 400 t=42 t ，即58.7 m工程船在平路段移運(yùn)須54 t牽引力。58.7 m工程船移動(dòng)牽引鋼絲繩采用 52 mm麻芯鋼絲繩（破斷力為135 t，折雙使用）?；喗M鋼絲繩采用19.5 mm（麻芯）。卷揚(yáng)機(jī)通過6倍率32 t四輪滑車組對(duì)58.7 m工程船進(jìn)行牽引，每臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)牽引力為80 kN（未考慮機(jī)械效率及夾角的影響），合力可達(dá)64 t；所以完全滿足平移的牽引力要求。

參考文獻(xiàn)

[1]廣州打撈局.航通公司“58.7 m拖輪”下水工程施工組織設(shè)計(jì).

[2]珠海澳新護(hù)舷氣囊有限公司.1500 t船舶氣囊下水技術(shù)方案.