整船出塢及塢內(nèi)半船起浮計算

陳繼峰 趙洪武 姜 偉

（上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203）

0 前言

船舶在船臺上或船塢內(nèi)建造到一定階段便可下水。船舶的下水方式主要分為：船臺重力機械式下水和船塢起浮式下水。近年來，對于超大型的船舶，大多在船塢內(nèi)建造，下水方式為：造好后向塢內(nèi)放水，使船浮起再拖到船塢外的水域中［1］。

在船舶起浮的過程中，船廠通常將處于建造收尾階段的整船移出船塢，騰出船塢空間，需要時調(diào)整塢內(nèi)其他半船的位置，為后面一條船的建造及出塢做準(zhǔn)備。筆者有幸參與了青島揚帆船廠205000 DWT散貨船、江蘇新?lián)P子造船廠92500 DWT散貨船、中航威海船廠92500 DWT散貨船、上海江南造船廠5100 TEU集裝箱船的起浮計算，并到現(xiàn)場親歷了整個起浮過程。實踐證明本文介紹的整船和半船塢內(nèi)起浮的分析和計算結(jié)果與實際情況基本吻合，可為船舶設(shè)計人員提供參考與技術(shù)支持。

1 整船出塢及塢內(nèi)半船起浮主要困難

整船的出塢、半船的起浮及位置調(diào)整，此過程非常復(fù)雜，涉及到船舶的浮態(tài)、穩(wěn)性、強度和生產(chǎn)工藝的完整性等一系列問題。

特別對于半船的起浮，通常半船分段面需要封板，而封板的位置和封板的尺寸需要經(jīng)過精確計算才能最終確定；半船的浮力模型根據(jù)封板情況來建立，而其靜水力數(shù)據(jù)因為結(jié)構(gòu)不完整，會發(fā)生數(shù)據(jù)突變的情況，給計算帶來一定的難度；在半船的首尾處，由于結(jié)構(gòu)的突變，常常會出現(xiàn)較大的剖面模數(shù)的變化，導(dǎo)致有較大的應(yīng)力產(chǎn)生，需要核實局部結(jié)構(gòu)是否會失效。

本文主要的分析與計算為整船的起浮計算、半船的起浮計算、起浮其他相關(guān)問題。

2 整船出塢計算

此計算過程需要船廠提供現(xiàn)階段整船的空船重量統(tǒng)計，然后結(jié)合初步設(shè)計中依據(jù)線型建立的浮力模型，進行配載，計算出一個合適的浮態(tài)給船廠參考。

2.1 出塢重量的統(tǒng)計

通常在出塢時整船仍有許多地方還處于建造階段，例如上層建筑里的舾裝部分未完工；而作為設(shè)計方的資料僅限于初步設(shè)計時預(yù)估的空船重量，因此船廠需要提供出塢時的空船重量重心統(tǒng)計數(shù)據(jù)。這一數(shù)據(jù)越詳細，設(shè)計方的計算結(jié)果與實際越接近。

2.2 浮態(tài)要求

在整船的出塢過程中通常是尾部先出塢，以免造成尾部螺旋槳或者舵等貴重設(shè)備的損傷，所以平浮或者略微首傾是較為理想的浮態(tài)。對于船舶吃水的要求，主要受限于船塢所能承受的最深吃水及船塢附近水域的水深情況。

2.3 配載的注意事項

應(yīng)在充分了解船廠的施工狀況和現(xiàn)場條件的情況后再進行配載，哪些壓載水艙能用，取決于設(shè)備狀態(tài)。通常優(yōu)先在能用的艙里選用，盡量少用壓載水艙，若計算后浮態(tài)滿足即可。如果設(shè)備均未安裝妥當(dāng)，則只能考慮使用臨時的泵來給指定艙室打壓載水。

并非所有的船東都同意對于尚未完工的半船使用壓載水艙來調(diào)整浮態(tài)。放置壓塊也是一個很好的選擇，但是對于大型船舶，壓塊的作用并不明顯。

當(dāng)空船重量重心統(tǒng)計完成，船廠對浮態(tài)的要求明確后，設(shè)計方則可根據(jù)船廠的要求展開模擬計算，具體過程可參照傳統(tǒng)的散貨船典型裝載的工況的計算過程來進行。

3 半船起浮計算

此計算過程與整船的起浮計算類似，但是鑒于半船的浮力模型隨封板情況的改變而變化，配載也會隨之進行調(diào)整，設(shè)計方通常會提供多種方案供船廠參考。

3.1 半船重量的統(tǒng)計

船廠應(yīng)盡量仔細統(tǒng)計半船的空船重量和重心位置，尤其在半船較短的時候，因為此時半船的浮態(tài)對于其重心的位置十分敏感：重心延船長方向的一點偏差，很可能造成半船浮態(tài)的大不相同。

3.2 半船浮力模型的建立

半船的浮力模型由整船在封板處切斷得到，而封板的位置通常由船廠根據(jù)施工狀態(tài)決定。通常半船的浮力模型建立好后，設(shè)計方會據(jù)此計算一個原始工況給船廠參考，以便船廠根據(jù)其具體的施工及現(xiàn)場狀態(tài)進行調(diào)整。船廠在綜合考慮半船最終的浮態(tài)、打壓載水的情況、半船首尾部分段的封板情況及半船的重量重心等情況后常常會進一步提出更加具體的要求。通常這是一個反復(fù)循環(huán)的過程。

3.3 管弄封板

船廠通常會將半船首尾部的管弄封住，因為管弄里面的管系及控制閥還有一些電氣設(shè)備是不允許浸泡在水里的。因此船廠應(yīng)重視封板的水密性，以免造成不必要的經(jīng)濟損失。

3.4 建立半船的艙室模型

通常生產(chǎn)設(shè)計分段的邊界和詳細設(shè)計時艙室的邊界不一致，在半船的首尾部，由于封板方案不同，在建立艙室模型時，需要根據(jù)實際的封板情況來確定艙室模型的邊界。

3.5 配載的注意事項

半船配載的思路與整船的處理過程類似，但是建議盡量少打壓載水。因為壓載水有以下幾個方面的限制：

1）半船的壓載水泵一般都無法使用，甚至有些半船不包含機艙分段，當(dāng)半船需要用壓載水來調(diào)整浮態(tài)時，只能借助于船塢邊的消防水泵或租用其他的泵打壓載水。

2）如果半船浮態(tài)調(diào)整所需壓載水量較大，而受限于船廠的實際情況僅能使用流量相對較小的水泵時，打水時間過長，導(dǎo)致浮態(tài)調(diào)整時間過長。

3）若壓載水為自來水，與江水或者海水相比，經(jīng)濟性較差。

4）若壓載水采用江水或者海水，則船東多數(shù)會要求起浮結(jié)束后做洗艙工作，額外的工作量既增加了船廠的經(jīng)濟負擔(dān)，也可能延誤工期。

5）當(dāng)涉及到部分裝載的壓載水艙時，須考慮起浮過程中自由液面帶來的不利影響。

6）半船的水下檢驗工作以及各艙的水密工作此時并未完全到位，現(xiàn)場需重新確認，以免某些艙室漏水，導(dǎo)致配載失效。

半船起浮計算僅能作為一種輔助計算供船廠方參考，解決方案還需根據(jù)實際情況具體分析。有時某些分段太短，浮態(tài)難以控制，船東會讓半船準(zhǔn)確定位在指定的塢墩上，然后等起浮結(jié)束后進行洗艙。

4 起浮其他相關(guān)問題

4.1 拖力計算

對于濕表面積較大的船只，船廠可能會要求設(shè)計方提供整船出塢的拖力計算，以便廠租借拖輪。此拖力可以采用經(jīng)驗公式［2］進行估算。

4.2 結(jié)構(gòu)強度校核

有些半船（如圖1）因為截面前后剖面模數(shù)的突變，會出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部失效。此時最好進行結(jié)構(gòu)有限元分析計算，若計算結(jié)果顯示強度不足，則須給予一定的加強。

圖1 分段有限元計算應(yīng)力圖

4.3 船塢等周邊環(huán)境影響

1）潮汐的影響。處于海邊的船塢，會受到不同季節(jié)潮位的影響，船廠需結(jié)合整船出塢時的浮態(tài)，事先預(yù)留吃水余量，以避免整船出塢的時候擱淺。

2）船塢的限制。船塢對吃水也有一定的限制，例如當(dāng)最深吃水不能超過10 m時，設(shè)計方計算的浮態(tài)要留有一定的余量，以防起浮時浮態(tài)不好，船底拖地受損。

4.4 相關(guān)準(zhǔn)備及應(yīng)急預(yù)案

1）船廠方應(yīng)盡量多準(zhǔn)備些壓鐵，以便臨時調(diào)整橫傾。

2）若條件允許，船廠可準(zhǔn)備一些浮筒。

3）半船首尾封板的時候，應(yīng)盡量留有余量，例如根據(jù)計算結(jié)果，封板高度為3 m，實際封板可封到4 m或者更高。

4）為避免半船漂浮起來的時候不受約束而自由飄蕩，應(yīng)準(zhǔn)備好拖纜以固定半船。

5）若半船的水尺沒有畫好，應(yīng)在首尾封板上加畫臨時水尺標(biāo)注。

6）若貨艙需要打壓載水，應(yīng)在貨艙中臨時加畫水尺標(biāo)記，以控制壓載水量。

7）當(dāng)開閘放水快到理論起浮吃水時，應(yīng)降低放水的速度，以便觀察和控制半船浮態(tài)。

8）預(yù)先準(zhǔn)備好浮力模型的靜水力數(shù)據(jù)，以便參考。

5 算例

5.1 半船起浮問題描述

本次起浮狀態(tài)：船塢內(nèi)有一個從尾部FR49+0.35到FR153-0.295的分段（以下簡稱半船），現(xiàn)計劃向塢內(nèi)注水使半船移位，以騰出船塢空間，讓新的分段進駐。

根據(jù)以上船廠方的分段劃分圖（見圖2）和設(shè)計方的半船側(cè)視圖（見圖3）的分析，如果僅封此半船的首尾部管弄，最后一個貨艙則會浸在水中，而此貨艙段內(nèi)的管弄部分可提供浮力；同樣，首部的貨艙部分也浸在水中，而其中的管弄仍可提供浮力。

圖2 半船分段劃分圖

圖3 半船側(cè)視圖

5.2 半船起浮計算步驟

對于半船的起浮計算，具體過程如下：

1）建立浮力模型。假定半船首部僅封閉管弄，在FR153-0.295處封閉，尾部也僅封閉管弄，在FR49+0.35處封閉，提供浮力的部分具體如圖4所示。

圖4 半船浮力模型示意圖

2）建立重力模型。對應(yīng)以上的浮力模型，此半船的重量包括從尾部FR49+0.35到首部FR153-0.295處的分段所包含的鋼料重量，其中管系和舾裝重量未計入。根據(jù)由船廠提供的分段重量數(shù)據(jù)（見表1）進行統(tǒng)計，總重量約為7886.66 t。

3）浮態(tài)的計算和校核。本次計算在提供原始狀態(tài)供船廠參考之余給出了另外一個建議方案。

原始狀態(tài)浮態(tài)如下：

表1 分段重量統(tǒng)計表

可以看到以上計算結(jié)果縱傾太大，因此原始浮態(tài)肯定不能作為出塢時的方案。加壓載水，把半船調(diào)整成平浮，配載方案見表2。

浮態(tài)如下：

表2 配載方案

表3 半船結(jié)構(gòu)應(yīng)力表

經(jīng)過一定量的壓載水的調(diào)整，目前的計算結(jié)果較之原始狀態(tài)有較大的可行性，封板方案簡單易于廠方操作，縱傾小浮態(tài)更容易控制，壓載水也盡量少用以方便廠方現(xiàn)場實施。此計算為理論計算，僅供船廠方參考，一切以現(xiàn)場實際情況為準(zhǔn)。

圖5 半船結(jié)構(gòu)應(yīng)力示意圖

6 結(jié)語

船舶塢內(nèi)起浮是需要綜合考慮各項因素的過程。本文僅從船舶塢內(nèi)起浮的計算角度，結(jié)合筆者的工作經(jīng)驗對這一過程進行分析，雖然結(jié)果與現(xiàn)場情況基本相符，但是設(shè)計方需與船廠方事先進行溝通與交流，根據(jù)船廠方的實際情況做好充分準(zhǔn)備。

［1］盛振邦，劉應(yīng)中.船舶原理（上）［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2003.

［2］中國船舶工業(yè)總公司.船舶實用設(shè)計手冊：舾裝分冊［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2000.