萬(wàn)噸級(jí)船舶氣囊下水研究成果

孫菊香 黃立身 趙光勝

（濟(jì)南昌林氣囊容器廠有限公司 濟(jì)南250023）

引 言

2002年，滿載排水量15 000 t、船體自重4 000 t、船體總長(zhǎng)138 m的萬(wàn)噸級(jí)油輪“舟海油28號(hào)”在浙江臺(tái)州成功使用氣囊下水，不久便陸續(xù)有2萬(wàn)至3萬(wàn)噸級(jí)的各類貨船采用氣囊下水，并且氣囊下水的船舶噸位和船舶自重不斷提高。自2008年起，55 000載重噸巴拿馬型船“VICTORIA Ⅰ”號(hào)在浙江三門下水，其后接連又有57 000載重噸、70 000載重噸的船舶下水，直至2012年出現(xiàn)82 000載重噸巴拿馬型散貨船“PRETTY MASTER”號(hào)在浙江莊吉船業(yè)有限公司下水，此時(shí)的下水質(zhì)量已達(dá)到13 000 t。下頁(yè)圖1為70 000載重噸的船舶下水圖。

上百艘萬(wàn)噸船采用氣囊下水成功，氣囊下水的噸位也越來(lái)越大，取得這些成果除工藝操作水平提高外，與以下各項(xiàng)研究成果均有密切關(guān)系。

圖1 70 000載重噸的船舶下水

1 氣 囊

氣囊承載能力的提高是實(shí)現(xiàn)萬(wàn)噸船舶下水成功的第一關(guān)鍵，從受力分析和長(zhǎng)期應(yīng)用實(shí)踐已證實(shí)纏繞型的結(jié)構(gòu)是最優(yōu)秀的，我們又從萬(wàn)噸船使用特點(diǎn)中進(jìn)一步找出氣囊制作中簾子布的最佳纏繞角，從而提高了氣囊承載力。

萬(wàn)噸船用氣囊下水初期大多使用直徑1.5 m的氣囊，起墩時(shí)充氣壓力達(dá)到0.13 MPa，每個(gè)長(zhǎng)度為18 m的氣囊有2 500 kN承載力。如今，最新產(chǎn)品的充氣壓力已達(dá)到0.16 MPa，長(zhǎng)度也增至24 m，直徑1.5 m的氣囊在起墩時(shí)就能有4 000 kN承載力。按此推算，今后所有巴拿馬船型和其他常規(guī)型的各種貨船（即使載重量達(dá)到10萬(wàn)噸）都能用氣囊下水。從目前情況看，具有最佳纏繞角的氣囊是今后大型船舶氣囊下水用的最佳載體。

2 坡 道

氣囊在傾斜的坡道上滾動(dòng)，以區(qū)別滑道滑板的下水方式，馱載船體下水，而這種用于氣囊下水的帶有坡度的特殊地面道路則稱為“坡道”。船體建造時(shí)船臺(tái)部分地面道路也應(yīng)包括在坡道之內(nèi)，本文只討論坡道斜度、長(zhǎng)度和強(qiáng)度。

氣囊下水初期只用于內(nèi)河小船，這是由于船體輕，氣囊可以在泥地甚至草地上滾動(dòng)。第一艘采用氣囊下水的萬(wàn)噸船以及其后第一批1萬(wàn)至2萬(wàn)載重噸的船仍然是在泥地上下水。這些坡道由于經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用，已經(jīng)壓得很結(jié)實(shí)，初期尚能承載1萬(wàn)至2萬(wàn)噸級(jí)的船舶下水，但在臨近海水浸泡的區(qū)域就很危險(xiǎn)，存在不安全因素，為此我們提出，今后萬(wàn)噸船必須建鋼筋水泥混凝土下水坡道。經(jīng)過(guò)多年研究，我們已為多家船廠設(shè)計(jì)了新型適用氣囊下水的折角型坡道（由主坡道和副坡道兩部分構(gòu)成）參見圖2。

圖2 氣囊下水用的折角型坡道

船體就在主坡道上建造，其長(zhǎng)度應(yīng)達(dá)到施工要求。主坡道的坡度K1應(yīng)達(dá)到船體在解脫牽引后能自滑，但也沒有必要取過(guò)大的坡度，因?yàn)槠露燃哟?，牽引力就要求更大，容易發(fā)生事故，且船臺(tái)建造投資也更加大。

關(guān)于K1的選?。河捎诖w自滑力是自重的分力，所以自重越大、自滑力也越大。與傳統(tǒng)滑道設(shè)計(jì)相同，下水船舶自重越大，坡道的坡度應(yīng)相對(duì)較小。因此，根據(jù)近年來(lái)萬(wàn)噸級(jí)船使用情況，提出以下意見（見表1），僅供參考。

表1 主坡道坡度

主坡道的坡度確定最后還需要綜合考慮原始場(chǎng)地的地形、地貌對(duì)施工條件和投資成本的影響，以及地質(zhì)、水文、氣象條件等諸多因素，表1僅考慮船舶質(zhì)量大小引起的對(duì)牽引力的要求。

副坡道的長(zhǎng)度要求在其上能放置5個(gè)氣囊，起到相應(yīng)的承壓作用就行，所以使用直徑為1.5 m氣囊時(shí)，副坡道長(zhǎng)度一般取13～15 m，過(guò)長(zhǎng)就不起作用。

副坡道的坡度K2不能太大，否則第5個(gè)氣囊就不能起到有效作用（不受壓縮），若用直徑為1.5 m的氣囊，坡度1/10 以后就會(huì)出現(xiàn)這種情況。該坡度K2也不能太小，如果小于船體傾斜后的最大傾斜度，就會(huì)出現(xiàn)副坡道上最靠尾部的一個(gè)氣囊壓縮量大于拐點(diǎn)上氣囊的壓縮量，這樣不僅氣囊有危險(xiǎn)性，還對(duì)坡道末端造成很大壓力，容易發(fā)生事故。根據(jù)近年來(lái)的3萬(wàn)至8萬(wàn)載重噸尾機(jī)艙貨船下水計(jì)算，一般當(dāng)水位到達(dá)拐點(diǎn)時(shí)，船體最大傾斜度1/32～1/28，所以坡度應(yīng)大于1/28為宜。目前使用直徑1.5 m氣囊時(shí)，一般多數(shù)取K2=1/15～1/25。

副坡道及主坡道后半部必須用鋼筋水泥混凝土建造并有足夠的強(qiáng)度。

3 牽引力計(jì)算

氣囊下水技術(shù)推廣最初10年間，由牽引失敗而造成的事故占?xì)饽蚁滤鹿手?，而且其危害性大，隨著萬(wàn)噸級(jí)船舶自重增加，牽引力的要求就更大，所以更應(yīng)重視牽引力的計(jì)算。牽引力F推薦按下式計(jì)算：

式中：F為牽引力/kN；W為船舶自重/kN；α為船舶龍骨傾角/（o）；μ為氣囊滾動(dòng)阻力系數(shù)；k1為安全系數(shù)（k1=1.5～2.0），目前多數(shù)取2；k2為船舶氣囊下水工藝操作影響系數(shù)，與氣囊充氣壓力、擺放平行度等有關(guān)。

上式中的氣囊滾動(dòng)阻力系數(shù)至今尚無(wú)準(zhǔn)確的計(jì)算方法。在小型船計(jì)算時(shí)，從安全角度考慮，可以不計(jì)算此值，但若大型船也如此做則會(huì)造成誤差太大。為解決這一難題，故對(duì)多艘萬(wàn)噸船在不同坡度的坡道上下水時(shí)是否能自滑進(jìn)行觀察（即下達(dá)下水指令脫開牽引后船舶能否自行下滑）。若能自滑，此坡道的坡度值必定大于氣囊滾動(dòng)阻力系數(shù)。當(dāng)觀察多艘7.0萬(wàn)噸和5.7萬(wàn)噸等巴拿馬型船在主坡道1.2/100～1.25/100的坡道上下水時(shí)發(fā)現(xiàn)，其中的多數(shù)均不能自滑，但這些船在坡度1.3/100坡道上下水時(shí)則全部能自滑，由此得知?dú)饽覞L動(dòng)阻力系數(shù)μ<1.2/100（因?yàn)橹灰幸淮文茏曰?，就說(shuō)明這一點(diǎn)，其他不能自滑者，主要是氣囊在鋪放過(guò)程中的不平行度造成）。

盡管工藝要求氣囊鋪放與船體中心線垂直，要求全部呈平行狀態(tài)，可是氣囊是柔軟的長(zhǎng)條,實(shí)際操作時(shí)很難使數(shù)十個(gè)氣囊都達(dá)到平行，必定會(huì)有誤差，所以就出現(xiàn)姊妹船在同一條1.2/100坡道上下水時(shí)不自滑的情況，這種因素被稱為操作影響系數(shù)k2。若將k2μ結(jié)合在一起，其值開始接近而小于1.2/100。為了安全以及其他未知因素，推薦k2μ= 0.006 5～0.008 5，供計(jì)算參考應(yīng)用（適用主要?dú)饽覂?nèi)壓0.13～0.16 MPa）。經(jīng)過(guò)我們?cè)诙嗨掖?jì)算中應(yīng)用，按公式計(jì)算得到的牽引力是目前常用牽引設(shè)備所能實(shí)現(xiàn)且有安全保證。

上述參考值只供下水時(shí)應(yīng)用，因?yàn)樯纤鳂I(yè)（指船舶從水中拉上岸坡）擺放氣囊更困難，很多作業(yè)在水中又與船牽引前進(jìn)同時(shí)進(jìn)行，氣囊的不平行度更大，所以上述推薦值不能應(yīng)用于氣囊上水作業(yè)中。

4 下水計(jì)算

氣囊下水工藝始于1981年，直到2002年萬(wàn)噸船開始應(yīng)用后，一直沒有下水計(jì)算方法。經(jīng)過(guò)多年試算、反復(fù)修改，終于用靜力平衡的原理與逐步近似的計(jì)算方法研發(fā)出一套氣囊下水計(jì)算方法［1，2］。

按下水過(guò)程船體承載不同，可分為三個(gè)階段：

（1）船體全部由氣囊承載。

（2）船體由氣囊和水浮力共同承載。

（3）船體全部由水浮力承載，這就是船舶靜力學(xué)中的全浮狀態(tài)。

計(jì)算方法全部按船舶靜力學(xué)方法進(jìn)行，以下只介紹第1階段和第2階段的計(jì)算方法。

任何階段任何時(shí)刻都必須達(dá)到靜力平衡，滿足以下兩式：

表2 起墩時(shí)氣囊承載力計(jì)算（D =1.5 m）

表3 船體重心到達(dá)拐點(diǎn)時(shí)氣囊承壓力計(jì)算

表4 船體浮力計(jì)算

下水計(jì)算長(zhǎng)期不能實(shí)現(xiàn)，其中有一個(gè)最關(guān)鍵的氣囊剛度沒有求出，因?yàn)槠鸲战Y(jié)束，船體自滑開始后，氣囊相對(duì)地面的位移速度僅為船體移動(dòng)速度之半，造成艉部懸空長(zhǎng)度隨著船體前移越來(lái)越長(zhǎng)，艉部從一開始就產(chǎn)生一個(gè)微小的艉傾角并逐步加大，在此運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，每個(gè)氣囊的工作高度和內(nèi)壓都在變化，所以必須先求取氣囊的剛度。我公司在通過(guò)三次壓縮性能試驗(yàn)并與浙江工業(yè)大學(xué)合作在一些實(shí)船上經(jīng)過(guò)壓力測(cè)試后，提出氣囊內(nèi)壓隨工作高度變化的計(jì)算方法：

式中：P1和H1分別為氣囊初始時(shí)（即起墩時(shí)設(shè)置的工作壓力和工作高度，見表2的數(shù)據(jù)）對(duì)應(yīng)的工作壓力和工作高度；P2和H2分別為計(jì)算行程點(diǎn)氣囊瞬時(shí)工作壓力和工作高度（計(jì)算按表3進(jìn)行）。D為氣囊直徑，m。

n=1.1～1.2。當(dāng)起始工作壓力越高，取大值；如達(dá)到＞0.13 MPa時(shí)，取1.2；當(dāng)起始?jí)毫υ?.10～0.13 MPa時(shí)，可取1.15；當(dāng)起始?jí)毫Γ?.10 MPa時(shí)，可取1.1。

我們所做的壓縮試驗(yàn)最大氣囊變形率僅70%，大于70%后的誤差較大。

以下分別取第1階段和第2階段中最典型的最重要位置作些說(shuō)明。

4.1 起墩計(jì)算

起墩計(jì)算屬第1階段，沒有水浮力，凡第1階段任何時(shí)刻都可參照表2格式計(jì)算。

起墩計(jì)算是氣囊下水中一道重要工序，即先抬起原來(lái)坐落在硬墩上的船體，撤掉墩木后再轉(zhuǎn)換到氣囊上的全過(guò)程。所有氣囊承載力要全部托起船體質(zhì)量，其平衡條件可簡(jiǎn)化為：

見過(guò)表2就能了解每個(gè)氣囊承載力及其對(duì)重心之矩的計(jì)算方法和結(jié)果。計(jì)算過(guò)程必須通過(guò)多次調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)壓值、數(shù)量、型號(hào)、間距等逐步滿足式（5）和式（6）的要求。

4.2 船舶重心到達(dá)坡道拐點(diǎn)時(shí)的計(jì)算

絕大多數(shù)常規(guī)船其重心到達(dá)折角型坡道拐點(diǎn)時(shí)，處于拐點(diǎn)附近的氣囊其內(nèi)壓和船舶內(nèi)應(yīng)力都處于最高位，這時(shí)候船體受氣囊和水浮力共同承載，屬第2階段計(jì)算，凡第2階段都可以用此方法計(jì)算。進(jìn)入第2階段，氣囊在船下的數(shù)量越來(lái)越少，船移到新位置后，其數(shù)量和位置可根椐“氣囊前移速度是船體移動(dòng)速度之半”的關(guān)系確定，參照表3格式便可計(jì)算出這部分氣囊的承載力。先假定船體傾斜度和拐點(diǎn)上的氣囊（如表3中的13號(hào)氣囊）的工作高度H13能完成表3的全部計(jì)算，然后把相同的傾斜度和工作高度H13代入表4，借助邦氏計(jì)算表就能算出水浮力和浮力對(duì)舯之矩（這個(gè)對(duì)舯之矩必須換算出對(duì)重心之矩）。為縮短反復(fù)計(jì)算的次數(shù)，首次取傾斜度和H13應(yīng)參考近似船舶的數(shù)椐，傾斜度也可取在主坡度與副坡度之間，一般巴拿馬型船可取0.025～0.035之間。

由表4最后一行數(shù)據(jù)得：

浮力=1.025×10.925×232.16×9.81 =25 503.61 kN（10.925 m為站距=L/20，L= 218.5 m為兩柱間長(zhǎng)）浮心距舯=10.925×（-1 165.91）/232.16=-54.86 m重心距舯=L/2-LCG=8.95 m（LCG為重心距尾柱的距離）

將表3和表4的計(jì)算結(jié)果同時(shí)代入下頁(yè)表5，要求滿足式（2）和式（3）的要求，否則要重新假設(shè)傾斜度和工作高度H13，直到滿足為止。一般都要經(jīng)過(guò)很多次計(jì)算才能近似滿足，所以這是一個(gè)逐步近似的過(guò)程，可用本原理編制程序計(jì)算后就能達(dá)到高效率。

表5 綜合計(jì)算

4.3 下水最低水位確定和氣囊強(qiáng)度的校核

計(jì)算后可獲得船底高度以及每一個(gè)氣囊新的內(nèi)壓值，一般對(duì)常規(guī)萬(wàn)噸級(jí)船當(dāng)船舶重心到達(dá)折角型坡道拐角點(diǎn)上就出現(xiàn)氣囊的工作高度最低，而內(nèi)壓最高（也可以增加其他位置，用同樣方法計(jì)算與其比較，查找有否更高的內(nèi)壓值）。只要?dú)饽业淖罡吖ぷ鲏毫Σ怀^(guò)該氣囊的使用壓力（由氣囊生產(chǎn)廠方提供），應(yīng)視為安全，這也說(shuō)明該計(jì)算水位是允許的，否則應(yīng)調(diào)節(jié)氣囊布置方案，如增加氣囊、減少氣囊間距、更換氣囊型號(hào)等，如果最終還達(dá)不到要求，就應(yīng)認(rèn)為該計(jì)算水位不適合下水，建議等待水位增加后再下水。

計(jì)算后知?dú)饽沂軌鹤钪靥幖捌淦鹗嘉恢?，?yīng)當(dāng)把最優(yōu)質(zhì)氣囊放于該起始位置。

5 結(jié) 論

如今，船舶使用氣囊下水已由初期只能下水幾十噸內(nèi)河小船發(fā)展到目前大量萬(wàn)噸級(jí)船舶（最大自重已達(dá)13 000余噸）的安全下水，這主要依托于氣囊承載力的提高以及新型的下水坡道型式和不斷進(jìn)步的氣囊下水計(jì)算方法。氣囊下水計(jì)算方法能在下水前科學(xué)地計(jì)算出下水全過(guò)程中氣囊的位移、壓力和工作高度，以及相互關(guān)系等諸多動(dòng)態(tài)技術(shù)參數(shù)，因而能對(duì)下水安全作出更準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)與評(píng)估，使氣囊下水工藝在理論上達(dá)到新的水平。只要采用這種計(jì)算方法，并嚴(yán)格按操作規(guī)程（參閱國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：船舶與海事技術(shù)——船舶用氣囊下水方法學(xué)）進(jìn)行，10萬(wàn)載重噸以內(nèi)的常規(guī)型船舶都能安全下水。

［1］ 朱珉虎，孫菊香.船舶氣囊縱向下水計(jì)算方法的研究［J］.船舶，2009（3）：39-44.

［2］ 孫菊香，徐才中，黃立身.70 000噸級(jí)船舶氣囊下水的計(jì)算與實(shí)踐［J］.造船技術(shù)：2011（3）.42-45.

［3］ 浙江工業(yè)大學(xué).關(guān)于氣囊剛度的研究報(bào)告［R］.2007.6.

［4］ 孫菊香，朱珉虎.走出一條船舶柔性下水的新路［J］.船舶，2013（5）：81-84.