萬噸級船舶氣囊下水研究

孫菊香，黃立身，趙光勝(濟南昌林氣囊容器廠有限公司，山東 濟南 250023)

萬噸級船舶氣囊下水研究

孫菊香，黃立身，趙光勝
(濟南昌林氣囊容器廠有限公司，山東 濟南 250023)

氣囊下水技術(shù)是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的一項高新技術(shù)。文章基于氣囊下水存在的一系列技術(shù)問題，通過氣囊壓縮試驗、實船下水過程測試等方法的不斷探索、研究，對大型船舶下水用氣囊的結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)要求、船臺坡道參數(shù)、牽引力計算以及下水計算等方面進行了深入的研究，總結(jié)出了一套完整的計算方法。研究結(jié)果已在 70 000 DWT和82 000 DWT等船舶下水實踐過程中得到了充分的認證，從而為大型船舶的下水提供了一套技術(shù)理論支持。

萬噸級船舶；折角型坡道；氣囊下水；計算方法

2002年，總長138 m，滿載排水量15 000 t，下水時船體自身質(zhì)量4 000 t的萬噸級油輪“舟油28號”在浙江臺州用氣囊下水獲得成功。不久就有2～3萬噸級各類貨船用氣囊下水，用氣囊下水的船舶噸位和自身質(zhì)量迅速提高。2008年后，55 000 DWT巴拿馬型船“VICTORIA Ⅰ”號在浙江三門下水，其后有57 000 DWT、70 000 DWT、82 000 DWT船舶下水，下水質(zhì)量已達到13 000 t。

上百艘萬噸級船舶用氣囊下水取得成功，氣囊下水的噸位越來越大，取得這些成果除工藝操作水平提高外，與以下各項研究成果有密切關(guān)系。

1 氣囊

氣囊承載能力的提高是實現(xiàn)萬噸船舶下水成功的第一關(guān)鍵，從受力分析和長期應(yīng)用實踐已證實纏繞型的結(jié)構(gòu)是最優(yōu)秀的，我們進一步又從萬噸級船舶使用特點中找出了氣囊制作中簾子布的最佳纏繞角，提高了氣囊承載力。

萬噸級船舶用氣囊下水初期，多數(shù)采用直徑1.5 m、起墩時充氣壓力達到0.13 MPa、長度18 m、2 500 kN承載力的氣囊。到后期，如今最新產(chǎn)品已到達充氣壓力0.16 MPa、長度增加到24 m、直徑1.5 m氣囊，起墩時就能有4 000 kN承載力。

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，馱載船體下水，以區(qū)別滑道滑板的下水方式，故把這種用于氣囊下水的帶有坡度的特殊地面道路稱之“坡道”，船體建造時船臺部分地面道路也應(yīng)包括在坡道之內(nèi)，這里只討論坡道斜度、長度和強度。

氣囊下水初期只用于內(nèi)河小船，船體重量輕，氣囊可以在泥土地甚至草地上滾動。第一艘采用氣囊下水的萬噸船以及其后第一批一兩萬載重噸的船舶仍然是在泥土地上下水。由于這些坡道都經(jīng)過多次長期使用已經(jīng)壓得很結(jié)實，能承載初期一兩萬噸級的船舶下水，但在臨近海水浸泡的區(qū)域就很危險，存在不安全因素，為此我們提出今后萬噸船舶必須建鋼筋水泥混凝土下水坡道，經(jīng)過多年研究，并為多家船廠設(shè)計了新型適用氣囊下水的折角型坡道，它由主坡道和副坡道2個部分構(gòu)成，見圖1。

圖1 氣囊下水用的折角型坡道

船體就在主坡道上建造，其長度應(yīng)達到施工要求。主坡道的坡度K1應(yīng)達到船體在解脫牽引后能自滑，但也沒有必要取過大的坡度，坡度加大，牽引力就要求大，容易發(fā)生事故，船臺建造投資也加大。關(guān)于K1的選?。河捎诖w自滑力是自身質(zhì)量的分力，所以自身質(zhì)量越大自滑力也越大。與傳統(tǒng)滑道設(shè)計相同，下水船舶自身質(zhì)量越大，坡道的坡度相對較小，根據(jù)近年來萬噸級船舶使用情況，提出如下意見(見表1)，僅供參考。

表1 主坡道坡度

主坡道的坡度最后確定還需要綜合考慮原始場地的地形、地貌對施工條件、投資成本的影響，以及地質(zhì)、水文、氣象條件等諸多因素的影響，上表僅考慮船舶質(zhì)量大小引起的對牽引力的要求。

副坡道的長度，要求在其上能停放5只氣囊起到承壓作用就可以，所以用直徑1.5 m氣囊時，一般取13～15 m，過長就不起作用。

副坡道的坡度K2，首先不能太大，否則第5只氣囊就不能起到有效作用(不受壓縮)，如采用直徑1.5 m氣囊，坡度1/10 以后就出現(xiàn)這種情況。其次又不能太小，如果小于船體傾斜后的最大傾鈄度，副坡道上的氣囊就會出現(xiàn)最靠尾部一只氣囊壓縮量大于拐點上氣囊的壓縮量，在這種情況下，不但氣囊有危險性，同時還對坡道末端造成很大壓力，容易發(fā)生事故。根據(jù)近年來3萬～8萬DWT艉機艙貨船的下水計算，一般當水位到達拐點時，船體最大傾鈄度1/32～1/28，所以坡度應(yīng)大于1/28為宜，目前用直徑1.5 m氣囊時，平時多數(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度。

3 牽引力計算

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氣囊下水事故之首位，而且其危害性大。隨著萬噸級船舶自身質(zhì)量增加，牽引力就要求更大，更應(yīng)重視牽引力的計算。牽引力F推薦按式(1)計算：

F=[k1(m·sinα-k2μ·m·cosα)]a，

(1)

式中：F為牽引力，kN；m為船舶自身質(zhì)量，kg；α為船舶龍骨傾角,°；μ為氣囊滾動阻力系數(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);a為加速度，m/s2。

上式中的滾動阻力系數(shù)，至今尚無準確的計算方法，在小型船計算時，從安全角度考慮，可以不計算此值。但大型船也如此會造成誤差太大，為解決這一困難，通過觀察多艘萬噸級船舶在不同坡度的坡道上下水時是否能自滑，即下達下水指令脫開牽引后船舶能否自行下滑。能自滑時，此坡道的坡度值必定大于氣囊滾動阻力系數(shù)。觀察多艘70 000 DWT和57 000 DWT等巴拿馬型船在主坡道1.2/100～1.25/100的坡道上下水時，其中少數(shù)能自滑，多數(shù)不能自滑;當在坡度1.3/100坡道上下水時，全部能自滑。從而得知，氣囊滾動阻力系數(shù)μlt;1.2/100。因為只要有一次能自滑，就說明這一點，其它不能自滑者，主要是氣囊在鋪放過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)，由于氣囊是柔軟的長條,實際操作時要將數(shù)十條氣囊達到都平行很困難，必定有誤差，所以就出現(xiàn)相同的姊妹船在同一條1.2/100坡道上下水時不自滑的情況，將這種因素稱為操作影響系數(shù)k2。若將k2μ結(jié)合在一起，其值開始接近而小于1.2/100，為了安全以及未知的因素，推薦k2μ= 0.006 5～0.008 5，供計算參考應(yīng)用(適用主要氣囊內(nèi)壓0.13～0.16 MPa)。經(jīng)過在多艘船舶計算中應(yīng)用，按公式計算得到的牽引力是目前常用牽引設(shè)備所能夠?qū)崿F(xiàn)且有安全保證。

上述參考值只供下水時應(yīng)用，因為上水作業(yè)(指船舶從水中拉上岸坡)擺放氣囊更困難，很多作業(yè)在水中又與船舶牽引前進同時進行，氣囊的不平行度更大，所以上述推薦值不能應(yīng)用在氣囊上水作業(yè)中。

4 下水計算

船舶氣囊下水工藝從1981年開始應(yīng)用，直到2002年萬噸級船舶開始應(yīng)用后，一直沒有下水計算方法，經(jīng)過多年試算，反復(fù)修改，終于用靜力平衡的原理，逐步近似的計算方法研發(fā)出一套氣囊下水計算方法。按下水過程船體承載不同，可分為3個階段。

第1階段：船體全部由氣囊承載。

第2階段：船體由氣囊和水浮力共同承載。

第3階段：船體全部由水浮力承載，這就是船舶靜力學中的全浮狀態(tài)。

計算方法全部按船舶靜力學方法進行。以下只介紹第1,第2階段的計算方法。

任何階段任何時刻都必須達到靜力平衡，滿足以下2式：

∑Fi+FV=ma

(2)

∑Fi·Si+FV·SV=0

(3)

式中：∑Fi為計算瞬時船底下氣囊承載力總和，kN (以下用表2，表3計算)；FV為計算瞬時浸水船體浮力，kN (由表4計算)；Si為氣囊距質(zhì)心距離，m；SV為船體浸水部分浮力中心距質(zhì)心的距離，m；m為船舶質(zhì)量，kg；a為加速度，m/s2

其中船體在水中的浮力和浮心計算不論是半浮還是全浮都可以用船舶靜力學方法(如表4格式)就可計算出，不需研發(fā)新方法。而氣囊承載力計算可根椐其計算式中各要素設(shè)計成表2和表3格式就能計算出每只和全部氣囊承載力及其對質(zhì)心之矩。

下水計算長期不能突現(xiàn)，其中有一個最關(guān)鍵的氣囊剛度沒有求出，因為起墩結(jié)束，船體自滑開始后，氣囊相對地面的位移速度僅為船體之半，造成尾部懸空長度隨著船體前移越來越長，尾部從一開始就產(chǎn)生一個微小的尾傾角并逐步加大，在此運動過程中，每只氣囊的工作高度，內(nèi)壓都在變化，所以必須先求取氣囊的剛度。我公司通過3次壓縮試驗并與浙江工業(yè)大學合作在一些實船試驗后，提出氣囊內(nèi)壓隨工作高度變化的計算方法：

(4)

式中：P1、H1為氣囊初始時(即起墩時設(shè)置的工作壓力和工作高度，見表2中的數(shù)據(jù))對應(yīng)的工作壓力和工作高度；P2、H2為計算行程點氣囊工作壓力和工作高度(計算按表3/進行)；D為氣囊直徑，m；n=1.1～1.2，隨起始工作壓力越高，取較大值，如大于0.13 MPa時，取1.2，當起始壓力在0.10～0.13 MPa時，可取1.15，當起始壓力lt;0.10 MPa，可取1.1。(我們壓縮試驗最大氣囊變形率僅70%，所以大于70%后誤差較大。)

以下分別就第1，第2階段中最典型最重要的位置作說明。

4.1起墩計算

起墩計算屬第1階段，沒有水浮力，凡第1階段任何時刻都可以用表2格式計算。

起墩計算是氣囊下水中一道重要工序，即原來坐落在硬墩上的船體先抬起來，撤掉墩木后轉(zhuǎn)換到氣囊上的全過程。所有氣囊承載力要全部托起船體質(zhì)量，其平衡條件可簡化為：

ΣFi=ma,

(5)

ΣFi·Si= 0,

(6)

M1=F1×S1(kN·m)。

看過表2就能了解每只氣囊承載力及其對質(zhì)心之矩的計算方法和結(jié)果。計算過程必須通過多次調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)壓值、數(shù)量、型號、間距等逐步滿足公式(5)和(6)的要求。

表2 起墩時氣囊承載力計算(D=1.5 m)

4.2船舶質(zhì)心到達坡道拐點時的計算

絕大多數(shù)常規(guī)船其質(zhì)心到達折角型坡道拐點時，處于拐點附近的氣囊其內(nèi)壓和船舶內(nèi)應(yīng)力都處于最高位。這時船體受氣囊和水浮力共同承載，屬第2階段計算，凡第2階段都可以用此方法計算。 進入第2階段，氣囊在船下的數(shù)量越來越少，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之半的關(guān)系劃定。取表3格式可計算出這部分氣囊的承載力。先假定船體傾度和拐點上的氣囊(如表3中的13號氣囊)的工作高度H13能完成表3的全部計算，然后把相同的傾斜度和工作高度H13代入表4，借助邦氏計算表就能算出水浮力和浮力對舯之矩，但必須換算出對質(zhì)心之矩。為縮短反復(fù)計算的次數(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。

表3 船體質(zhì)心到達拐點時氣囊承壓力計算 (L行程=111.6 m;tanα=0.03;H13=0.43 m)

表4 船體浮力計算(H13=0.43 m;tanα=0.03;浸水長度LOZ=106.63 m)

浮力=1.025×10.925×232.16×9.81 =25 503.61 kN (其中10.925 m為站距=L/20，L=218.5 m為船舶兩柱間長);

浮心距舯=10.925×(-1 165.91)/232.16 =-54.86 m；

質(zhì)心距舯=8.95 m；

浮心距質(zhì)心=-54.86+8.95=-45.91 m；

浮力對質(zhì)心矩=25 503.61×(-45.91)=

-1 170 870.74 kN·m。

把表3和表4的計算結(jié)果同時代入表5，要求滿足式(5)和(6)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)過很多次計算才能近似滿足，所以這是一個逐步近似的過程，可用本原理作出程序計算后就能達到高效率。

表5 綜合計算

4.3下水最低水位確定和氣囊強度的校核

經(jīng)計算可知，船底高度以及每只氣囊新的內(nèi)壓值，一般對常規(guī)萬噸級船舶當船舶質(zhì)心到達折角型坡道拐角點上就出現(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，用同樣方法計算與其比較，查找有否更高的內(nèi)壓值)。只要氣囊的最高工作壓力不超過該氣囊的使用壓力(由氣囊生產(chǎn)廠方提供)，應(yīng)視為安全。這也說明該計算水位是允許的，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、更換氣囊型號等，如果最終還達不到要求，就應(yīng)認為該計算水位不適合下水，建議等待水位增加后再下水。

計算后可知，氣囊受壓最大處即起始位置，應(yīng)當把最優(yōu)質(zhì)氣囊放置該起始位置。

5 結(jié)束語

船舶用氣囊下水從初期只能下水幾十噸內(nèi)河小船，到目前大量萬噸級船舶(最大自身質(zhì)量已達13 000余噸)的安全下水，這一成果主要是依靠氣囊承載力的提高、新型下水坡道型式和科學的氣囊下水計算方法的不斷研究、應(yīng)用完成的。其中，氣囊下水計算方法，能科學地在下水前計算出全部下水過程中氣囊的位移、壓力、工作高度等以及相互關(guān)系等諸多動態(tài)技術(shù)參數(shù)，能對下水安全作出更準確的預(yù)報、評估，使氣囊下水工藝在理論上達到了新的水平。只要經(jīng)過這種計算，并嚴格按操作規(guī)程(參閱國際標準：船舶與海事技術(shù)——船舶用氣囊下水方法學)進行， 所有10萬DWT以內(nèi)的常規(guī)型船舶都能安全下水。

Application of air bags to launch ships is a high-new technology with independent intellectual property rights. Based on air bag compressure test and launching process measurement for full-scale ships, a series of technical solutions has been explored and developed, that is the requirements of both form of structure and performance parameters of air bag for large ship launching, the launch ramp' s parameters, the traction calculation and launching process analysis methods, etc. In this paper a complete set of calculation method is summed up. The research results have fully certificated in practice of launching ships from 70 000 DWT to 82 000 DWT, so as to give the technic and theory support for launching large ship utilizing air bags.

ten thousand tonnages class ship;ramp with break angle type;ship launch utilizing air bags;calculation method

U673

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.02.013

孫菊香(1948-)，女，山東膠南人，濟南昌林氣囊容器廠有限公司董事長，主要從事氣囊、靠球等產(chǎn)品的研發(fā)、制造與管理工作。

2015-02-03