某2 750TEU集裝箱船利用半潛駁進(jìn)行下水的分析及計(jì)算

田利華，鄭志華，李 爽，潘均發(fā)

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 511458）

1 前言

目前大型船舶的下水，一般采用兩種方法：一種是在干船塢內(nèi)建造的船舶和海工平臺(tái)，出塢前在船塢內(nèi)放水直至船舶和海工平臺(tái)起浮到一定安全高度后，打開塢門利用拖船將船舶從船塢拖至碼頭；另一種是在水平船臺(tái)建造的大型船舶和海洋平臺(tái)，一般采用若干臺(tái)液壓頂升小車將船舶頂起沿軌道轉(zhuǎn)移至半潛駁，半潛駁注入壓載水實(shí)現(xiàn)船舶起浮。但在一些船廠，船臺(tái)設(shè)計(jì)主要定位于建造海工平臺(tái)，如鉆井平臺(tái)、居住平臺(tái)及風(fēng)電安裝平臺(tái)等，這類平臺(tái)的外底水平區(qū)域大，一般只設(shè)置了兩組間距十幾米的小車軌道，但在實(shí)際建造時(shí)由于塢期安排的問題，部分商貨船例如集裝箱船也要在這種水平船臺(tái)上建造，由于集裝箱船的艏艉線型瘦削，不能在船底布置數(shù)量足夠多的液壓小車進(jìn)行過駁轉(zhuǎn)運(yùn)，因此下水時(shí)船底外板受力較大，在過駁下水前需要對(duì)下水方案進(jìn)行相關(guān)的分析計(jì)算才能確保下水過程的順利進(jìn)行。

本文主要分析了某2 750 TEU 集裝箱船利用半潛駁進(jìn)行下水。該船在船廠的水平船臺(tái)建造，水平船臺(tái)只設(shè)置了組條間距為14 m 的軌道，船布置在兩組軌道中心位置，在下水時(shí)使用84 臺(tái)液壓移船小車將船頂起再轉(zhuǎn)移到半潛駁上。這樣，一方面由于集裝箱船中部平底區(qū)域面積非常有限，能直接布置在水平船底的小車數(shù)量受到了限制；另一方面，集裝箱船的艏艉線型瘦削，首尾部分無法直接布置液壓小車及鋼支架，船底外板的受力面積非常有限，需要在首尾部采用滑道梁進(jìn)行支撐，因此首尾部的船體外板所受壓力較大，操作不當(dāng)容易造成外板變形；此外，將船移動(dòng)到半潛駁上進(jìn)行下潛作業(yè)前，需考慮船起浮時(shí)的浮態(tài)，由于受港池水深及半潛駁下潛能力的限制，船起浮時(shí)艏艉吃水差被限制在一定范圍內(nèi)，艏艉吃水差不能過大。為了調(diào)整船的縱傾，需要在船的首部壓載艙打入一定壓載水，這在一定程度上增加了船底結(jié)構(gòu)的壓力。綜上所述，在水平船臺(tái)移船之前，應(yīng)分析船底結(jié)構(gòu)受力以及打入壓載水后船底結(jié)構(gòu)受力，若打入壓載水后船底結(jié)構(gòu)受力超過許用應(yīng)力，則要考慮在下潛過程中打入壓載水的時(shí)機(jī)，即當(dāng)船產(chǎn)生一定浮力后再打入壓載水，以減小船底結(jié)構(gòu)的受力。

2 下水前液壓小車布置及船舶受力分析

2.1 移船小車布置

該集裝箱船的空船重量約為11 817 t，下水方案共布置500 t 鋼支架24 個(gè)，如圖1 所示；鋼支架主要布置在中部平直外底區(qū)域，每個(gè)鋼支架下面布置兩臺(tái)250 t 液壓小車，組成500 t 組合車，小車通過500 t 鋼支架支撐平直船底外板，如圖2 所示；過渡區(qū)域液壓小車布置，如圖3 所示；首部區(qū)域布置400 t 滑道梁8 根，尾部區(qū)域布置400 t 滑道梁10 根，艏艉部液壓小車直接頂在鋼梁上，在鋼支架和滑道梁相應(yīng)位置布置250 t移船小車共計(jì)84 臺(tái)，如圖4、圖5 所示。

圖1 移船小車布置俯視圖

圖2 中部液壓小車布置

圖3 過渡區(qū)域液壓小車布置

圖4 艏部液壓小車布置

圖5 艉部液壓小車布置

2.2 移船小車承載力計(jì)算

液壓移船小車具有自動(dòng)均載功能，可以保證運(yùn)輸船舶過駁時(shí)各臺(tái)小車平均分擔(dān)因路況變化導(dǎo)致的載荷變化，防止局部小車載荷出現(xiàn)大幅變化，有效避免船舶因受力不均導(dǎo)致變形的情況；使用移船小車運(yùn)輸時(shí)，一般將所有小車分成左右對(duì)稱的四大組，每個(gè)大組內(nèi)的小車通過程序控制，使其載荷相同且在運(yùn)輸過程中載荷不變，從而實(shí)現(xiàn)均載功能；在實(shí)際下水操作時(shí)，將所有移船小車根據(jù)船的重量重心分成前、中左、中右、后共4 個(gè)大組，各大組內(nèi)的移船小車通過外接串聯(lián)油管聯(lián)通，保證大組內(nèi)的小車承載力一致。按照布置圖，對(duì)小車承載力分組計(jì)算結(jié)果如表1 所示，滿足要求。

表1 單臺(tái)液壓小車承載力

2.3 船體結(jié)構(gòu)受力計(jì)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，采用84 臺(tái)移船小車可以滿足移船需求，船底結(jié)構(gòu)受力滿足要求。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)平行中體A5 區(qū)域的外板及縱骨應(yīng)力雖未超過許用應(yīng)力，但已經(jīng)非常接近許用應(yīng)力，如果在移船之前或移船到半潛駁下潛前在壓載艙艙內(nèi)打入壓載水，很有可能會(huì)使部分區(qū)域超過許用應(yīng)力而造成船體外板塑性變形，因此如果在船艙內(nèi)需要打入壓載水，合適的時(shí)機(jī)應(yīng)選在船下潛入水一定深度產(chǎn)生浮力時(shí)再進(jìn)行打入壓載水作業(yè)，可有效避免船底結(jié)構(gòu)變形的情況。

3 下潛浮態(tài)分析

船轉(zhuǎn)移至半潛駁后，選擇在港池內(nèi)進(jìn)行下潛作業(yè)。因港池內(nèi)的水深只有11 m，而下潛作業(yè)需要的水深需要大于半潛駁的最大沉深16.8 m，因此需要在港池內(nèi)挖5 m 的沉坑，再借助2 m 以上的潮高，即達(dá)到18 m 的水深以滿足下潛安全水深的要求。半潛駁的最大沉深 d=16.8 m，承載甲板型深 D=8.8 m，船裝駁后基線距離半潛駁承載甲板約 3.4 m，則船起浮吃水要求T≤d-D-3.4=4.6 m。從圖6 下潛示意圖，可以得出船最終起浮的狀態(tài)，艏艉最大吃水不得超過4.6 m。

圖6 下潛示意圖

表2 為船的浮態(tài)計(jì)算結(jié)果。

表2 集裝箱船浮態(tài)計(jì)算結(jié)果

由表2 可以看出：在沒有打入壓載水的情況下，船存在嚴(yán)重的尾傾情況，尾吃水達(dá)到了5.9 m，大于起浮吃水極限的4.6 m，因此必須在首部打入一定壓載水以調(diào)整船舶起浮的浮態(tài)，實(shí)際操作時(shí)在船首部的7 個(gè)壓載艙打入了2 206 t 壓載水以調(diào)整船舶浮態(tài)，調(diào)整后的船舶浮態(tài)為尾部最大吃水4.3 m，小于極限4.6 m，滿足起浮對(duì)船吃水限制的要求。

4 下潛過程中打入壓載水的時(shí)機(jī)

由于船舶下水后的最大吃水被限制在4.6 m，船艏需要打入2 206 t 壓載水調(diào)整船舶浮態(tài)；根據(jù)上面計(jì)算，船舶在水平船臺(tái)移船過程中已經(jīng)有局部船體外板及內(nèi)部結(jié)構(gòu)接近屈服極限，因此在移船前打入壓載水有可能導(dǎo)致在移船過程中由于局部應(yīng)力過大而造成船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性變形，存在較大風(fēng)險(xiǎn)；而選擇在船舶下潛到一定深度，當(dāng)船產(chǎn)生一定浮力后再打入壓載水會(huì)極大減小船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。在半潛駁不斷下潛，船底板開始入水到船下潛到一定深度，船首部達(dá)到將浮而未浮狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)之前某一個(gè)吃水狀態(tài)時(shí)打入壓載水是滿足要求的，因此需要找到這個(gè)臨界狀態(tài)作為在下潛過程中打入壓載水的依據(jù)。

從圖7 可以看出：當(dāng)船首部達(dá)到將浮未浮狀態(tài)時(shí)，船首部外板的受力為0，僅尾部最后一個(gè)鋼梁受力F1；當(dāng)重力矩與浮力矩相等時(shí)，即GxL2=F2xL1 時(shí)，查邦金曲線可得圖8。

圖7 首部即將起浮時(shí)集裝箱船受力

圖8 下潛過程重力矩及浮力矩變化情況

從圖8 可以看出：當(dāng)船舶吃水在2.8 m 的情況下，船首部達(dá)到將浮未浮的狀態(tài)，此時(shí)船的浮力已經(jīng)達(dá)到了約9 200 t，遠(yuǎn)超首部所加壓載水的重量2 206 t。在實(shí)際操作過程中，為了防止因各種因素所產(chǎn)生的誤差，一般選擇在臨界值之前進(jìn)行打入壓載水，當(dāng)吃水2 m時(shí)船的浮力已經(jīng)達(dá)到了6 351 t，因此在實(shí)際操作時(shí)采用了船吃水2 m 時(shí)半潛駁停止下潛，開始往預(yù)定壓載艙打入壓載水，待壓載水完成后半潛駁再繼續(xù)下潛直至整船起浮。

5 結(jié)論

通過上述分析及實(shí)際操作，在集裝箱船下水后對(duì)整船外底板進(jìn)行了水下檢查，沒有發(fā)現(xiàn)船外板產(chǎn)生變形情況。后續(xù)船如有類似水平船臺(tái)只有兩條軌道，在利用半潛駁在限制水深進(jìn)行下水時(shí)，首先需考慮半潛駁最大下潛深度及港池內(nèi)的水深情況，當(dāng)水深不足時(shí)可以在下潛位置開挖一定尺寸的沉坑，使沉坑位置的水深大于半潛駁的最大下潛深度；此外，下水前需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，為了減小船底結(jié)構(gòu)受力，一般需在船有一定吃水時(shí)再加入壓載水調(diào)整船起浮時(shí)的浮態(tài)，確保船底結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生變形。