還具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/div>
關(guān)鍵詞 船舶 氣囊下水 計(jì)算 安全措施
一、概述
船舶氣囊下水是具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新技術(shù)。因具有省投資、無污染、機(jī)動(dòng)
靈活、安全可靠、綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著、更低碳環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，近年來發(fā)展很快。
浙江正和造船有限公司自 2008 年以來，已經(jīng)使用氣囊實(shí)現(xiàn)了包括 57,000 噸散貨船、 33,000 噸散貨船、27,000 噸運(yùn)木散貨船、8,000 立方米運(yùn)木船等多條船舶的順利下水。
2010 年初，根據(jù)手持訂單情況，公司提出 70,000 噸散貨船也使用氣囊下水技術(shù)。
按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定， 下水重量大于 5,000 噸的船舶， 氣囊下水前應(yīng)提供可行性報(bào) 告， 評(píng)估該船臺(tái)能否適應(yīng)這類噸位的船舶氣囊下水， 同時(shí)對(duì)船舶及氣囊在整個(gè)下水過程
的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，因此必須對(duì)氣囊下水過程進(jìn)行計(jì)算。
船舶氣囊下水過程計(jì)算， 通常包含的主要內(nèi)容有： 船舶在坡道上產(chǎn)生的下滑力及鋼 絲繩的牽引力； 下水需要的氣囊數(shù)量和布置方案； 每只氣囊的承載力以及對(duì)船舶重心之 矩的總和； 下水過程船舶入水部分的浮力； 船舶行程中承載力變化時(shí)氣囊可能產(chǎn)生的最
大內(nèi)壓；并據(jù)此驗(yàn)證氣囊強(qiáng)度，必要時(shí)應(yīng)根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)校核船板應(yīng)力。
濟(jì)南昌林氣囊容器廠有限公司在多年的實(shí)踐中， 總結(jié)出以理論研究結(jié)果為依據(jù)， 輔 以經(jīng)驗(yàn)公式的一套計(jì)算方法： 基于氣囊的承載力等作用在船體上的所有外力， 在下水過 程中的每個(gè)階段均達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡， 根據(jù)某一具體的船舶下水重量、重心位置、船底線型， 綜合考慮下水坡道坡度， 水位高低等一系列參數(shù)變化對(duì)下水過程的影響， 對(duì)下水過程的 主要階段進(jìn)行計(jì)算， 得出每只氣囊在船舶下水過程中各個(gè)位置的內(nèi)壓和承載力數(shù)值。如
果計(jì)算得出的各項(xiàng)數(shù)值均在許可范圍內(nèi)， 則可以認(rèn)為船舶在該船臺(tái)上利用氣囊下水是安
全的，否則需要對(duì)該船臺(tái)進(jìn)行改造，并修改下水方案，重新計(jì)算。
二、計(jì)算要素
1、船舶與船臺(tái)
船舶總長 LOA
型 寬 B
型 深 D
設(shè)計(jì)吃水 T
重心縱向位置 LCG
船舶在船臺(tái)上的位置如圖 1 所示。
222.00m
32.26m
18.00m
11.30m
97.00m
[attach]9059[/attach]
圖 1 70,000 噸船臺(tái)及下水坡道
2、氣囊內(nèi)壓和承載力
要保證船舶安全下水，氣囊能否承受所受到的壓力無疑是最重要的要素。
船舶整個(gè)下水過程中， 在兩個(gè)環(huán)節(jié)上需要?dú)饽页休d力作保證， 一是在起墩過程， 二
是在船舶脫開牽引后直至在水中全浮的過程，即船舶由船臺(tái)進(jìn)入水中的過程。
由船舶起墩作業(yè)計(jì)算得出的氣囊承載力總和應(yīng)大于船舶下水重量， 該船設(shè)計(jì)自重為 12,200 噸,加上下水時(shí)的配載， 船舶下水重量大約為 13,000 噸。同時(shí)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定， 為 保證起墩時(shí)船舶的穩(wěn)定， 應(yīng)計(jì)算每只氣囊承載力對(duì)船舶重心之矩的總和， 小于船舶下水
重量乘以兩柱間長的 1% 。
起墩時(shí)氣囊數(shù)量按公式（1）計(jì)算：
N = K1 [attach]9061[/attach] ………………… (1)
式中： N——?dú)饽业臄?shù)量； K1——系數(shù)， K1 ≥1.2；Q ——船舶下水時(shí)的重量 （t）； g ——重力加速度 （m/s2）；Cb——船舶方形系數(shù)； R——每米氣囊允許的承載力（kN/m）；
Ld——在船舶舯剖面處氣囊囊體與船舶接觸長度（m）。
按公式（1） 計(jì)算氣囊需要數(shù)量， 根據(jù)船舶有關(guān)參數(shù)排列氣囊， 進(jìn)行起墩姿態(tài)氣囊
承載力計(jì)算，得出所有氣囊的承載力以及對(duì)船舶重心之矩。
限于篇幅，本文只提供船舶重心位置附近氣囊承載力計(jì)算表，詳見表1。
表 1 起墩時(shí)船舶重心位置附近氣囊承載力
| 所處 肋骨號(hào) | 工作長度 （m） | 距重心位置 （m） | 工作高度 （m） | 氣囊內(nèi)壓 （Mpa） | 承載力 （t） | |
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計(jì)算表明，全部選取現(xiàn)有常規(guī)氣囊，所有氣囊按出廠壓力充氣，總承載力可以達(dá)到 13,700 噸， 大于船舶下水重量， 能將船體抬升完成起墩任務(wù)。所有氣囊的承載力對(duì)船舶 重心之矩的總和為 1611 t*m，大大小于船舶下水重量乘以兩柱間長的 1%，船舶有足夠
的穩(wěn)定性，所以起墩過程是安全的。
船舶下水作業(yè)剛開始時(shí)，船體的重量分布在全部氣囊上。
當(dāng)船舶脫開牽引后， 船舶的下滑力推動(dòng)氣囊向水邊滾動(dòng)， 帶動(dòng)船體向水邊移動(dòng)。隨 著滑程增大， 艏部的氣囊滾出， 艉部船體的一部分入水， 直至在水中全浮。在整個(gè)過程
中，氣囊的壓縮變形率、承載力和船體浮力、縱傾角等都在不斷改變。
在船舶移動(dòng)過程中， 由于氣囊軸線相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)速度與船體相對(duì)于地面運(yùn)動(dòng)速 度是不同的， 因此需要通過計(jì)算找出船舶重心位置移到船臺(tái)末端時(shí)， 處于船舶重心位置
下面的氣囊的編號(hào)，并求出該氣囊的工作高度及承載力。
計(jì)算得出，當(dāng)船舶重心移到船臺(tái)末端時(shí)，編號(hào)為 12 號(hào)的氣囊也滾動(dòng)到船臺(tái)末端，
處于船舶重心下面。
一般情況下，當(dāng)艉部入水部分產(chǎn)生的浮力不足以抵消艏部滾出船體氣囊的承載力 時(shí)， 船舶的縱傾角會(huì)發(fā)生變化， 船舶重心位置下面的氣囊承載力會(huì)變大， 其最大承載力
在船舶重心位置移到船臺(tái)末端時(shí)發(fā)生。通過計(jì)算可以得出仍然位于船底的氣囊產(chǎn)生的承
載力及內(nèi)壓。這時(shí)船體重量由浮力和船舶前部的氣囊支反力平衡。
船體入水時(shí)的受力情況見圖 2 。
[attach]9060[/attach]
圖 2 船體入水受力圖
同樣為限于篇幅， 本文只提供船舶在下水過程中， 當(dāng)船舶重心到船臺(tái)末端時(shí)， 船舶
重心位置附近的氣囊內(nèi)壓與承載力，詳見表 2。
表 2 船舶重心移到船臺(tái)末端時(shí)重心位置附近氣囊承載力
| 所處 肋骨號(hào) | 工作長度 （m） | 距重心位置 （m） | 工作高度 （m） | 氣囊內(nèi)壓 （Mpa） | 承載力 （t） | |
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根據(jù)計(jì)算可知，船舶下水過程中，所有氣囊的瞬時(shí)增值都在允許范圍內(nèi)。正和造船 的船臺(tái)經(jīng)過改造，增加了副坡道水中延伸部分的長度，當(dāng)編號(hào)為 12 號(hào)的氣囊到達(dá)船臺(tái) 末端時(shí)， 位于副坡道上的 7#—11#氣囊仍然對(duì)船體起支承作用， 能產(chǎn)生兩個(gè)有利影響： 一
是可以減輕 12 號(hào)氣囊的內(nèi)壓力；二是有效減小艉彎力矩，為船體下水安全提供保障。
3、水位及船體入水部分浮力
船舶氣囊下水時(shí)， 船臺(tái)末端水位的高低， 是決定此次下水成敗的重要因素。為 70,000
噸船舶氣囊下水作準(zhǔn)備工作，我們需詳細(xì)了解氣囊下水船臺(tái)所處地理位置的潮汐情況。
浙江正和造船有限公司位于舟山定海港西北方的冊(cè)子島北端， 與定海港的直線距離
約為 20km（見圖 3 ）。
我們觀察了正和造船氣囊下水船臺(tái)的潮位， 其潮汐發(fā)生的時(shí)間與水位高度基本上可 以參考定海港的潮汐表， 但又與定海港有所差別?？紤]到需要每次大潮都要有船舶氣囊
下水機(jī)會(huì)，確定以定海港的次高潮位作為氣囊下水時(shí)水位的計(jì)算依據(jù)。
[attach]9062[/attach]
圖 3 正和造船所處位置
船舶下水時(shí)的水位高度直接影響到船體入水部分的浮力。計(jì)算時(shí)根據(jù)船舶滑行距離 和傾角得出船體的尾吃水， 查船舶邦戎?jǐn)?shù)據(jù)表， 求得船舶入水部分的體積， 再乘以水的
密度即為船體入水部分的浮力。
計(jì)算得出浮力：Fc=2874.66t (計(jì)算過程略) 。
忽略水對(duì)船體的粘性阻力、氣囊滾動(dòng)阻力等的影響， 浮力加氣囊支承力之和等于船
舶重力，見表 3。
表 3 船舶重心到達(dá)船臺(tái)末端時(shí)船舶受力綜合計(jì)算表
4、牽引力
船舶在下水坡道上受力見圖 4。
如果不考慮移船，系船鋼絲繩的牽引力等于船舶下滑力：
F = Q . g .sinc 一 μ .Q . g . cosc （2）
式中：F——牽引力（kN）； Q ——船舶的下水重量(t)； g ——重力加速度（m/s2）；
α——船舶傾角（大型船舶下水時(shí)船舶傾角一般等于下水坡道坡度）（0）； μ——?dú)饽覞L
動(dòng)阻力系數(shù)（其數(shù)值由坡道坡度、地面質(zhì)材、氣囊充氣壓力大小以及氣囊擺放等因素有
關(guān)）。
[attach]9063[/attach]
圖 4 船舶在下水坡道上受力分析
在正和船臺(tái)上，已經(jīng)用氣囊順利下水了 33,000 載重噸和 57,000 載重噸船舶，積累 了技術(shù)數(shù)據(jù)和獲得了下水經(jīng)驗(yàn)， 在 70,000 載重噸船舶氣囊下水的計(jì)算中， 我們適當(dāng)采用
了這部分?jǐn)?shù)據(jù)作為計(jì)算依據(jù)。
把有關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（2）計(jì)算得到：
F =988 kN 。
三、下水操作及安全保障措施
船舶氣囊下水， 特別是大型船舶的氣囊下水， 特別需要注意在整個(gè)下水過程中， 不 允許船體受到任何損害， 因此，船舶下水操作的安全保障措施除了常規(guī)的保證牽引安全、
氣囊安全、下水環(huán)境人員安全等措施外，還應(yīng)該注意船體在下水過程的受力情況。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果， 我們?cè)谠摯南滤桨钢校?從氣囊選擇、氣囊排列、內(nèi)壓調(diào)整等方
面增加了安全保障措施。
1、下水方案
（1） 氣囊選擇
船舶下水過程中， 當(dāng)船舶重心到達(dá)船臺(tái)末端時(shí)， 部分氣囊有瞬時(shí)增加值。從計(jì)算結(jié) 果看， 編號(hào)為 12 號(hào)的氣囊瞬時(shí)內(nèi)壓達(dá) 0.29Mpa ,超過了普通氣囊的額定工作壓力， 濟(jì)南 昌林氣囊容器廠有限公司提供的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（見表 4 ）顯示，型號(hào)為 CLⅦ 的 新 型 氣囊 在承重時(shí)，隨著壓縮變形率的增大其允許內(nèi)壓也增加。同時(shí)由于船舶下水重量的增大，
氣囊允許承載力也必須隨之加大，所以我們?cè)诰幪?hào)為 12 號(hào)及其相鄰位置的部分氣囊，
選擇有效長度為 24 米的昌林公司特制 CLⅦ 型 新型氣囊。
表 4 氣囊性能參數(shù)表（濟(jì)南昌林氣囊容器廠有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）
| 氣囊直徑 （m） | 額定工作壓力 （kPa） | 單位長度承載力 （kN/m） | 壓縮變形率達(dá)70%時(shí) 允許的最大內(nèi)壓 （kPa） |
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注：單位長度承載力是指壓縮變形率達(dá)70% 、內(nèi)壓為額定工作壓力Pe 值時(shí)每米有效長度氣囊的承載力。
（2）氣囊布置
圖5表示了該船起墩時(shí)的氣囊排列。
在下水過程有可能影響船體受力情況的區(qū)域，我們適當(dāng)?shù)販p小了氣囊排列間距。
[attach]9064[/attach]
圖 5 70000 噸下水氣囊布置示意圖
船舶正常起墩并穩(wěn)定后，為使船舶在下水過程中受力均衡、下水穩(wěn)定，還需要對(duì)部 分位置的氣囊內(nèi)壓進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)本船的計(jì)算結(jié)果，我們對(duì)編號(hào)為 12 號(hào)位置及其前后
相鄰部分氣囊的內(nèi)壓，適當(dāng)進(jìn)行了調(diào)整。實(shí)踐證明，經(jīng)過這樣的調(diào)整，效果良好。
（3）牽引系統(tǒng)
從氣囊下水安全角度出發(fā)， 船舶在起墩及入水的全過程都必須是可控的。因此， 牽 引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)留有充分的安全儲(chǔ)備， 換句話說， 一旦出現(xiàn)部分失效的狀況， 整個(gè)牽引
系統(tǒng)仍然能保證拉住船舶。
本船在 1.36%的坡道下水， 計(jì)算結(jié)果顯示下滑力較大， 為增加安全系數(shù)， 用三臺(tái)卷
揚(yáng)機(jī)牽引。
牽引系統(tǒng)包括卷揚(yáng)機(jī)、鋼絲繩、滑輪組及其附件均滿足牽引力要求。 2、下水操作
按照預(yù)定的下水操作方案進(jìn)行船舶下水作業(yè)。
2010年12月3日上午9:15， 水位到達(dá)預(yù)定高度， 割斷牽引鋼絲繩， 2分鐘后船舶平穩(wěn)
入水全浮。首例70,000載重噸船舶氣囊下水獲得了成功。
[attach]9065[/attach]
圖6 船舶入水情況
四、結(jié)語
為了驗(yàn)證氣囊下水過程中船板所受應(yīng)力是否在允許范圍內(nèi)， 對(duì)該70,000載重噸船舶 下水時(shí)底板和甲板的局部應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量結(jié)果顯示， 船舶下水過程船板受力正常，
船體在整個(gè)下水過程完好無損。
從該船氣囊下水前的準(zhǔn)備工作及下水過程中的調(diào)整看， 我們認(rèn)為： 大型船舶在下水 前進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果在下水操作中對(duì)個(gè)別部位氣囊的間距以及內(nèi)壓進(jìn)行適當(dāng)調(diào)
整是十分必要的。因此，應(yīng)該把船舶下水計(jì)算作為下水安全保障的一個(gè)重要措施。
70,000 載重噸船舶用氣囊成功下水的實(shí)踐證明， 大型船舶氣囊下水， 只要做好周密 準(zhǔn)備，嚴(yán)格操作規(guī)范，解決好船體在下水整個(gè)過程的受力均衡問題，下水安全是有保證
的，船舶氣囊下水技術(shù)還具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/div>
[attach]7420[/attach]
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