還具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/div>
關(guān)鍵詞 船舶 氣囊下水 計算 安全措施
一、概述
船舶氣囊下水是具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新技術(shù)。因具有省投資、無污染、機動
靈活、安全可靠、綜合經(jīng)濟效益顯著、更低碳環(huán)保等優(yōu)點，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)使用氣囊實現(xiàn)了包括 57,000 噸散貨船、 33,000 噸散貨船、27,000 噸運木散貨船、8,000 立方米運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)標準的規(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 告， 評估該船臺能否適應(yīng)這類噸位的船舶氣囊下水， 同時對船舶及氣囊在整個下水過程
的安全性進行評價，因此必須對氣囊下水過程進行計算。
船舶氣囊下水過程計算， 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氣囊可能產(chǎn)生的最
大內(nèi)壓；并據(jù)此驗證氣囊強度，必要時應(yīng)根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)校核船板應(yīng)力。
濟南昌林氣囊容器廠有限公司在多年的實踐中， 總結(jié)出以理論研究結(jié)果為依據(jù)， 輔 以經(jīng)驗公式的一套計算方法： 基于氣囊的承載力等作用在船體上的所有外力， 在下水過 程中的每個階段均達到動態(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)變化對下水過程的影響， 對下水過程的 主要階段進行計算， 得出每只氣囊在船舶下水過程中各個位置的內(nèi)壓和承載力數(shù)值。如
果計算得出的各項數(shù)值均在許可范圍內(nèi)， 則可以認為船舶在該船臺上利用氣囊下水是安
全的，否則需要對該船臺進行改造，并修改下水方案，重新計算。
二、計算要素
1、船舶與船臺
船舶總長 LOA
型 寬 B
型 深 D
設(shè)計吃水 T
重心縱向位置 LCG
船舶在船臺上的位置如圖 1 所示。
222.00m
32.26m
18.00m
11.30m
97.00m
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圖 1 70,000 噸船臺及下水坡道
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。
船舶整個下水過程中， 在兩個環(huán)節(jié)上需要氣囊承載力作保證， 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，即船舶由船臺進入水中的過程。
由船舶起墩作業(yè)計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)計自重為 12,200 噸,加上下水時的配載， 船舶下水重量大約為 13,000 噸。同時按照標準規(guī)定， 為 保證起墩時船舶的穩(wěn)定， 應(yīng)計算每只氣囊承載力對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% 。
起墩時氣囊數(shù)量按公式（1）計算：
N = K1 [attach]9061[/attach] ………………… (1)
式中： N——氣囊的數(shù)量； K1——系數(shù)， K1 ≥1.2；Q ——船舶下水時的重量 （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） 計算氣囊需要數(shù)量， 根據(jù)船舶有關(guān)參數(shù)排列氣囊， 進行起墩姿態(tài)氣囊
承載力計算，得出所有氣囊的承載力以及對船舶重心之矩。
限于篇幅，本文只提供船舶重心位置附近氣囊承載力計算表，詳見表1。
表 1 起墩時船舶重心位置附近氣囊承載力
| 所處 肋骨號 | 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，船體的重量分布在全部氣囊上。
當船舶脫開牽引后， 船舶的下滑力推動氣囊向水邊滾動， 帶動船體向水邊移動。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。
在船舶移動過程中， 由于氣囊軸線相對于地面的運動速度與船體相對于地面運動速 度是不同的， 因此需要通過計算找出船舶重心位置移到船臺末端時， 處于船舶重心位置
下面的氣囊的編號，并求出該氣囊的工作高度及承載力。
計算得出，當船舶重心移到船臺末端時，編號為 12 號的氣囊也滾動到船臺末端，
處于船舶重心下面。
一般情況下，當艉部入水部分產(chǎn)生的浮力不足以抵消艏部滾出船體氣囊的承載力 時， 船舶的縱傾角會發(fā)生變化， 船舶重心位置下面的氣囊承載力會變大， 其最大承載力
在船舶重心位置移到船臺末端時發(fā)生。通過計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。
船體入水時的受力情況見圖 2 。
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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， 當船舶重心到船臺末端時， 船舶
重心位置附近的氣囊內(nèi)壓與承載力，詳見表 2。
表 2 船舶重心移到船臺末端時重心位置附近氣囊承載力
| 所處 肋骨號 | 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)計算可知，船舶下水過程中，所有氣囊的瞬時增值都在允許范圍內(nèi)。正和造船 的船臺經(jīng)過改造，增加了副坡道水中延伸部分的長度，當編號為 12 號的氣囊到達船臺 末端時， 位于副坡道上的 7#—11#氣囊仍然對船體起支承作用， 能產(chǎn)生兩個有利影響： 一
是可以減輕 12 號氣囊的內(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， 船臺末端水位的高低， 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備工作，我們需詳細了解氣囊下水船臺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的潮位， 其潮汐發(fā)生的時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
下水機會，確定以定海港的次高潮位作為氣囊下水時水位的計算依據(jù)。
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圖 3 正和造船所處位置
船舶下水時的水位高度直接影響到船體入水部分的浮力。計算時根據(jù)船舶滑行距離 和傾角得出船體的尾吃水， 查船舶邦戎數(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。
計算得出浮力：Fc=2874.66t (計算過程略) 。
忽略水對船體的粘性阻力、氣囊滾動阻力等的影響， 浮力加氣囊支承力之和等于船
舶重力，見表 3。
表 3 船舶重心到達船臺末端時船舶受力綜合計算表
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（大型船舶下水時船舶傾角一般等于下水坡道坡度）（0）； μ——氣囊滾
動阻力系數(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)）。
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圖 4 船舶在下水坡道上受力分析
在正和船臺上，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， 在 70,000 載重噸船舶氣囊下水的計算中， 我們適當采用
了這部分數(shù)據(jù)作為計算依據(jù)。
把有關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（2）計算得到：
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)計算結(jié)果， 我們在該船的下水方案中， 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， 當船舶重心到達船臺末端時， 部分氣囊有瞬時增加值。從計算結(jié) 果看， 編號為 12 號的氣囊瞬時內(nèi)壓達 0.29Mpa ,超過了普通氣囊的額定工作壓力， 濟南 昌林氣囊容器廠有限公司提供的企業(yè)標準（見表 4 ）顯示，型號為 CLⅦ 的 新 型 氣囊 在承重時，隨著壓縮變形率的增大其允許內(nèi)壓也增加。同時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，所以我們在編號為 12 號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（濟南昌林氣囊容器廠有限公司企業(yè)標準）
| 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70%時 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70% 、內(nèi)壓為額定工作壓力Pe 值時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?shù)販p小了氣囊排列間距。
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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，還需要對部 分位置的氣囊內(nèi)壓進行調(diào)整。根據(jù)本船的計算結(jié)果，我們對編號為 12 號位置及其前后
相鄰部分氣囊的內(nèi)壓，適當進行了調(diào)整。實踐證明，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)計應(yīng)留有充分的安全儲備， 換句話說， 一旦出現(xiàn)部分失效的狀況， 整個牽引
系統(tǒng)仍然能保證拉住船舶。
本船在 1.36%的坡道下水， 計算結(jié)果顯示下滑力較大， 為增加安全系數(shù)， 用三臺卷
揚機牽引。
牽引系統(tǒng)包括卷揚機、鋼絲繩、滑輪組及其附件均滿足牽引力要求。 2、下水操作
按照預定的下水操作方案進行船舶下水作業(yè)。
2010年12月3日上午9:15， 水位到達預定高度， 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。
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圖6 船舶入水情況
四、結(jié)語
為了驗證氣囊下水過程中船板所受應(yīng)力是否在允許范圍內(nèi)， 對該70,000載重噸船舶 下水時底板和甲板的局部應(yīng)力進行了測量。測量結(jié)果顯示， 船舶下水過程船板受力正常，
船體在整個下水過程完好無損。
從該船氣囊下水前的準備工作及下水過程中的調(diào)整看， 我們認為： 大型船舶在下水 前進行計算，并根據(jù)計算結(jié)果在下水操作中對個別部位氣囊的間距以及內(nèi)壓進行適當調(diào)
整是十分必要的。因此，應(yīng)該把船舶下水計算作為下水安全保障的一個重要措施。
70,000 載重噸船舶用氣囊成功下水的實踐證明， 大型船舶氣囊下水， 只要做好周密 準備，嚴格操作規(guī)范，解決好船體在下水整個過程的受力均衡問題，下水安全是有保證