船舶氣囊下水及下水坡道的研究分析

jimosea

近年隨著造船業(yè)的發(fā)展，船舶氣囊下水工藝得到了諸多船廠的廣泛采用。但由于與下水工藝密切相關的下水坡道的設計沒有得到足夠的重視，使得船舶下水仍然存在安全隱患。本文介紹了船舶氣囊下水工藝過程，分析了下水坡道設計中存在的問題，提出了下水坡道設計中應考慮的因素，結(jié)合工程實例闡述了坡道設計的相關要點。

【關 鍵 詞】下水工藝氣囊船臺下水坡道

一、前言

氣囊下水是一項我國獨創(chuàng)的新型下水技術,過程簡單,無需固定滑道,與傳統(tǒng)滑道下水相比,船臺制造比較簡單,建造周期短,并且沒有油脂的污染,下水以后氣囊可以收回重復使用。氣囊下水是一種新的技術,盡管已有2 萬噸級的船舶利用氣囊下水的成功案例,但因缺乏研究和行業(yè)管理,該技術沒有明確工藝和規(guī)程,主要是靠經(jīng)驗操作,事故時有發(fā)生。隨著氣囊承載力的提高,采用氣囊下水的船舶噸位愈來愈大,風險愈來愈高。應用于氣囊下水的船臺形式各異，良莠不齊，尤其是與下水工藝密切相關的坡道設計往往沒有得到足夠的重視，從而使船舶下水存在安全隱患。筆者嘗試從氣囊下水工藝開始，探討其過程和機理，淺述坡道設計的相關要點，并簡要介紹已在實踐中應用的設計實例。

二、船舶氣囊下水工藝

船舶采用氣囊下水時，先將起重氣囊充氣抬起船體，拆除船底下的墩木，船體下坐到氣囊上，在卷揚機（絞車）和纜繩的牽引下，有控制地移動船舶，或直接斷開纜繩，使船舶自由下滑，完成下水過程。

船舶氣囊下水的過程分為４個階段：①船舶下水前準備；②控制船舶下滑至水邊；③從船舶觸水至全?。虎軓拇叭〉交型Ｖ?。

其中從船舶觸水至全浮階段是船舶下水運動狀態(tài)比較復雜的階段。船舶移至水邊后，根據(jù)水域及坡道條件選擇快速入水還是繼續(xù)在絞車控制下入水是需要考慮的問題。在水域?qū)挾燃捌碌罈l件允許的前提下，可以斷開纜繩，使船舶依靠重力的作用自由滑入水中，如果初始下滑力不夠，則需要在船首采取措施推動船舶啟動。

船舶滑向水域時，如果船臺坡道因末端標高較高而有變坡設置時，船尾滑出水邊到入水之前，船舶的表現(xiàn)以懸臂外伸狀態(tài)為主。此時，船舶縱傾角在繼續(xù)微微增大，船尾末個有效氣囊的受力也在持續(xù)增加。在船體重心經(jīng)過變坡點時將出現(xiàn)稍微明顯的縱向翻傾，這個時點是氣囊受力最大也是船臺末端荷載最大的時候，故在下水方案中對單個氣囊的超載能力應有充分估計，對可能出現(xiàn)的問題要有預案。如果船臺前沿坡道的坡度較大，且標高較低，則船尾直接入水，這樣可使船體縱傾減緩，氣囊的受力分布也逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭撞看笪膊啃　?/div>

隨著船尾入水體積的增加，尾部逐漸浮起，船底入水的氣囊也陸續(xù)被釋放漂浮，直至船首離開最后一只氣囊的支撐，船的重量全部依靠浮力支承。當船尾入水開始上浮，而船首還壓在最后一個或幾個氣囊上時，氣囊將承受船體自重25%～30%的重量。

在水位變幅不大的河口及沿海一帶，多數(shù)氣囊船臺下水坡道很短，一般可不考慮控制下水，直接斷開纜繩讓船舶自由下水。與滑道船臺的下水運動狀態(tài)相比，氣囊下水由于有氣囊的緩沖作用，不會因為船舶 “尾彎 ”或“尾浮 ”狀態(tài)使船中或船首底部集中受力過度而受損，而且船舶全浮前通常船首下面都是密集的氣囊，一般不會因為 “首跌落”而受損，因此，可以說氣囊下水過程比滑道下水更安全可靠。

三、下水坡道設計

下水坡道是采用氣囊下水的重要組成部分，廣義的下水坡道包括船臺及前沿伸入水底的坡道，狹義的下水坡道僅指船臺前沿至水底部分。由于船臺的設計類同于滑道船臺，有可參照的規(guī)范和比較充分的理論研究，本文主要探討的是船臺前沿的下水坡道。

（１）下水水位。相比滑道下水方式而言，采用氣囊滾動下水工藝的船臺，由于存在氣囊的柔性且下水坡道可延續(xù)到河床或海底，故對下水水位的要求并不嚴格。但下水時流速太大會影響安全，且水下坡道過長既不經(jīng)濟也會影響泥沙的沖淤穩(wěn)定。因此，設計下水水位通常取工程水域的年平均高潮位或更高些。下水水位的高低與下水坡道的長度和末端標高有著直接的相關關系，下水水位高，則坡道短；末端標高高，則施工方便、造價低。

（２）坡道型式。坡道全長范圍內(nèi)可由斜直線、折線變坡和圓弧線等多種組合形成，但均須滿足氣囊下水的工藝要求，且局部氣囊不應出現(xiàn)超低工作高度，超負荷承壓狀況，氣囊在最低工作高度時船底不應觸及地面。理論上坡道由斜船臺順接直通到水底，即斜直線型式對船舶下水安全比較有利。但是由于直通到底的坡道水下工程量較大，不經(jīng)濟，且在河道里會形成阻水構筑物，如果有近岸航道還會對船舶航行構成威脅。因此，在工程實踐中通常采用的坡道型式主要為折線型和圓弧線型。見圖1、圖2。

（３）坡度。下水坡道的坡度應根據(jù)下水船舶的大小確定，一般應不大于1/7，且能與船臺坡度銜接妥當。船臺的坡度以平緩為佳，但需滿足船舶下滑的動力條件及與下水坡道的坡度能妥善銜接以滿足氣囊下水的工藝要求。

（４）坡道結(jié)構及表面。氣囊下水對坡道要求不高，泥地、沙土地、沙地或水泥地坡道均可。坡道主要承載船舶下水荷載，結(jié)構可以不像船臺那樣堅固耐久，但應滿足穩(wěn)定要求及與船臺結(jié)構的平順銜接。此外，坡道必須清潔，去除雜物，特別要清除殘留的尖硬的釘狀物，以免刺破氣囊。坡道應平整，左右水平度不得大于80mm，底面凹穴應填平。

圖1 折線型坡道

圖2 弧線型坡道

四、工程實例

大連隆翔松遼游艇造船廠位于長興島葫蘆山灣南岸，根據(jù)總體規(guī)劃，在廠區(qū)南側(cè)布設1座1萬t級的氣囊船臺，船臺的平面尺度均為180ｍ×30ｍ，坡度為1:66，船臺前沿標高為1.65m（高程從馬家咀子理論最低潮面起算），可建造滿載排水量10000t以下的游船。

（１）水文

設計高水位 2.35m

設計低水位 0.23m

極端高水位（重現(xiàn)期：50年） 3.40m

極端低水位（重現(xiàn)期：50年） -1.40m

極端高水位（重現(xiàn)期：100年） 3.49m

極端低水位（重現(xiàn)期：100年） -1.61m

（2）下水坡道設計

該下水坡道型式采用弧線型變坡設計，坡道緊接船臺前沿，弧線半徑R=279.7m，坡道長25m（水平投影尺度），坡道末端標高為0.15m。坡面結(jié)構采用70mm厚的混凝土磨耗層，要求表面平滑處理，磨耗層以下依次為400mm厚滑道板、100mm厚混凝土墊層、300mm厚碎石墊層，以及要求密實整平的拋填。見圖3。

圖3 下水坡道設計實例（尺寸單位：mm）

五、結(jié)論

船舶用氣囊下水是一項極具發(fā)展前途的新工藝，它克服了以往船廠修造船舶能力受制于固定式下水滑道的弊端，發(fā)展成為今天極具靈活性的柔性下水技術，具有省工、省時、省力、省投資、機動靈活、安全可靠、綜合經(jīng)濟效益顯著優(yōu)點。下水工藝是氣囊船臺區(qū)別于其他造船設施的關鍵，而合理的下水坡道設計則是保證安全、順利實現(xiàn)氣囊下水工藝的前提。但是由于氣囊下水過程缺乏比較全面的理論研究，坡道設計的規(guī)范化還有待進一步推進。本文希望能起到一個拋磚引玉的作用,歡迎有更多的學者投入該領域的研究。