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(guān)的下水坡道的設(shè)計(jì)沒(méi)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(guò)程，分析了下水坡道設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，提出了下水坡道設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的因素，結(jié)合工程實(shí)例闡述了坡道設(shè)計(jì)的相關(guān)要點(diǎn)。

【關(guān) 鍵 詞】下水工藝氣囊船臺(tái)下水坡道

一、前言

氣囊下水是一項(xiàng)我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的新型下水技術(shù),過(guò)程簡(jiǎn)單,無(wú)需固定滑道,與傳統(tǒng)滑道下水相比,船臺(tái)制造比較簡(jiǎn)單,建造周期短,并且沒(méi)有油脂的污染,下水以后氣囊可以收回重復(fù)使用。氣囊下水是一種新的技術(shù),盡管已有2 萬(wàn)噸級(jí)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(shù)沒(méi)有明確工藝和規(guī)程,主要是靠經(jīng)驗(yàn)操作,事故時(shí)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(lái)愈大,風(fēng)險(xiǎn)愈來(lái)愈高。應(yīng)用于氣囊下水的船臺(tái)形式各異，良莠不齊，尤其是與下水工藝密切相關(guān)的坡道設(shè)計(jì)往往沒(méi)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(guò)程和機(jī)理，淺述坡道設(shè)計(jì)的相關(guān)要點(diǎn)，并簡(jiǎn)要介紹已在實(shí)踐中應(yīng)用的設(shè)計(jì)實(shí)例。

二、船舶氣囊下水工藝

船舶采用氣囊下水時(shí)，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?yè)P(yáng)機(jī)（絞車）和纜繩的牽引下，有控制地移動(dòng)船舶，或直接斷開纜繩，使船舶自由下滑，完成下水過(guò)程。

船舶氣囊下水的過(guò)程分為４個(gè)階段：①船舶下水前準(zhǔn)備；②控制船舶下滑至水邊；③從船舶觸水至全??；④從船舶全浮到滑行停止。

其中從船舶觸水至全浮階段是船舶下水運(yùn)動(dòng)狀態(tài)比較復(fù)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(wèn)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(dòng)船舶啟動(dòng)。

船舶滑向水域時(shí)，如果船臺(tái)坡道因末端標(biāo)高較高而有變坡設(shè)置時(shí)，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(shí)，船舶縱傾角在繼續(xù)微微增大，船尾末個(gè)有效氣囊的受力也在持續(xù)增加。在船體重心經(jīng)過(guò)變坡點(diǎn)時(shí)將出現(xiàn)稍微明顯的縱向翻傾，這個(gè)時(shí)點(diǎn)是氣囊受力最大也是船臺(tái)末端荷載最大的時(shí)候，故在下水方案中對(duì)單個(gè)氣囊的超載能力應(yīng)有充分估計(jì)，對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題要有預(yù)案。如果船臺(tái)前沿坡道的坡度較大，且標(biāo)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(dāng)船尾入水開始上浮，而船首還壓在最后一個(gè)或幾個(gè)氣囊上時(shí)，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(tái)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(tái)的下水運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相比，氣囊下水由于有氣囊的緩沖作用，不會(huì)因?yàn)榇?“尾彎 ”或“尾浮 ”狀態(tài)使船中或船首底部集中受力過(guò)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(huì)因?yàn)?“首跌落”而受損，因此，可以說(shuō)氣囊下水過(guò)程比滑道下水更安全可靠。

三、下水坡道設(shè)計(jì)

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(tái)及前沿伸入水底的坡道，狹義的下水坡道僅指船臺(tái)前沿至水底部分。由于船臺(tái)的設(shè)計(jì)類同于滑道船臺(tái)，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(tái)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(dòng)下水工藝的船臺(tái)，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(duì)下水水位的要求并不嚴(yán)格。但下水時(shí)流速太大會(huì)影響安全，且水下坡道過(guò)長(zhǎng)既不經(jīng)濟(jì)也會(huì)影響泥沙的沖淤穩(wěn)定。因此，設(shè)計(jì)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(zhǎng)度和末端標(biāo)高有著直接的相關(guān)關(guān)系，下水水位高，則坡道短；末端標(biāo)高高，則施工方便、造價(jià)低。

（２）坡道型式。坡道全長(zhǎng)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(yīng)出現(xiàn)超低工作高度，超負(fù)荷承壓狀況，氣囊在最低工作高度時(shí)船底不應(yīng)觸及地面。理論上坡道由斜船臺(tái)順接直通到水底，即斜直線型式對(duì)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(jì)，且在河道里會(huì)形成阻水構(gòu)筑物，如果有近岸航道還會(huì)對(duì)船舶航行構(gòu)成威脅。因此，在工程實(shí)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(yīng)根據(jù)下水船舶的大小確定，一般應(yīng)不大于1/7，且能與船臺(tái)坡度銜接妥當(dāng)。船臺(tái)的坡度以平緩為佳，但需滿足船舶下滑的動(dòng)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(gòu)及表面。氣囊下水對(duì)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(gòu)可以不像船臺(tái)那樣堅(jiān)固耐久，但應(yīng)滿足穩(wěn)定要求及與船臺(tái)結(jié)構(gòu)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(yīng)平整，左右水平度不得大于80mm，底面凹穴應(yīng)填平。

圖1 折線型坡道

圖2 弧線型坡道

四、工程實(shí)例

大連隆翔松遼游艇造船廠位于長(zhǎng)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(shè)1座1萬(wàn)t級(jí)的氣囊船臺(tái)，船臺(tái)的平面尺度均為180ｍ×30ｍ，坡度為1:66，船臺(tái)前沿標(biāo)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(shè)計(jì)高水位 2.35m

設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

該下水坡道型式采用弧線型變坡設(shè)計(jì)，坡道緊接船臺(tái)前沿，弧線半徑R=279.7m，坡道長(zhǎng)25m（水平投影尺度），坡道末端標(biāo)高為0.15m。坡面結(jié)構(gòu)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(shí)整平的拋填。見圖3。

圖3 下水坡道設(shè)計(jì)實(shí)例（尺寸單位：mm）

五、結(jié)論

船舶用氣囊下水是一項(xiàng)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(shù)，具有省工、省時(shí)、省力、省投資、機(jī)動(dòng)靈活、安全可靠、綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著優(yōu)點(diǎn)。下水工藝是氣囊船臺(tái)區(qū)別于其他造船設(shè)施的關(guān)鍵，而合理的下水坡道設(shè)計(jì)則是保證安全、順利實(shí)現(xiàn)氣囊下水工藝的前提。但是由于氣囊下水過(guò)程缺乏比較全面的理論研究，坡道設(shè)計(jì)的規(guī)范化還有待進(jìn)一步推進(jìn)。本文希望能起到一個(gè)拋磚引玉的作用,歡迎有更多的學(xué)者投入該領(lǐng)域的研究。