船舶氣囊下水工藝及其下水坡道的設(shè)計(jì)

船舶氣囊下水工藝及其下水坡道的設(shè)計(jì)程正標(biāo)【摘要】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)沒有得到足夠的重視，使得船舶下水仍然存在安全隱患.介紹了船舶氣囊下水工藝過程，分析了下水坡道設(shè)計(jì)中存在的問題,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).【期刊名稱】《交通科技》【年(卷)，期】2011(000)001【總頁數(shù)】4頁(P114-117)【關(guān)鍵詞】下水工藝;氣囊船臺(tái);下水坡道【作者】程正標(biāo)【作者單位】長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院上海分院，上海,200439【正文語種】中文船舶氣囊下水是我國獨(dú)創(chuàng)的下水方法，在我國中小船廠的實(shí)際應(yīng)用非常廣泛，有著近30年的歷史，被稱之為〃柔性下水技術(shù)”，但其發(fā)展進(jìn)程卻一直處于緩慢狀態(tài)。隨著近幾年造船業(yè)的快速發(fā)展，以往非主流的氣囊下水方式由于其成本低、使用靈活等優(yōu)勢，得到了空前的應(yīng)用和發(fā)展，如今河口及沿海的大中型船廠也普遍開始傾向于采用該工藝。用氣囊進(jìn)行船舶下水工藝克服了以往中小船廠船舶修造能力受制于滑板、滑道等傳統(tǒng)工藝的制約，經(jīng)過多年的實(shí)踐和積累，由最初可以使自重100t船下水到現(xiàn)在可以使自重12000t的船舶安全下水，已成功地進(jìn)入了承載大型船舶下水的時(shí)代，成為一種極具活性，極具柔性，極具發(fā)展?jié)摿?，極具安全性的成熟技術(shù)，具有省時(shí)、省力、省投資、機(jī)動(dòng)靈活、安全可靠、綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)。但應(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(jī)理，淺述坡道設(shè)計(jì)的相關(guān)要點(diǎn)，并簡要介紹已在實(shí)踐中應(yīng)用的設(shè)計(jì)實(shí)例。1船舶氣囊下水工藝船舶采用氣囊上水時(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，在卷揚(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，完成下水過程。船舶氣囊下水的過程分為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　ｋS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［1］。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，此時(shí)單個(gè)氣囊的超載能力應(yīng)在下水前有充分估計(jì)。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啊ㄎ矎潯被颉ㄎ哺　睜顟B(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(huì)因?yàn)椤ㄊ椎洹倍軗p，因此，可以說氣囊下水過程比滑道下水更安全可靠。2下水坡道的設(shè)計(jì)下水坡道是采用氣囊下水工藝的船臺(tái)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。目前下水坡道在氣囊船臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)往往被忽略或隨意設(shè)置，這使得船舶的下水安全更多地依賴于氣囊的材質(zhì)和下水操作的過程［2］。在工程實(shí)踐中常用的坡道型式有弧線型和折線型，前者使下水過程比較流暢，后者則方便施工。2.1坡道設(shè)計(jì)主要考慮因素(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，且水下坡道過長既不經(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。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(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。圖1折線型坡道圖2弧線型坡道坡度。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［3］ ，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。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［4］。2.2坡道變幅的確定由船舶氣囊下水過程的分析可知，當(dāng)船舶滑行至船體重心接近船臺(tái)末端，即變坡坡道的始點(diǎn)時(shí)，船臺(tái)末端的氣囊將產(chǎn)生最大的內(nèi)壓，合理的坡道設(shè)計(jì)須滿足此時(shí)氣囊的內(nèi)壓不超過安全的允許內(nèi)壓。由于氣囊下水過程的受力變化比較復(fù)雜，為便于設(shè)計(jì)，使模型簡化易于操作，對(duì)其采取了如下假定。船體為剛體，忽略下水過程中由于氣囊反力的不同而引起船體各部位的不同變形。這個(gè)假定使最大氣囊內(nèi)壓的計(jì)算結(jié)果偏大，坡道設(shè)計(jì)偏于保守，但偏差不大。由于在船臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)船型通常不是惟一的，且船體的受力變形數(shù)據(jù)往往很難獲取，因此，這個(gè)假定使設(shè)計(jì)過程大為簡化。（2） 氣囊受壓時(shí)，氣囊囊壁不發(fā)生變形，即長度及周長保持不變。（3） 由于船體自由下水的時(shí)間較短，氣囊內(nèi)氣體溫度的變化較小，可以忽略，從而使氣囊內(nèi)氣體狀態(tài)的變化規(guī)律基本符合〃玻-馬定律”。當(dāng)氣囊在船底下被壓扁以后，上下表面呈平面形狀，兩側(cè)表面仍呈半圓形，見圖3。圖3氣囊受壓變形示意圖由于內(nèi)部容積變小導(dǎo)致內(nèi)壓升高，根據(jù)“玻-馬定律”有：假設(shè)p0、V0為氣囊滾動(dòng)前的初始狀態(tài)參數(shù)（根據(jù)氣囊產(chǎn)品的有關(guān)性能參數(shù)給出），令a=p0V0,則氣囊發(fā)生壓縮變化后，對(duì)船底產(chǎn)生的彈力可以表達(dá)為：式中：Fi為第i個(gè)氣囊對(duì)船底產(chǎn)生的彈力；D為氣囊直徑；Hi為第i個(gè)氣囊壓縮后的工作高度。當(dāng)船體滑行至其重心經(jīng)過變坡點(diǎn)，船身發(fā)生縱向微轉(zhuǎn)至坡道變幅一半邛/2）時(shí)，位于變坡點(diǎn)上的氣囊（第j個(gè)）產(chǎn)生最大的內(nèi)壓（見圖4）,由力學(xué)分析可知，此時(shí)，船體滿足船底法向的受力平衡，即：式中：G為船體自重；以為船臺(tái)面與水平面夾角；&為下水坡道與船臺(tái)面夾角。由幾何關(guān)系可知，各個(gè)氣囊此時(shí)的工作高度為：式中：Xi為第i個(gè)氣囊距變坡點(diǎn)的距離（由氣囊布置工藝給出）。根據(jù)氣囊的性能參數(shù)確定滿足下水安全的最小Hj值，然后以不同的坡道變幅（B）結(jié)合其他參數(shù)代入式（2）~（4）試算，求得滿足要求的最大P值。圖4船體氣囊滾動(dòng)下水示意圖3工程實(shí)例集勝造船廠位于長江口北支的北岸、三條港與吳倉港之間，根據(jù)廠區(qū)總體規(guī)劃，在長江沿岸布設(shè)2座2萬t級(jí)的氣囊船臺(tái)，船臺(tái)的平面尺度均為165mx36m,坡度為1:80，船臺(tái)前沿標(biāo)高為2.685m（85m高程，下同），可建造自重為6000t以下的散貨船。目前，船臺(tái)建成投產(chǎn)運(yùn)營已有2年多。3.1水文根據(jù)三條港水文站統(tǒng)計(jì)資料，該站潮汐特征值如下：歷年最高潮位4.58m（1997年）；歷年最低潮位-2.37m（1999年）；最大潮位變幅6.95m；平均最高潮位3.59m；平均最低潮位-1.79m；平均高潮位1.88m;平均漲潮歷時(shí)4h54min;平均落潮歷時(shí)7h3lmin。3.2下水坡道設(shè)計(jì)該下水坡道型式采用折線型變坡設(shè)計(jì)，坡道緊接船臺(tái)前沿，坡度為1:20，坡道長20m（水平投影尺度），坡道末端標(biāo)高為0.81m。坡面結(jié)構(gòu)采用約250mm厚的素混凝土面層，要求表面平滑處理，面層以下依次為500mm厚漿砌塊石、300mm厚級(jí)配碎石，以及要求密實(shí)整平的拋填塊石基礎(chǔ)，見圖5。圖5下水坡道設(shè)計(jì)實(shí)例（尺寸單位：mm）3.3應(yīng)用情況本船臺(tái)工程自建成投產(chǎn)后，于2008年6月22日首制船（2.3萬t級(jí)散貨船）順利下水，下水時(shí)當(dāng)?shù)爻备呒s2.00m，略高于平均高潮位。從下水的過程來看，船體下滑總體比較平穩(wěn)，當(dāng)船尾接近水面時(shí)(此時(shí)船體重心接近船臺(tái)前沿)，由于存在坡度的變化，船體縱向小幅微傾，但是氣囊的柔性有效地緩解了變坡對(duì)下滑行程的影響，且約5°的坡度變化弓I起的氣囊工作高度的變化也在安全的變幅之內(nèi)。船舶下水后由于當(dāng)時(shí)距高潮水位還有1h，漲潮流速還比較大，船體轉(zhuǎn)彎幅度較大，但是不影響船體滑行的安全。之后，2008下半年至今，該廠又相繼實(shí)現(xiàn)了4艘2萬~3萬t級(jí)散貨船的成功下水。實(shí)踐證明，該船臺(tái)坡道的設(shè)計(jì)滿足下水工藝的要求。4結(jié)語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。本文的工程實(shí)例是在研究氣囊下水工藝的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他船廠的成功經(jīng)驗(yàn)而設(shè)計(jì)的，盡管設(shè)計(jì)方案已經(jīng)接受了實(shí)踐的考驗(yàn)，但是由于氣囊下水過程缺乏比較全面的理