船舶氣囊下水工藝及其下水坡道的設(shè)計

船舶氣囊下水工藝及其下水坡道的設(shè)計程正標(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)計中存在的問題,提出了下水坡道設(shè)計中應(yīng)考慮的因素，結(jié)合工程實例闡述了坡道設(shè)計的相關(guān)要點.【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;下水坡道【作者】程正標(biāo)【作者單位】長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院上海分院，上海,200439【正文語種】中文船舶氣囊下水是我國獨創(chuàng)的下水方法，在我國中小船廠的實際應(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，已成功地進入了承載大型船舶下水的時代，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、省力、省投資、機動靈活、安全可靠、綜合經(jīng)濟效益顯著等優(yōu)點。但應(yīng)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(guān)的坡道設(shè)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(shè)計的相關(guān)要點，并簡要介紹已在實踐中應(yīng)用的設(shè)計實例。1船舶氣囊下水工藝船舶采用氣囊上水時，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(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動狀態(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船舶啟動。船舶滑向水域時，如果船臺坡道因末端標(biāo)高較高而有變坡設(shè)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(yīng)有充分估計，對可能出現(xiàn)的問題要有預(yù)案。如果船臺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?。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［1］。當(dāng)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，此時單個氣囊的超載能力應(yīng)在下水前有充分估計。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。2下水坡道的設(shè)計下水坡道是采用氣囊下水工藝的船臺的重要組成部分，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(shè)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。目前下水坡道在氣囊船臺設(shè)計時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(yán)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(shè)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(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，超負荷承壓狀況，氣囊在最低工作高度時船底不應(yīng)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(gòu)筑物，如果有近岸航道還會對船舶航行構(gòu)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。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］ ，且能與船臺坡度銜接妥當(dāng)。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。坡道結(jié)構(gòu)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(gòu)可以不像船臺那樣堅固耐久，但應(yīng)滿足穩(wěn)定要求及與船臺結(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末端，即變坡坡道的始點時，船臺末端的氣囊將產(chǎn)生最大的內(nèi)壓，合理的坡道設(shè)計須滿足此時氣囊的內(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，使模型簡化易于操作，對其采取了如下假定。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。這個假定使最大氣囊內(nèi)壓的計算結(jié)果偏大，坡道設(shè)計偏于保守，但偏差不大。由于在船臺設(shè)計時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，這個假定使設(shè)計過程大為簡化。（2） 氣囊受壓時，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，對船底產(chǎn)生的彈力可以表達為：式中：Fi為第i個氣囊對船底產(chǎn)生的彈力；D為氣囊直徑；Hi為第i個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，船身發(fā)生縱向微轉(zhuǎn)至坡道變幅一半邛/2）時，位于變坡點上的氣囊（第j個）產(chǎn)生最大的內(nèi)壓（見圖4）,由力學(xué)分析可知，此時，船體滿足船底法向的受力平衡，即：式中：G為船體自重；以為船臺面與水平面夾角；&為下水坡道與船臺面夾角。由幾何關(guān)系可知，各個氣囊此時的工作高度為：式中：Xi為第i個氣囊距變坡點的距離（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船體氣囊滾動下水示意圖3工程實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級的氣囊船臺，船臺的平面尺度均為165mx36m,坡度為1:80，船臺前沿標(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，船臺建成投產(chǎn)運營已有2年多。3.1水文根據(jù)三條港水文站統(tǒng)計資料，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4h54min;平均落潮歷時7h3lmin。3.2下水坡道設(shè)計該下水坡道型式采用折線型變坡設(shè)計，坡道緊接船臺前沿，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厚級配碎石，以及要求密實整平的拋填塊石基礎(chǔ)，見圖5。圖5下水坡道設(shè)計實例（尺寸單位：mm）3.3應(yīng)用情況本船臺工程自建成投產(chǎn)后，于2008年6月22日首制船（2.3萬t級散貨船）順利下水，下水時當(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(此時船體重心接近船臺前沿)，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，該廠又相繼實現(xiàn)了4艘2萬~3萬t級散貨船的成功下水。實踐證明，該船臺坡道的設(shè)計滿足下水工藝的要求。4結(jié)語下水工藝是氣囊船臺區(qū)別于其他造船設(shè)施的關(guān)鍵，而合理的下水坡道設(shè)計則是保證安全、順利實現(xiàn)氣囊下水工藝的前提。本文的工程實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)驗而設(shè)計的，盡管設(shè)計方案已經(jīng)接受了實踐的考驗，但是由于氣囊下水過程缺乏比較全面的理