气囊船台设计要点及应注意的问题

刘祥玉 ，韩时琳

（1.长沙理工大学水利工程学院，湖南 长沙 410114；2.中交天津港湾工程设计院有限公司，天津 300457）

2003年以来，世界造船业进入高峰时期。我国造船业的快速发展，也促进了造船新工艺及下水新工艺的应用与推广。船舶利用气囊下水是一项值得推广的新工艺，成为目前颇具灵活性的柔性下水技术，具有投资少、见效快、施工简单、安全可靠、下水操作简单等特点。初期船舶采用气囊下水工艺仅能适应于小型船舶，如今最大船型已达5 万 t。

中国神飞集团荣成船舶制造基地船厂一期设计1.5万、2.5万、3.5万吨级气囊下水式船台各1座，现均已投产使用。

1 工程概述

荣成市神飞船舶制造基地位于山东荣成市石岛湾，是一个具有现代造船设施、具备先进造船技术的船舶制造基地。基地包括舾装码头长660 m（二期扩建950 m），3座气囊式下水船台（1.5万～3.5万吨级），1座5万吨级滑板船台滑道，1座10万吨级干船坞及厂房、车间、总组及舾装场等陆域设施。3座气囊船台位于船厂现有陆域的南部，面向石岛湾，西侧为舾装码头区，东侧为5万吨级滑板船台滑道。3座气囊船台自2008年正式投产以来已陆续完成10多条船舶生产任务，目前无明显沉降，使用状况良好。

2 设计资料

2.1 设计水位

高程系以石岛当地理论深度基准面起算（位于1985国家高程系以下169 cm）。设计特征值如下。

极端高水位：381 cm

设计高水位：281 cm

设计低水位：41 cm

极端低水位：-83 cm

当地平均海平面：172 cm

船舶下水水位：230 cm

下水水位持续时间：2 h

2.2 工程地质

工程区勘察深度范围钻至中风化，根据该区标准地层划分为5个主层，8个亚层（见图1），其中：

图1 地质剖面图

第①1层为块石；第②层为淤泥质粉质黏土，第②1层为黏质粉土，第②2层为粉砂，第②3层为淤泥质粉质黏土，第②4层为砂质粉土；第③层为粉质黏土，第③2层为中砂，第⑤层为中粗砂，第⑤1层为粗砾砂；第⑦层为强风化片麻状含黑云二长花岗岩；第⑧层为中风化片麻状含黑云二长花岗岩。

2.3 设计船型

设计船型主尺度详见表1。

表1 三种船型设计主尺度

3 船台设计

3.1 总平面布置

3座气囊下水船台平面布置详见图2。

1.5万、2.5万、3.5万吨级气囊下水式船台纵向水平总长度分别为196 m、228 m、252 m，其中船台区长度为160 m、192 m、216 m，纵向坡度为1∶80；3个船台的变坡区长度均为36 m，又分为2个变坡段，中间有1个圆弧连接段，变坡段水平长度分别为21 m、2.036 m、12.964 m，纵向坡度分别为1∶35、1∶15。3个船台分别设100 t（轨距29 m），130 t（轨距33 m），150 t（轨距46 m）3种门机。

船台末端停泊水域长480 m、宽290 m，底标高为-6.7 m。西侧与舾装码头航道之间的连接水域底标高为-5.2 m。

船台控制点里程及顶标高详见表2。

表2 船台控制点里程

3.2 船台工艺荷载

3.2.1 支墩荷载

根据相关规范，本设计对于15000 DWT、25000 DWT船舶，支墩沿平行于纵轴线方向横向布设5排，中墩1排，边墩4排，纵向墩间距3 m；对于35000 DWT船舶，支墩沿平行于纵轴线方向横向布设7排，中墩1排，边墩6排，纵向墩间距3.5 m。设计支墩荷载见表3所示。

3.2.2 流动荷载

1）25 t平板挂车。

2）龙门式起重机荷载：100 t、130 t、150 t龙门式起重机。具体荷载参数由设备生产厂家提供。

3.2.3 出运气囊荷载

表3 设计支墩尺寸与荷载

出运气囊采用超高压气囊，气囊纵向间距同龙骨墩间距为3 m（3.5 m），船台每米气囊体最大设计受力荷载如下，

平移阶段：200 kN/m；下水阶段：510 kN/m。

船体下水由专业气囊出运公司负责，因此针对不同的船型，气囊出运公司设计出相应的出运下水工艺和每根气囊的长度。

3.3 船台结构

船台横断面参见图3。

船台地基采用抛石换填处理。陆上船台区对已回填开山石（土）基础进行强夯处理。强夯单击夯击能参数取4000～8000 kJ，施工中强夯最后两击的平均夯沉量的控制值为：轨道梁底不大于10 cm，其余区域不大于15 cm，地基承载力不小于300 kPa，强夯后补料满夯单击夯击能为1000 kJ。基础满夯后抛填碎石、二片石垫层，并采用18 t震动压路机碾压密实。

船台陆上段底板为现浇钢筋混凝土面板结构；水下段底板采用预制安装钢筋混凝土面板结构，基床要求做到极细平，高程允许偏差±20 mm；船台末端为方块直立岸壁。

4 气囊下水工艺设计

1）气囊船台利用滚动气囊移动船舶。气囊与混凝土船台面摩擦系数通常为0.01，气囊船台的下水临界坡度为1∶100，当坡度为1∶80时船体能自动下滑，顺利入水。

气囊船台支墩高度由于气囊要求，一般控制最大高度为0.8 m，这是气囊下水的特点。根据船型大小，设计选用高压气囊或超高压气囊，气囊直径一般为φ1.2～3.0 m。对于3.5万吨级船体下水，采用两种组合规格：φ1.2 m，工作压力0.25 MPa，试验压力0.325 MPa，工作高度最大可压缩为气囊直径的30%；φ1.8 m，工作压力0.167 MPa，试验压力0.217 MPa，工作高度最大可压缩为气囊直径的30%。

在船舶下水前采用钢丝绳倒拉固定，其中1号船台于首部设2个500 kN地牛；2号船台于首部设2个500 kN地牛；3号船台于首部设2个750 kN地牛。下水时，切断钢丝绳，船体将缓慢自由下水。

2）将气囊按设计间距及位置从船艉到船艏依次进行布置。船艏段呈尖状，如布置气囊则接触面积太小，其受力分配传递面积小。同时鉴于船艏段初始受力小，并作为初始状态控制导向，船艏端约（1/5）LP段不布置气囊，船体仍搁置在支墩上。

3）将船舶与船台顶端的卷扬机通过滑轮组进行有效的连接并予以拉紧。

4）按操作工艺程序分别对气囊进行充气，一次充气压力不宜过高，充气操作应按照从艉至艏的顺序进行；分别充气并随时检查气囊压力，有针对性的充气和调整气囊的压力及工作高度，以至将气囊上船体完全抬起；待船底高于支墩50 mm左右时进行首次撤墩操作。

5）撤墩前应对气囊的压力、工作高度进行检查，待检查确认气囊布置及工作压力、高度等各项指标均符合要求，且确认安全无误时方可进行撤墩。撤墩应按照先撤中墩，再撤边墩，由里而外的顺序进行，首先撤除最末端气囊至船艉的所有中墩与边墩。撤墩结束后应对场地进行清理，清除障碍物及所有杂物，以免影响气囊滚动或扎伤气囊（参见图4）。

图4 撤墩后船体坐落在气囊上

6）吊走挡水闸门并用沙袋填平挡水闸门门槽。

7）调整气囊压力，要求船艉部分气囊压力控制在设计压力，使船艏无气囊部分仍坐于船台墩上。

8）当达到设计下水水位时，切断钢丝绳，船体靠重力自由滑入水中（见图5），然后由拖轮拖至舾装码头靠泊。

图5 船体靠重力自由滑入水中二

5 气囊下水船台主要特点

5.1 下水方式

气囊下水船台与传统滑道下水方式不同，前者为随着船体的纵移，当重心位于船台线以外时产生小幅度艉跌落方式入水，即依靠自重下水；后者为逐渐艉浮平缓入水方式。气囊船台末端标高比传统滑道末端标高高，因此船台纵向长度短，建设周期短，投产快，工程造价低。

5.2 船台功能及下水船舶吨级

气囊下水船台一般是用于造船，不用于修船，目前最大可以满足5万吨级船舶下水。

5.3 船台长度及坡度设计

需结合气囊规格及压力，针对不同船型进行过程分析，计算气囊滚动距离、压缩高度、船台不同受力段，确定船台坡度及不同变坡段长度。船台区纵向坡度一般为1∶60～1∶80，不能缓于 1∶100。

气囊下水船台为变坡度设计，使船艉尽快产生较大浮力。但坡度不宜变化太大，否则造成船艏脱离气囊段太长，影响船体刚度，同时船艉气囊易爆裂。船台变坡度区长度也不易过长，如果太长，随着船体与气囊的同步纵移，船艏因缺乏气囊搁浅船台；如果太短船艉过早跌落，易发生艉跌现象。变坡度区长度宜控制在40 m以内，一般船型越小长度越短，最小控制长度为25 m。

5.4 气囊下水关键点

气囊下水的关键是控制标高。船艉垂线对应底板顶标高宜取为设计下水水位（当船台尾部设有挡水门时）。

5.5 气囊下水时间

从切断船艏钢丝绳至船体离开船台平稳入水所需时间与船台坡度和船舶在船台上的初始位置有关。如坡度设计合理且船舶距水面初始距离较短时，整个过程一般不超过3 min。

5.6 气囊的浮托作用

在船体下水过程中，将有大量气囊滚落入水，聚集在船台前沿水域，对船艏产生很大的浮托作用，便于船体平稳入水。

5.7 不同气囊船台的比较

不同气囊船台的比较见表4。

表4 常规气囊船台与半坞式气囊船台比较

6 气囊下水应注意的问题

通过船舶采用气囊下水工艺的若干实例，总结以下几点，供使用者参考。

1）船台如无正规设计，土法施工上马，船台本身存在重大质量缺陷，船舶下水也存在着很大风险。

2）气囊沿船宽搁置长度不够，一旦船体纵移偏离轴线，造成船体悬空，严重偏离方向，气囊爆裂，船体失控。

3）搁置气囊不垂直于船台纵轴线，船体下滑过程中，造成气囊扭曲叠合不能滚动，船体不能正常纵移。

4）船台坡度过渡不合理，船体纵移过程中，船艏严重脱离气囊，造成重心失稳或产生船体变形。

5）下水段过短，艉跌落太快，重心失稳，船艉插入泥中。

6）下水段太长，船体运移过程中，船艏及船舯段无气囊支撑，因重心失稳，船艏搁置在船台上。

7）船台面清扫杂物不干净，存在尖锐器物，或局部高差大于5 cm，容易造成气囊爆裂。一旦部分气囊爆裂，其余气囊因承载力不够，造成连环爆裂，船体搁置船台。

[1]GB/T 3837-1998，船舶用气囊上排、下水工艺要求[S].

[2]GB/T 3795-1996，船舶上排、下水用气囊[S].

[3]CB/T 8502-2005，纵向倾斜船台及滑道设计规范[S].