气囊下水的安全性研究

吴剑国,孙 燕,马 剑,方新康

(浙江工业大学 船舶与海洋工程研究所,杭州 310014)

1 引言

对于船舶气囊下水这一新工艺,尤其应用在万吨级以上大型船舶下水时,其安全性是业内人士十分关注的问题。下水事故会造成巨大的经济损失,贻误交船。只有在精心设计、精心计算的基础上,精心施工、精心作业、一丝不苟,才能确保船舶安全可靠下水。

气囊下水的事故包括三个方面,气囊爆裂引起下水事故;下水过程中船体结构损伤;下水船舶对环境或周边环境对下水船舶构成的损伤。

2 气囊的安全性

船舶气囊下水发生的事故中,因下水时气囊发生爆裂造成的下水事故占较大比例,尤其在以前采用前几代老式气囊时期。下水过程中,气囊在船底下的运动很复杂,不是简单的滚动。气囊在船底下被压扁,它的运动受到船底和地面的双重制约。气囊在长度方向恢复平衡状态的速度并不一致,气囊受到扭转变形,这种既受到挤压又受到扭转的复合变形现象可用揉压运动来描述。好似人们搓面团那样又挤又压,再加上向前不均衡运动,这就构成了揉压运动。当气囊产生揉压运动时,气囊的局部囊壁会产生皱褶,在皱褶处,由于应力集中,囊壁中的多层纤维极易产生分层,导致增强纤维折断或撕裂,甚至整个气囊爆裂。气囊的安全仍然是下水安全的关键因素,必须正确、科学地运用才能充分发挥气囊的工作潜力,提高下水安全性。

2.1 调整气囊初始压力P0提高气囊工作安全性

气囊的初始压力P0对气囊的承载状态、安全系数有重大影响。本研究进行了5艘2万吨级船舶的气囊下水测试。结果表明,工作压力大于200 MPa的气囊对应的初始压力如表1所示。

表1 3艘气囊工作主要参数

P1S、HS为气囊在船舶下水前静态时的内压和工作高度;P1M、Hmin为气囊在下水过程中的最大内压和最低工作高度。

统计可见,这些气囊在下水前的H值都在1 m以上,P0大多超过60 kPa,而在承载最大区域气囊的最低工作高度 Hmin均有0.5 m左右,因而,有进一步放气降压和降低工作高度的可能和需要。将P0调整到适当低的水平是实际可行的,是提高气囊安全性的有效措施。

2.2 科学排布气囊,改善气囊承载

表2与图1是几艘2万吨级船舶下水气囊的实际排布情况汇总。

表2 气囊排布基本要素

图1 实船5下水气囊排布图

船舶沿船长方向的重量分布是不均匀的,目前我省建造的散货船、油船、集装箱船等大型船舶基本上都是艉机型的,重心位于舯部偏后,在下水状态船艉部分重量比较大,在实际操作时,气囊排布密度也应有疏有密,大致对应船舶重量的分布。

滚动气囊之间的中心距应保证船舶结构强度,同时还应防止滚动气囊之间压叠在一起。对气囊平均间距,一般可用公式(1)和(2)来校核其间距。

式中 L——船底能摆放气囊的实际长度,m;

N——滚动气囊的数量(不含接续气囊数量),只 ;

D ——滚动气囊囊体公称直径,m。

3 船舶结构的安全性

与纵向滑道下水相似,气囊下水时也会有引发船体结构损伤现象,需要防止或缓解。因此,对万吨级以上的大型船舶必须进行下水计算,课题组已编制了船舶气囊下水计算软件,可以方便、快捷地完成下水前的工艺设计中要求进行的各项计算,判断在给定条件、环境时会否发生结构损伤。

本研究的气囊下水计算程序是分别按船舶下水的静水力学、水动力学原理,采用VC++编写而成。该方法将船体视为刚体,将气囊作为非线性弹簧,建立力学平衡方程,通过求解方程获得船舶姿态,然后根据气囊高度计算出气囊对船体的支持力,并换算为均布力将其作用于船底板格,按刚性板理论,用式(3)计算船底板的应力。详细的计算方法参见文献1和课题组的相关论文。

纵骨边横向应力近似公式

其中 P——气囊作用在相应肋位的荷载,kN;

L——气囊长度,m;

l——肋板间距,mm;

s——纵骨间距,mm;

t——船底板厚,mm。

计算结果与实测数据对比(见表3),表明气囊压力最大的值发生在气囊高度最低时,与实际情况符合,且计算的气囊压力最大值略大于实测结果,表明气囊计算程序有少量安全储备。由于静水力计算没有考虑惯性力的作用,所以在船体重心越过船台端点时,转动惯性力很大,静水力计算不能很好地描述船体的此处姿态,但可以找出气囊下水时比较危险的部位。

应用船舶气囊下水水动力计算程序,对5艘2万吨级船舶进行了气囊下水过程中的船体受力计算,并将此载荷作用到有限元模型(图2)上进行结构应力分析,获得船舶气囊下水过程中船体应力分布。将静水力和水动力学分析中获得的板格应力(公式(3))与有限元计算结果进行比较,见表4。

表4 有限元结果与近似计算结果对比

图2 有限元模型示意图

结果表明,有限元计算的结果与近似公式的结果比较接近,误差在20%之内,其中用水动力学计算出的载荷,算出的应力更接近于有限元的结果,误差在15%之内。因此,在实际工程使用近似公式是可行的,用水动力学计算船底载荷效果更好。

4 狭窄水域下水的安全性

一般在狭窄航道内进行船舶气囊下水时要采取制动、阻尼措施。比较常用的是抛锚制动工艺措施。气囊下水时,因为随船下水有不少气囊飘浮水面,对艏锚的抛放影响更大,采用抛船舯两舷侧锚的是一种更可行的方法。在狭窄水面下水制动阻尼工艺绝对不可等闲处置。

船舶下水后还会随潮流产生飘移运动。这一点对在狭窄的航道中进行船舶下水就更为重要。应采取必要的措施,否则就经常会发生碰撞事故。为减少船舶横向偏转水动力的作用,要求在低水流速度的条件下下水。在涨潮水域,以涨满潮时段为宜。半坞式船台,如果船台宽度比较船宽裕度不大,为避免船舶与船台相撞,就希望船舶能有一定距离的水中冲程,不要过早转向,但是为了避免在狭窄水域冲撞对岸,又希望水中冲程要短、转向要早,这就需要在工艺设计时有周到、精心的安排。

5 气囊下水的安全标准

气囊下水的安全性与众多因素有关,通过大量的理论和实验研究,确定了宽阔水域的气囊下水安全标准。

(1)万吨级船台气囊下水应经过理论计算,操作应按万吨级船台气囊下水工艺规程(草案);

(2)气囊的最小间距一般不宜小于公式(2)要求的值;

(3)气囊被压缩后的最低高度不得小于25 mm;

(4)气囊的瞬时最大压力不得超过气囊极限承载力的一半;

(5)可采用公式(3)近似计算船底板应力,瞬时最大应力不得超过船底板屈服极限的1.2倍。

对照此安全标准,综合本项目实测的5艘万吨级船舶的气囊水下计算结果,认为该5艘船的气囊下水是安全的。

6 结束语

以5艘2万吨级的散货船气囊下水的测试和计算为基础,针对气囊下水过程中可能发生的气囊爆裂引起下水事故,下水过程中船体结构损伤,下水船舶对环境或周边环境对下水船舶构成的损伤,分别进行了安全性研究,提出了船舶气囊下水安全性标准。

1 盛振邦,杨尚荣,陈雪深.船舶静力学.北京:国防工业出版社,1984.

2 蒋维清.船舶原理.北京:人民交通出版社,1979.

3 李培勇.纵向滑道船舶下水计算研究.武汉交通科技大学学报,1994,(3):354