中小型船舶的气囊下水工艺

王超

摘要：本文根据船舶气囊下水实施案例，通过对下水过程中气囊压力、牵引力等一系列的计算，介绍船舶气囊下水的原理、方法及流程，探讨气囊下水作为中小型船舶下水方式的可行性。

关键词：船舶；下水；气囊

Abstract: Based on some actual cases of ship launching by air bags and through calculation of pressure and pull force of air bags, this paper introduces the principles, method and procedures for ship launching by air bags in order to explore the feasibility of launching by air bags for small and medium-sized ships.

Key words: Vessel; Launching; Air bag

船舶下水是船舶建造过程中的一个重要环节。目前除了拥有造船坞的船厂采用坞内造船、船舶出坞进水之外，下水的方式还有很多，以纵横方向分作二大类的话，纵向下水以纵向油脂、滑道方式占主要地位，横向下水以轨道、液压堕船小车、机械方式见多数。而采用气囊下水，业内人士过往都认为那是“山寨厂”的船舶下水方式。当然，华东沿海一带的民营船厂成功地应用气囊下水，将30 000～80 000万DWT级的船舶推下水，是促使船舶气囊下水行业标准诞生的重要因素。尽管如此，仍不足从根本上扭转人们对其的不正确认识。根据我们广州航通船业有限公司(以下简称航通公司)多年、多艘、多船型船舶气囊下水的实践，着力向中小型船厂，中小型船舶推荐采用气囊下水作业既安全、可靠又环保、经济是很有理由的。如表1所列航通公司先后以气囊下水的计有“粤工桩九”、3 300 m3 LPG船（二艘）、78 m三用工程船（二艘）和58.7 m工程船（四艘）等共九艘船舶；其中有船底平坦的、也有型线变化比较大的船舶，然实践证明均可取得很好的效果，每条船都安全下水。

1基本参数

见表1 。

2工作原理、工艺流程

2.1工作原理

在船舶底部与地面之间按一定间距布置一定数量气囊，通过卷扬机的外力牵引船舶，使气囊向前滚动，从而使船舶与地面产生相对移动，达到移运船舶下水的目的。

2.2工艺流程

船舶气囊下水工艺过程分为三个步骤。

第一步：船底部放入大直径气囊，随即充气入囊将船舶顶高到离地1 m，在撤去船舶建造、合拢所使用的高墩之后，由气囊滚动、搬运船舶下水。

第二步：牵引系统拉动船舶向前，并及时在底部放入接应气囊，船舶移动；此时，需保证船底离地面的垂直距离不小于0.5 m。

第三步：船舶整体下水，自浮后气囊回收。

3实船下水作业

以“粤工桩九”和58.7 m工程船为例，分两种情况阐述。

3.1在新会厂区“粤工桩九”船舶全气囊下水

3.1.1船舶所使用的简易船台与滑道坡度设计

因“粤工桩九”下水后自浮吃水比较浅，所以在不考虑当地、当时潮差的情况下，下水滑道末端水深达到2 m，即可满足安全下水的要求，因此需要船台坡度、滑道长度设计如图1。

3.1.2 气囊布置

见图2。

3.1.3气囊参数的确定

见表2。

3.1.4下水过程中气囊的受力分析与计算

1）顶升船舶撤高墩；船舶下水前坐于高墩之上，应先将高墩撤下。气囊将船舶顶升1.0 m时计算气囊的承受压力（在此工作压力下气囊直径有2%的弹性变形）。

单个气囊承压宽度：B= ×（D×1.02 － H）/2

气囊的有效承压长度：L0=L总－2×0.866×D

气囊承压总面积 ：S=n×B×L0

实际气囊承受压力：P=Q/S

式中D为气囊直径；Q为船舶重量；H为气囊工作高度（一般船舶建造时支墩高度都在0.9 m左右，因此H按1 m考虑）；L总为气囊总长度；L0为气囊移运中有效承压长度；n为气囊个数。顶升时气囊垂直于船舶26.4 m长的边进行摆放布置，选取12个直径1.5 m,长度10 m的气囊进行顶升，气囊按双排摆放。

按上列公式计算得出B=0.83 m；L0=10.0 m；S=99.6 m2；则P=0.15 Mpa小于工作压力0.2 Mpa，所以顶升时选用12个气囊是安全的。

这里需要指出的是：船底支垫高墩时应预留足够的间距以置放气囊和移出高墩。并符合下式计算：顶升气囊间距：a=(L－b×n)/n。

式中L为船底可放置气囊的平底长度；b为未充气时顶升气囊的宽度；n为气囊个数。船底可放置气囊的平底长度为57.6 m；未充气时顶升气囊宽度为2.355 m；单排气囊数量为6个。（按上列经验公式计算得出a=7.245 m。）

2）船舶在船台与滑道连接位置，气囊的受力分析（如图3）。

船舶移动至船台与滑道连接位置，由图3可以直观的看出，此时，气囊的受力最复杂。

从确保船舶安全考虑，当船舶重心点移运到与坡道折角线相同位置时，需有经验丰富的人员负责操作，且应备有足够数量的应接气囊，以防万一发生气囊爆裂，随即可以替换；所用气囊必须能够承载下水船舶的总重量，并保证气囊不超压，船体不横倾；船舶上滑道时气囊高度能保持在0.5 m。

下水共需要气囊20条（12条移运，8条接应）。3）前拖动、后牵引力的设计。

船舶下水时的前拖动、后牵力：

——卷扬机的牵引力:F≥Fe/(N每×cosβ)/N Fe——前牵设备的保险力Fe≥Q×g×sina F——为卷扬机的牵引力

a——为牵引时的倾斜角，为3o Q——为船舶的重量按4 000 t计

——磨擦系数，取0.03

β——为牵引钢丝绳与水平方向的夹角；假设为0o

g——为重力加速度

N每——为钢丝绳的道数，取8道

N——为卷扬机数量；本项目采用4台卷扬机牵引：2台前拉，2台后牵

则根据上列公式计算得出：Fe=39 200×sin30=2 734 kN

F≥2 734/(8×cos0o)/2=170.8 kN

根据以上计算结果所得在实际操作中，前拉和后牵各选用20 t慢速卷扬机2台，并配备120 t的4轮滑车2个；满足使用需要。

后牵地面的拖力点设置，实际选用200 t的安全负荷，为保证在移动过程中卷扬机受力时，牵引点的安全。

4）地面承载力≥20 t/m3。

在实际施工过程中，对于卷扬机和气囊的使用也在设计计算的范围之内；后牵引力按自重4 000 t重量考虑，抗拉强度远大于移运1 500 t船舶的要求，在卷扬机的安全使用负荷下。在对气囊的安全使用过程中，通过对气囊充气压力的调整保持气囊的工作压力在0.2 Mpa以下，由于气囊贯通船舶底部并分两排布置，因此可以达到船舶的左右水平。同时在放置气囊时要考虑气囊充气后的状态和第二个充气气囊之间应有一定的距离，以免船舶下水时，气囊之间的相互挤压，使船舶无法移动。

在船舶下水施工中，指挥人员应与指卷扬机操作人员、气囊充放气人员密切联系，以掌握下水的时机和距离。并始终有一名测量员密切注意船舶的倾斜角，以保持船舶平整移动的离地状态（船舶点最低离地高度应控制≮300 mm）。

3.2广州厂区58.7 m工程船采用气囊滚动、搬运上半潜驳后，下水

航通公司于2009年6月在广州沥滘工地将4艘 58.7 m工程船,会同广州打捞局救捞工程处由临江码头岸用气囊搬运上“四航南沙”号半潜驳，然后 “四航南沙”调水下沉，实现船舶下水。气囊搬运时，58.7m工程船首部先上“南沙”号半潜驳。3.2.1工艺流程

准备工作——“58.7 mm拖轮”顶升——“58.7 mm拖轮”拉移上船坞——“南沙”号船坞下替——重复以上工序将剩余三条拖轮下水—— 撤场。

3.2.2准备工作

1）应确保“南沙”号坞船拉移施工作业区域有足够的水深。

在拉移作业前，应对“南沙”号坞船拉移施工作业区域水深进行测量，若发现该区域水深不满足“南沙”号坞＋58.7工程船叠加后的吃水深度要求的情况,则需要开挖。开挖宽度由“南沙”号坞之船宽左右舷分别各多开挖出8 m，以便于拉移58.7 m拖轮下船时调整船位。

随后，在码头边打四根钢管桩，并由三条路轨将四个钢管桩连成一整体，路轨面高度与码头高度一致，以满足“南沙”号坞船拉移时就位停靠。

2）场地布置。

在58.7 m工程船拉移前，先在码头现场画出58.7 m拖轮拉移上码头的位置、支墩位置、顶升位置和拉移轴线。并现场布置“地牛”（拖力点），其中500 kN的“地牛”2个，100 kN的“地牛”4个，同时安装用来拉移和留尾用的80 kN卷扬机4台。

3）索具准备：58.7 m工程船下水前，需准备一应拉移索具及顶升工具等。

4）清除58.7 m拖轮船底“尖锐物”及垃圾（包括焊缝打磨），以免刺破气囊。

5）沿船体中心线方向均匀布置11条长15 m、直径2m的高压气囊，穿引顶升气囊布置拉移气囊。

6）“南沙”号坞船甲板面焊拉力点：“南沙”号坞船上需提供两个100 t拉力点。3.2.3顶升

1）调整“南沙”号船位。

在高平潮时，将“南沙”号坞船呈丁字形靠泊码头，抛好锚带好缆后，精确调整“南沙”号坞船的船位，使拉移轴线与准备拉移的58.7 m工程船船体中心线相重合。

2）穿引两组拉移和留尾滑车组。

3）布置拉移气囊，将两组拉移、留尾滑车组收

紧后，对拉移气囊充气，使每个气囊的气压保持在1.0 Mpa时，即将58.7 m工程船全船缓慢顶起，逐个撤除船底的垫木，清洁、补漆；随后所有气囊一起放气，将工程船船底距地面的高度降至0.5 m。

4）调整“南沙”号坞船浮态，铺过渡钢板。

调整“南沙”号坞船的浮态，使其纵横倾为零，并保证”南沙”号坞船的甲板面与码头面高度差在20 cm之内。

铺过渡钢板，在“南沙”号坞船中心线两边并排各布置7块 6 000×2 000×25的钢板。3.2.4工程船拉移上船

完成58.7 m工程船顶升后，将其拉移上“南沙”号坞船（见图4）。拉移时间应选择在低平潮潮时，由牵引卷扬机、留尾卷扬机联合动作，使工程船缓慢滚动、前行，通过不断置换气囊将工程船最终拉移上“南沙”号坞船甲板面指定位置。整个拉移过程中，坞船甲板高度要始终高于码头面0~20 cm。工程船拉移到位后，还应在58.7 m工程船船底两旁放置40 cm高的沙包垫及35 cm高的枕木，每边布置11堆，然后才对拉移气囊放气，如此 58.7 m工程船就平稳的“安坐”在事先布置的垫木和沙包垫上；抽出拉移气囊，则顺利完成58.7 m拖轮气囊滚动、搬运上半潜驳（船）的整个作业过程。

以同样的作业程序将其余三艘拖轮都拉移至“南沙”号坞船；坞船下潜，工程船自浮而完成拖轮下水目的。

3.2.5有关计算

— 58.7 m工程船顶升拉移气囊的选取：

工程船下水重量按1 400 t计。气囊采用有效工作长度15 m超高压气囊各20条（超高压气囊直径为2 m、工作压力0.25 MPa）；按船底顶升高度0.7 m和气囊起重高度0.7 m＋0.5 m＝1.2 m的要求进行计算，设气囊有效承载宽度≥1.26 m，对于有效工作长度15 m的顶升气囊，当工作气压为0.25 MPa时，每条气囊承载能力为5 887.5 kN，气囊分布在第17号～84号肋位之间，有效布置距离为40.2 m，第17号、第84号肋位分别安放第1号和第10号气囊，均匀分布10条气囊，气囊中心距4.47 m，则气囊的受力如表4。

气囊工作的安全系数：n＝0.116 7/0.25=2.14

拉移过程中保证有11条在船底，10条提供顶升力，拉移时将船体顶升高度降低为0.5 m，此时气囊有效受力宽度更加增大，气压减小，所以可以确保安全。

— 牵引力计算：

牵引系统布置在半潜驳上，选用80 kN卷扬机2台并配320 kN四轮滑车组2套牵引系统。

配置时根据牵引力公式：

F=f×G

F为牵引力， f为气囊与地面的滚动摩擦系数，取0.03，G为58.7 m工程船下水重量。故F=0.03×1 400 t=42 t ，即58.7 m工程船在平路段移运须54 t牵引力。58.7 m工程船移动牵引钢丝绳采用 52 mm麻芯钢丝绳（破断力为135 t，折双使用）。滑轮组钢丝绳采用19.5 mm（麻芯）。卷扬机通过6倍率32 t四轮滑车组对58.7 m工程船进行牵引，每台卷扬机牵引力为80 kN（未考虑机械效率及夹角的影响），合力可达64 t；所以完全满足平移的牵引力要求。

参考文献

[1]广州打捞局.航通公司“58.7 m拖轮”下水工程施工组织设计.

[2]珠海澳新护舷气囊有限公司.1500 t船舶气囊下水技术方案.