走出一条船舶柔性下水的新路

济南昌林气囊容器厂有限公司

走出一条船舶柔性下水的新路

济南昌林气囊容器厂有限公司

船舶下水是一个古老的命题，近千年来，人们追求简易和安全的下水方式，为此付出了不懈的努力。重力式滑道下水传承着经典的下水方式，我国建造的第一艘万吨轮“东风号”就是采用这种方式下水的。

重力式滑道下水被广泛采用就是因为它比较简单，对于小型船舶来说，利用河滩的坡度，在简易滑道上铺上牛油和滑板，船只就能滑行下水了。但随着船舶尺度和吨位的增长，船舶滑道下水的风险也增长了。首先是滑道上单位面积负载的增长，引起润滑脂被挤压出来、发热甚至燃烧，产生难闻的焦臭味。其次是船底下需要设置一个承载船体重量的“船排”。它由纵横桁材（木材或钢材）组成，有的还需要首、尾支架，不仅浪费材料，而且构建的成本和消耗的人工也不少。再次是滑道必须延伸至水下相当长的一段距离，每次下水都必须清除淤泥，涂敷润滑脂，不仅维护的成本高，而且下水过后废弃的润滑脂会污染水域。滑道的水下部分往往造成堤防的缺陷，碍航和减少河道过水泄洪的能力。尽管人们做出了许许多多的努力来改善大型船舶滑道下水的安全性，但其固有的缺陷和时有发生的失败风险给大型船舶采用滑道下水蒙上了阴云。

对于大型船舶来说，漂浮下水方式被认为是最安全的。采用这种方式需要建造大型船坞，不仅建设投资大，而且运营费用高，增加了造船成本。机械化轨道下水方式也曾经风靡一段时间，但它的造价高昂，横移区占用的厂区面积大，维护成本高，当代新建的船厂中已经很少采用。

1 柔性下水技术

气囊下水是20世纪80年代由中国人发明创造的一种船舶下水方式。船舶采用气囊下水时，利用气囊的柔性、大面积承载能力以及变形后仍容易滚动的特点，先给气囊充气，顶起船舶，在卷扬机和钢丝绳的牵引下，依赖于气囊变形滚动的能力，使船舶向水面移动。当船舶移到水边时，松开牵引的钢丝绳，气囊在船舶重力的作用下继续滚动，带动船舶入水，完成下水过程。

气囊下水与滑道下水的原理有些相似，都是利用重力在倾斜的坡道上下水，唯独不同的是以气囊替代滑道下水中的“船排”和刚性的滑道，引起了一系列的变革：

（1）船舶下水坡度可以改小，目前最小坡度仅1%左右。船台上没有了滑道，可大大提高船台的利用效率。

（2）船舶下水坡道延伸至水下相当短的距离，大大缩减了整个工程的造价且无需维护，对堤防和航道的通航能力影响微小。

（3）对水域不产生废弃物污染；气囊使用后立即回收，并可以反复使用。

（4）气囊充气后能够将船抬起，拆除墩木很方便，整个下水工程一气呵成，无需消耗滑板、润滑脂和制作船排的材料，大大节省人工和材料的费用。

（5）船舶气囊下水工程可以外包，形成了一种灵活而高效的造船生产模式，减少了固定投资成本、维护滑道的成本和人员配备，提高了设备的利用率，为采用先进便捷的造船模式创造了条件。

（6）气囊的柔性（也可称之为弹性）使得船舶在下水过程中能够不断调整自己的船姿（纵倾角），船体受力的分配更加均匀合理，对船体的损伤小，并且能够吸收震动。它克服了滑道下水中常见的“尾下堕”和“尾上浮”等突变现象，使下水过程更加平稳和安全，因此又被称为“柔性下水”技术。

2 气囊开发创新路

气囊下水从成功的那一天起，困扰其进展的就是载运船舶的气囊强度。早期的气囊因制作技术落后、耐压强度差，以至于气囊下水船舶的吨重在首个十年间进展不大，始终在500 t以下徘徊。

1993年，济南昌林气囊容器厂成立，这是一家以开发高强度船用下水气囊及其应用技术推广为宗旨的民营企业。在孙菊香厂长的领导下，昌林率先研制成功“环绕贴敷”整体制作橡胶气囊的技术，加上采用优质的橡胶和高张力强度的帘子线，使气囊的强度大幅度提高，为气囊下水千吨级以上的船舶创造了条件。

1994年是我国船舶气囊上下水历史上发生转折的一年。那一年的9月份，舟山船厂使用济南昌林气囊容器厂生产的新型高强度气囊成功下水一艘长69.8m、宽14.8m、自重900 t的车客渡船。对此，《中国船舶报》给予高度评价，以“我国船舶气囊下水有新突破”的标题在头版头条作醒目报道。该成果被评为当年船舶行业的十大科技成就之一，标志着我国船舶气囊下水技术一个新的起点。从那时起，我国采用气囊下水船舶的吨位节节攀升，实现一个又一个的飞跃。

气囊下水技术在全国推广之后，由于缺乏标准，导致市场上出售的气囊良莠不齐，气囊下水失败的事故也接连发生。这使济南昌林气囊容器厂意识到必须建立行业共识的标准，以提升整个行业的水准。济南昌林气囊容器厂在制订出企业自有标准的基础上，与中国船舶工业综合技术经济研究院合作，着手起草、提出我国第一个下水气囊产品标准。这就是1996年批准颁布的《船舶上排、下水用气囊》（CB/T 3795-1996）船舶行业标准。该标准规定船舶上排、下水用气囊的定义、结构尺寸、产品标记、技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存等，这对船用气囊行业来说，具有划时代的意义。说它具有划时代意义，是因为这项标准没有对应的ISO国际标准，是完全由我国造船技师、企业家和标准化工程师通过千百次实践和理论研究，总结经验得来的，是由我国首创并制订的一项船舶行业标准。此后，这项标准经过多次修订，现已成为制订船舶下水气囊国际标准的蓝本。2011年国际标准化组织正式颁布了“船舶下水用气囊”国际标准（ISO 14409∶2011）。从此，船舶气囊下水技术打上了“中国创造”的标志。

制订标准的数据都是经过无数次实验验证和理论推导后得出来的。例如，为了验证气囊受压后内部压力的变化，首先建立气囊囊壁受力模型（如图1所示）；然后进行理论计算，得到垂向压扁后的内部压力变化规律以及强度变化规律，最后通过试验来加以验证。

试验方法分成两种。第一种称为压缩性能测试：气囊先充以初始压力，然后放在压力机上进行垂向压缩，每压缩一段行程（5%D）测量一次内部压力，得到一条内压随压缩量变化的曲线。这项测试委托山东大学力学测试中心具体执行。

图1 气囊囊壁受力计算的模型

第二种是爆破试验：爆破试验的全过程通过摄像机记录下来。这个试验由济南昌林气囊容器厂独立完成，并且在不同时期进行过多次，取得了极其宝贵的统计数据。

通过标准制订过程中所做的理论研究和测试验证，我们获得了安全系数的第一手资料，实现了较高的安保信心，所以“昌林牌”气囊在使用中从未发生因强度不足而产生爆破现象。

标准是一面镜子，能够检验我们对待产品质量的认真态度，从初创到建立科学的理论体系是一个重大飞跃，使济南昌林气囊容器厂获得了这个领域权威的话语权。

自2000年起，济南昌林气囊容器厂开始新一轮高强度气囊的研究与开发。经过3年的努力，终于研制成功新型气囊。鉴于对气囊工作机理有新的认识，新型气囊最终定名为“高承载力多层揉压气囊”。经过实践的检验，2005年12月通过省级科技成果鉴定并获“山东省科学技术三等奖”。

该项成果融入了五大创新：

（1）机理创新。提出了揉压气囊新概念，把气囊在船底下的运动描述为揉压运动，是对气囊受力机理的创新认识。根据这一机理，研制了新的橡胶配方，重点提高橡胶与骨架帘线的撕裂强度。

（2）优化帘线的布局结构。在弄清楚主应力方向的基础上，根据气囊工作特点优化帘线的布局，充分发挥帘线的抗爆能力。

（3）总结出一套崭新的硫化模式，即“低温－长时间”硫化模式，对气囊这类层数多且较厚的特殊橡胶制品非常适用，能保证里外层橡胶硫化程度基本一致，大大提高了气囊的强度和承载能力。

（4）创立气囊整体压合新工艺。在手工贴敷挂胶帘线的操作中，难免残留空隙，这种空隙是非常危险的隐患，在橡胶硫化过程中极易造成脱层现象。对揉压气囊来说，提高层间剪切强度是生命力所在，比单纯提高耐压强度更重要。为了保证气囊层与层之间更密实，经过长期的摸索，昌林创立了一套“整体双面压合新工艺”。采用这套新工艺后制作的气囊不仅表面平整，层间基本无气泡和脱层现象。

（5）采用头部抗爆设计新结构。随着气囊工作压力的提高，我们发现气囊头部铁件与橡胶结合部产生的泄气现象也增加了。这种泄气现象如不加以杜绝，在压力的作用下，气囊头部铁件极易飞出伤人。在气囊下水的事故中，此类由于采用一些生产质量不高的气囊，而在气囊下水过程发生气囊头部软件飞出伤人的事故已发生数起，值得我们提高警惕。为了适应高压的要求，昌林气囊采用头部抗爆设计新结构，其中囊嘴由原来的铝合金部件改变为铸钢件，杜绝了安全隐患。

昌林新研制的高承载力多层揉压气囊的强度比原型气囊提高48.6%，扣除增强纤维张力强度所提高33%的贡献外，因工艺和优化结构的提高达15.6%，占整个贡献值的32%，且这完全是属于科技含量的贡献值，实属不易。新产品投放市场之后，气囊下水船舶的吨位记录正不断被刷新。

3 柔性下水技术的进步

在气囊制作技术取得突破性进展的基础上，济南昌林气囊容器厂有限公司同时致力于高新船舶气囊下水配套技术的开发与应用。2002年，第一艘万吨级油轮“舟海油28”轮采用昌林研发的新型气囊下水获得成功，成为大型船舶采用柔性下水技术的起点（图2）。

图2 万吨油船气囊下水首获成功

2010年12月，70 000吨级散货船“新东莞1”号（图3）在舟山市正和船厂采用昌林气囊下水获得成功更是锦上添花。该船总长222m、型宽32.26m、型深18m、下水质量达到13 000 t，使得大型船舶适用的气囊下水技术取得了突破性进展。这艘船巧妙整合了昌林推出了多项气囊下水新技术，其中有不等间距气囊布置和气囊拼接新方法，气囊下水专用坡道设计以及气囊下水的计算机程序等新举措，从而将整个气囊下水技术提升到新的高度。

图3 70 000 t散货船气囊下水首获成功

此处要特别提一下气囊下水专用坡度的设计，这种称为“双折角变坡度”的气囊专用坡道设计是昌林在气囊下水实践中总结出来的。该技术第一次正式应用于扬州国裕船舶制造有限公司新建的大型船台和气囊下水坡道。由于这种坡道建造要求低、投资省、施工周期短，因此该船厂仅在不到一年的时间就建成投产，这在大中型船厂建设史上堪称奇迹。其制造的第一艘船就是载重45 000 t的“国裕海驳1号”，这是当时世界上载重吨位最大的ATB运输船。2007年7月底，该船在昌林气囊的支持下顺利下水，创下当时气囊下水质量突破9 000 t的记录。后来，这种形式的坡道在采用气囊下水的船台改造中得到普遍推广，成为一种创新的气囊下水船台和坡道形式。

气囊下水的计算比滑道下水的计算复杂得多。由于气囊的弹性，船体在气囊的载运下沿着坡道滚动，每前进一小段距离，船体的纵倾角、离地的高度、船底下各个气囊的内压、与船底的接触面积和排水体积都会发生变化，而且处于一种动态的平衡之中，其中大量数据的计算不依靠计算机程序是无法实现的。在理论与实践相结合的基础上，我们建立了大量的数学模型，于2009年开发完成第一个船舶气囊下水计算的计算机程序。经过不断的使用与改进，目前已经完成十几个程序模块的编制，其功能包括气囊的自动配置、初始气囊压力的设定、气囊下水过程中各个气囊压力的变化、船舶姿态的变化，以及各种运动参数、系船钢缆的牵引力、船舶下水的速度、加速度、行程和冲程、船体结构的应力计算和强度校核等。

2011年11月20日，由我国自主研制的CP-300自升式海上石油钻井平台，在辽河石油装备制造总公司由昌林承包气囊下水首获成功（图4）。海洋钻井平台利用气囊成功下水在当时属国际首创，接着在2012年11月3日，我国自主研制的HTV海上风电设备安装船“辽河一号”采用气囊下水再次创造奇迹（图5）。该船总长144m、型宽40m、型深10.75m，下水质量逾13 000 t，标志着装有高端技术装备、形状各异的海工船舶得以利用气囊安全下水。

图4 海洋钻井平台气囊下水首获成功

图5 “辽河一号”风电安装船气囊下水再创奇迹

在这20年中，昌林通过科技创新结出一系列丰硕成果：

·1999年5月19日，昌林在旅顺采用气囊横向下水技术，将一艘工程船“海建3002”号顺利送下水。

·2006年7月25日，昌林承包3 500m3液化气运输船“长能”号在湖北黄冈市利用气囊顺利下水，开创了V形底船舶气囊下水新技术的应用。

·2008年5月，昌林协助完成了武汉“中山舰”陆上长途迁移的壮举。气囊迁驮全程达到625m，谱写了一曲光辉的凯歌。

·2009年12月22日，国内自行设计、建造的首艘大吨位自航式半潜船“希望之路”号由昌林承包，并在天津滨海新区顺利下水。

·2010年5月28日，昌林在天津滨海新区采用气囊上下水技术，将一艘密挤砂桩船顺利拉上船台，进行修理后再送下水。该船桩架最大高度达75m，重逾3 000 t，为进一步研究大型特殊工程船舶气囊上坡技术奠定了良好的基础。

·2013年3月15日~17日，烟台打捞局船厂建造的3 600 t打捞起重船“德浮3600”采用气囊滚装移位至半潜驳（图6），再由半潜驳下潜使船舶自然漂浮的组合下水方式，开创了气囊在平地造船下水技术中的应用。

每一次拓展，都包含着新的创意，融入了昌林人的智慧。

无限风光在险峰！昌林始终密切关注着世界造船下水技术前沿的发展，与时俱进、深入挖掘船舶气囊下水技术潜力。公司的下一个目标是突破10万吨级船舶的气囊下水技术关，向更高的目标前进！

图6 “德浮3600”打捞船利用气囊滚装移位至半潜驳

4 国际标准和国际应用

2011年9月1日，“船舶下水用气囊”国际标准（ISO 14409∶2011）正式颁布；2013年5月1日，国际标准再谱新篇，第二项标准是由昌林公司主持起草编制的标准“船舶用气囊下水的方法学（ISO 17682∶2013）”由国际标准化委员会正式发布。这两个国际标准的颁布标志着我国创立的船舶气囊下水新技术得到了国际认可，成为船舶下水领域中的一朵奇葩。它也标志着济南昌林气囊容器厂有限公司始终站在这一领域的前沿，经过20年的不懈努力，终于让这朵创新之花灿烂绽放。

随着气囊国际标准的颁布，由我国发明的船舶气囊下水技术加快了国际应用的步伐。自21世纪初，马来西亚、新加坡、印度尼西亚、越南、日本等客商纷纷前来我国考察此项新工艺。我国通过承包国外气囊下水工程、出售气囊并承接技术咨询服务等方式向国际上推广船舶气囊下水技术并取得了丰硕的成果。

2004年8月，马来西亚林氏企业集团有限公司邀请昌林派遣专家组赴马来西亚进行实地勘察，确认实施气囊下水工艺的条件具备后，立即订购了15只直径1.5m的高承载力气囊。采用气囊下水的第一艘船下水成功后，该公司决定再添置一些气囊，在马来西亚东部海岸各船厂间开辟气囊下水工程承包服务。

2007年，在地中海海滨，土耳其船厂一艘大型货船在昌林派去的工程技术人员指导下，使用气囊下水首获成功。该船长120m、宽18.6m、自重3 660 t。同年，在波斯湾沿岸，伊朗的一家船厂采用气囊，顺利下水了一艘大型工程船舶，该船长110m、宽14m、自重1 800 t。

近几年来，东南亚地区造船业方兴未艾，新建的船厂大多废弃传统的滑道下水方式，而采用更为简易的气囊下水方式。这种高效、节能、环保的船舶下水方式正越来越受到国际造船界的欢迎，前景无限美好！

5 结论

济南昌林气囊容器厂有限公司自1993年成立以来，直至2013年第二个有关气囊的国际标准颁布，已奋斗了二十余年，走出了一条船舶柔性下水的新路，创立了相当丰富理论和研究成果，从而使复杂的船舶下水作业变得省力、简易和安全，为世界造船业做出了杰出贡献。

昌林气囊催发百舸千帆！

［作者：孙菊香 朱珉虎］