万吨级船舶气囊下水研究

孙菊香，黄立身，赵光胜(济南昌林气囊容器厂有限公司，山东 济南 250023)

万吨级船舶气囊下水研究

孙菊香，黄立身，赵光胜
(济南昌林气囊容器厂有限公司，山东 济南 250023)

气囊下水技术是我国具有自主知识产权的一项高新技术。文章基于气囊下水存在的一系列技术问题，通过气囊压缩试验、实船下水过程测试等方法的不断探索、研究，对大型船舶下水用气囊的结构及性能参数要求、船台坡道参数、牵引力计算以及下水计算等方面进行了深入的研究，总结出了一套完整的计算方法。研究结果已在 70 000 DWT和82 000 DWT等船舶下水实践过程中得到了充分的认证，从而为大型船舶的下水提供了一套技术理论支持。

万吨级船舶；折角型坡道；气囊下水；计算方法

2002年，总长138 m，满载排水量15 000 t，下水时船体自身质量4 000 t的万吨级油轮“舟油28号”在浙江台州用气囊下水获得成功。不久就有2～3万吨级各类货船用气囊下水，用气囊下水的船舶吨位和自身质量迅速提高。2008年后，55 000 DWT巴拿马型船“VICTORIA Ⅰ”号在浙江三门下水，其后有57 000 DWT、70 000 DWT、82 000 DWT船舶下水，下水质量已达到13 000 t。

上百艘万吨级船舶用气囊下水取得成功，气囊下水的吨位越来越大，取得这些成果除工艺操作水平提高外，与以下各项研究成果有密切关系。

1 气囊

气囊承载能力的提高是实现万吨船舶下水成功的第一关键，从受力分析和长期应用实践已证实缠绕型的结构是最优秀的，我们进一步又从万吨级船舶使用特点中找出了气囊制作中帘子布的最佳缠绕角，提高了气囊承载力。

万吨级船舶用气囊下水初期，多数采用直径1.5 m、起墩时充气压力达到0.13 MPa、长度18 m、2 500 kN承载力的气囊。到后期，如今最新产品已到达充气压力0.16 MPa、长度增加到24 m、直径1.5 m气囊，起墩时就能有4 000 kN承载力。

从目前情况看，具有最佳缠绕角的气囊是今后大型船舶气囊下水用的最佳载体。

2 坡道

气囊在倾斜的坡道上滚动，驮载船体下水，以区别滑道滑板的下水方式，故把这种用于气囊下水的带有坡度的特殊地面道路称之“坡道”，船体建造时船台部分地面道路也应包括在坡道之内，这里只讨论坡道斜度、长度和强度。

气囊下水初期只用于内河小船，船体重量轻，气囊可以在泥土地甚至草地上滚动。第一艘采用气囊下水的万吨船以及其后第一批一两万载重吨的船舶仍然是在泥土地上下水。由于这些坡道都经过多次长期使用已经压得很结实，能承载初期一两万吨级的船舶下水，但在临近海水浸泡的区域就很危险，存在不安全因素，为此我们提出今后万吨船舶必须建钢筋水泥混凝土下水坡道，经过多年研究，并为多家船厂设计了新型适用气囊下水的折角型坡道，它由主坡道和副坡道2个部分构成，见图1。

图1 气囊下水用的折角型坡道

船体就在主坡道上建造，其长度应达到施工要求。主坡道的坡度K1应达到船体在解脱牵引后能自滑，但也没有必要取过大的坡度，坡度加大，牵引力就要求大，容易发生事故，船台建造投资也加大。关于K1的选取：由于船体自滑力是自身质量的分力，所以自身质量越大自滑力也越大。与传统滑道设计相同，下水船舶自身质量越大，坡道的坡度相对较小，根据近年来万吨级船舶使用情况，提出如下意见(见表1)，仅供参考。

表1 主坡道坡度

主坡道的坡度最后确定还需要综合考虑原始场地的地形、地貌对施工条件、投资成本的影响，以及地质、水文、气象条件等诸多因素的影响，上表仅考虑船舶质量大小引起的对牵引力的要求。

副坡道的长度，要求在其上能停放5只气囊起到承压作用就可以，所以用直径1.5 m气囊时，一般取13～15 m，过长就不起作用。

副坡道的坡度K2，首先不能太大，否则第5只气囊就不能起到有效作用(不受压缩)，如采用直径1.5 m气囊，坡度1/10 以后就出现这种情况。其次又不能太小，如果小于船体倾斜后的最大倾钭度，副坡道上的气囊就会出现最靠尾部一只气囊压缩量大于拐点上气囊的压缩量，在这种情况下，不但气囊有危险性，同时还对坡道末端造成很大压力，容易发生事故。根据近年来3万～8万DWT艉机舱货船的下水计算，一般当水位到达拐点时，船体最大倾钭度1/32～1/28，所以坡度应大于1/28为宜，目前用直径1.5 m气囊时，平时多数取K2=1/15～1/25。

副坡道及主坡道后半部必须用钢筋水泥混凝土建造并有足够的强度。

3 牵引力计算

气囊下水技术推广最初10年间，由牵引失败而造成的事故占气囊下水事故之首位，而且其危害性大。随着万吨级船舶自身质量增加，牵引力就要求更大，更应重视牵引力的计算。牵引力F推荐按式(1)计算：

F=[k1(m·sinα-k2μ·m·cosα)]a，

(1)

式中：F为牵引力，kN；m为船舶自身质量，kg；α为船舶龙骨倾角,°；μ为气囊滚动阻力系数；k1为安全系数(k1=1.5～2.0)，目前多数取2；k2为船舶气囊下水工艺操作影响系数，与气囊充气压力、摆放平行度等有关;a为加速度，m/s2。

上式中的滚动阻力系数，至今尚无准确的计算方法，在小型船计算时，从安全角度考虑，可以不计算此值。但大型船也如此会造成误差太大，为解决这一困难，通过观察多艘万吨级船舶在不同坡度的坡道上下水时是否能自滑，即下达下水指令脱开牵引后船舶能否自行下滑。能自滑时，此坡道的坡度值必定大于气囊滚动阻力系数。观察多艘70 000 DWT和57 000 DWT等巴拿马型船在主坡道1.2/100～1.25/100的坡道上下水时，其中少数能自滑，多数不能自滑;当在坡度1.3/100坡道上下水时，全部能自滑。从而得知，气囊滚动阻力系数μlt;1.2/100。因为只要有一次能自滑，就说明这一点，其它不能自滑者，主要是气囊在铺放过程中的不平行度造成，尽管工艺要求气囊铺放与船体中心线垂直，要求全部呈平行状态，由于气囊是柔软的长条,实际操作时要将数十条气囊达到都平行很困难，必定有误差，所以就出现相同的姊妹船在同一条1.2/100坡道上下水时不自滑的情况，将这种因素称为操作影响系数k2。若将k2μ结合在一起，其值开始接近而小于1.2/100，为了安全以及未知的因素，推荐k2μ= 0.006 5～0.008 5，供计算参考应用(适用主要气囊内压0.13～0.16 MPa)。经过在多艘船舶计算中应用，按公式计算得到的牵引力是目前常用牵引设备所能够实现且有安全保证。

上述参考值只供下水时应用，因为上水作业(指船舶从水中拉上岸坡)摆放气囊更困难，很多作业在水中又与船舶牵引前进同时进行，气囊的不平行度更大，所以上述推荐值不能应用在气囊上水作业中。

4 下水计算

船舶气囊下水工艺从1981年开始应用，直到2002年万吨级船舶开始应用后，一直没有下水计算方法，经过多年试算，反复修改，终于用静力平衡的原理，逐步近似的计算方法研发出一套气囊下水计算方法。按下水过程船体承载不同，可分为3个阶段。

第1阶段：船体全部由气囊承载。

第2阶段：船体由气囊和水浮力共同承载。

第3阶段：船体全部由水浮力承载，这就是船舶静力学中的全浮状态。

计算方法全部按船舶静力学方法进行。以下只介绍第1,第2阶段的计算方法。

任何阶段任何时刻都必须达到静力平衡，满足以下2式：

∑Fi+FV=ma

(2)

∑Fi·Si+FV·SV=0

(3)

式中：∑Fi为计算瞬时船底下气囊承载力总和，kN (以下用表2，表3计算)；FV为计算瞬时浸水船体浮力，kN (由表4计算)；Si为气囊距质心距离，m；SV为船体浸水部分浮力中心距质心的距离，m；m为船舶质量，kg；a为加速度，m/s2

其中船体在水中的浮力和浮心计算不论是半浮还是全浮都可以用船舶静力学方法(如表4格式)就可计算出，不需研发新方法。而气囊承载力计算可根椐其计算式中各要素设计成表2和表3格式就能计算出每只和全部气囊承载力及其对质心之矩。

下水计算长期不能突现，其中有一个最关键的气囊刚度没有求出，因为起墩结束，船体自滑开始后，气囊相对地面的位移速度仅为船体之半，造成尾部悬空长度随着船体前移越来越长，尾部从一开始就产生一个微小的尾倾角并逐步加大，在此运动过程中，每只气囊的工作高度，内压都在变化，所以必须先求取气囊的刚度。我公司通过3次压缩试验并与浙江工业大学合作在一些实船试验后，提出气囊内压随工作高度变化的计算方法：

(4)

式中：P1、H1为气囊初始时(即起墩时设置的工作压力和工作高度，见表2中的数据)对应的工作压力和工作高度；P2、H2为计算行程点气囊工作压力和工作高度(计算按表3/进行)；D为气囊直径，m；n=1.1～1.2，随起始工作压力越高，取较大值，如大于0.13 MPa时，取1.2，当起始压力在0.10～0.13 MPa时，可取1.15，当起始压力lt;0.10 MPa，可取1.1。(我们压缩试验最大气囊变形率仅70%，所以大于70%后误差较大。)

以下分别就第1，第2阶段中最典型最重要的位置作说明。

4.1起墩计算

起墩计算属第1阶段，没有水浮力，凡第1阶段任何时刻都可以用表2格式计算。

起墩计算是气囊下水中一道重要工序，即原来坐落在硬墩上的船体先抬起来，撤掉墩木后转换到气囊上的全过程。所有气囊承载力要全部托起船体质量，其平衡条件可简化为：

ΣFi=ma,

(5)

ΣFi·Si= 0,

(6)

M1=F1×S1(kN·m)。

看过表2就能了解每只气囊承载力及其对质心之矩的计算方法和结果。计算过程必须通过多次调节气囊内压值、数量、型号、间距等逐步满足公式(5)和(6)的要求。

表2 起墩时气囊承载力计算(D=1.5 m)

4.2船舶质心到达坡道拐点时的计算

绝大多数常规船其质心到达折角型坡道拐点时，处于拐点附近的气囊其内压和船舶内应力都处于最高位。这时船体受气囊和水浮力共同承载，属第2阶段计算，凡第2阶段都可以用此方法计算。 进入第2阶段，气囊在船下的数量越来越少，船移到新位置后，其数量和位置可根椐气囊前移速度是船体之半的关系划定。取表3格式可计算出这部分气囊的承载力。先假定船体倾度和拐点上的气囊(如表3中的13号气囊)的工作高度H13能完成表3的全部计算，然后把相同的倾斜度和工作高度H13代入表4，借助邦氏计算表就能算出水浮力和浮力对舯之矩，但必须换算出对质心之矩。为缩短反复计算的次数，首次取倾斜度和H13应参考近似船舶的数椐，倾斜度也可取在主坡度与副坡度之间，一般巴拿马型船可取0.025～0.035之间。

表3 船体质心到达拐点时气囊承压力计算 (L行程=111.6 m;tanα=0.03;H13=0.43 m)

表4 船体浮力计算(H13=0.43 m;tanα=0.03;浸水长度LOZ=106.63 m)

浮力=1.025×10.925×232.16×9.81 =25 503.61 kN (其中10.925 m为站距=L/20，L=218.5 m为船舶两柱间长);

浮心距舯=10.925×(-1 165.91)/232.16 =-54.86 m；

质心距舯=8.95 m；

浮心距质心=-54.86+8.95=-45.91 m；

浮力对质心矩=25 503.61×(-45.91)=

-1 170 870.74 kN·m。

把表3和表4的计算结果同时代入表5，要求满足式(5)和(6)的要求，否则要重新假设倾斜度和工作高度H13，直到满足为止，一般都要经过很多次计算才能近似满足，所以这是一个逐步近似的过程，可用本原理作出程序计算后就能达到高效率。

表5 综合计算

4.3下水最低水位确定和气囊强度的校核

经计算可知，船底高度以及每只气囊新的内压值，一般对常规万吨级船舶当船舶质心到达折角型坡道拐角点上就出现气囊的工作高度最低，而内压最高(也可以增加其他位置，用同样方法计算与其比较，查找有否更高的内压值)。只要气囊的最高工作压力不超过该气囊的使用压力(由气囊生产厂方提供)，应视为安全。这也说明该计算水位是允许的，否则应调节气囊布置方案，如增加气囊、减少气囊间距、更换气囊型号等，如果最终还达不到要求，就应认为该计算水位不适合下水，建议等待水位增加后再下水。

计算后可知，气囊受压最大处即起始位置，应当把最优质气囊放置该起始位置。

5 结束语

船舶用气囊下水从初期只能下水几十吨内河小船，到目前大量万吨级船舶(最大自身质量已达13 000余吨)的安全下水，这一成果主要是依靠气囊承载力的提高、新型下水坡道型式和科学的气囊下水计算方法的不断研究、应用完成的。其中，气囊下水计算方法，能科学地在下水前计算出全部下水过程中气囊的位移、压力、工作高度等以及相互关系等诸多动态技术参数，能对下水安全作出更准确的预报、评估，使气囊下水工艺在理论上达到了新的水平。只要经过这种计算，并严格按操作规程(参阅国际标准：船舶与海事技术——船舶用气囊下水方法学)进行， 所有10万DWT以内的常规型船舶都能安全下水。

Application of air bags to launch ships is a high-new technology with independent intellectual property rights. Based on air bag compressure test and launching process measurement for full-scale ships, a series of technical solutions has been explored and developed, that is the requirements of both form of structure and performance parameters of air bag for large ship launching, the launch ramp' s parameters, the traction calculation and launching process analysis methods, etc. In this paper a complete set of calculation method is summed up. The research results have fully certificated in practice of launching ships from 70 000 DWT to 82 000 DWT, so as to give the technic and theory support for launching large ship utilizing air bags.

ten thousand tonnages class ship;ramp with break angle type;ship launch utilizing air bags;calculation method

U673

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.02.013

孙菊香(1948-)，女，山东胶南人，济南昌林气囊容器厂有限公司董事长，主要从事气囊、靠球等产品的研发、制造与管理工作。

2015-02-03