极寒地区大型倒T型坞门的设计与研制

蒋梦嫣

(中船第九设计研究院工程有限公司 工程设备设计研究院，上海 200063)

0 引 言

在位于俄罗斯远东地区的某大型造船厂总体规划中，将建设大型新型干船坞，而坞门则是船坞的重要配套设备，俄方决定将其交给中方进行设计和制造。

国内普遍采用方箱形浮式坞门，坞门直接靠至坞口。据不完全统计，世界上已建成并投入使用的倒T型坞门仅有3座，国内仅有1座，位于舟山地区，为英国人设计[1]。国内承接的该型坞门为国内自行设计并制造，可在极寒地区进行正常开关门作业，属于国内领先、国际先进水平。

1 项目背景

该型坞门长度为114.85 m，属于大型钢质浮式坞门。

倒T型坞门的优点为：轻载排水量小、结构轻、重心低，在作用于坞门门体结构的额定荷载下可稳定站立于坞槛上；在工作状态时，一侧止水橡胶处于压缩止水状态，另一侧止水橡胶处于坞内无水侧，方便维护和更换；在关门状态时，可排干压载水舱内的压载水，减少内部水舱的腐蚀和维护；压载水舱总水量较方箱形坞门大幅减少，在应用于极寒地区时，可大量减少内部水舱防结冰设备；在关门状态时，若遇断电断气等能源紧缺的极端情况，可人工排空压载水舱内的水，减少冰害产生。其缺点为：关门对位间隙小，在旋转开关门时与坞墙的碰撞难以避免，操作对位难度较大，一次开关门时间较长；与同规格方箱形坞门相比吃水深，要求具有一定水深方可起浮；在关门状态时占用部分坞内空间。

根据船坞所在地的气象、水文水象和淤泥等情况和厂方使用与维护等条件，坞门型式种类多样。浮式坞门由于其具有适应性强、相对制造简单和操作与维修保养简便等优点，成为干船坞内较常见的坞门型式。钢质浮式坞门是现代化修造船坞的重要配套设施：在开启时可使坞内外水域相连，方便船舶进出船坞；在关闭时可挡住坞外水，并利用与坞室配套的排水系统排净坞内水，使船坞内修造船作业环境基本干燥。

俄方造船厂所在地区冬季极端低气温可达-30 ℃，要求坞门在海面形成极端厚度(70.0 cm)冰层时，开关门作业不受影响，并根据环保要求，禁止采用化学药剂融冰。这对坞门抵抗冰荷载、外部防冰冻、内部水舱防结冰和内部干舱供暖等提出严苛的要求。

根据对该型坞门使用工况和技术参数要求的分析，其主要功能包括：在极限工况条件下正常开关门、冬季防冰害、外部防冰冻、内部干舱供暖和消防与应急情况下的保障措施等。

2 门体结构优化

倒T型坞门不同于较常见的箱形浮式坞门，其结构型式为：主长大部分结构为倒T字形截面，两端为方箱形。坞门沿纵向中心线对称，可双面止水使用。与方箱形坞门矩形面积相比，倒T型坞门主要断面面积减小较大，坞门总质量得以减轻。坞门越长，这种优势越明显。

以往为国内北方船厂设计坞门，最寒冷的地区为大连和葫芦岛等地。大连地区百年一遇的冰厚仅为33.8 cm，常年冬季冰厚为5.2 cm；葫芦岛地区百年一遇的冰厚为49.2 cm，常年冬季冰厚为13.1 cm[2]。国内这种厚度的冰层较容易破裂，形成小面积浮冰，坞门冰荷载主要为风和水流推动流冰产生的冲击力或摩擦力。由于坞门所在水域一般风速和水流速均不大，因此冰作用力不大。国内船厂在冬季最冷结冰期均无开关坞门的要求，而在冰厚为70.0 cm时，一般为大面积冰层，无破冰船等强外力作用不会形成小面积浮冰。虽已设计坞门外部气泡防冰装置、坞门外部融冰系统和坞门外部射流防冰系统，在正常情况下坞门与水接触的一段距离内不会结冰，但为安全考虑，在计算时坞门结构设计须考虑冰荷载，主要为风和水流的作用力对大面积冰层所产生的静压力。

在风或水流的作用下，在大面积结冰层沿其运动方向的长度l<1 200.00 m时，冰层对构筑物产生的静压力为

(1)

式中：P为总压力，N；b为冰层宽度，m；v为冰层移动速度，m/s，在敞海中由于风的作用，v可达1.000 m/s。根据式(1)计算得到大面积冰层产生的静压力为3 450 kN。

为保证该型坞门的安全性和可靠性，对坞门结构进行整体有限元分析计算，通过结构刚度和应力控制指导坞门结构优化，使结构应力分布基本均化，变形协调[3]。依据相关规定[4]，坞门结构设计计算采用容许应力方法，结构主体材料为EH36钢。EH36钢的弹性模量为206 800.0 MPa，泊松比为0.29，屈服强度为355.0 MPa，组合应力容许值为227.8 MPa，剪切应力容许值为132.4 MPa，区格板压应力容许值为260.1 MPa。常规倒T型坞门结构，越靠近水面附近的结构越薄弱，原因在于水压力越接近水面越小。但由于该型坞门在水面附近存在大面积冰层产生的静压力，常规结构无法满足要求，水面附近结构最大应力和区格板压应力均超容许值，因此将坞门门体结构进行局部加强，包括局部板厚加大和增加T型结构等措施，最终将应力控制在容许值以内。坞门有限元计算结果如图1所示。

图1 坞门有限元计算结果示例

3 系统设计

3.1 坞门管路系统

该型坞门管路系统设计的创新点和技术改进如下：

(1)增加船坞进水管阀系统，成本微小，可解决船坞进水问题。国外的倒T型坞门无向坞内注水的管阀系统，需要在船坞建立廊道向坞室注水，投资较大。

(2)增加压载水舱分舱管阀系统，用于应急状态时的压载水舱隔断。增加固定压载干舱的积水排水管路系统，用于应急状态时的干舱排水。国外的浮式坞门或浮船坞在遭遇意外撞击受损时，曾由于干舱进水过多而造成浮体沉没，对此增加内部水舱隔断和应急排水设计，可使坞门在遭遇意外时降低沉没风险。

(3)对整个坞门管路系统进行设计优化，动力源以电能为主、柴油发电机为辅，简化部分管道，固定压载采用固体压载代替水压载，取消固定水压载相关管道，降低故障率。国外的倒T型坞门动力源分为柴油发电机、空压机和液压泵站等，坞门管路系统设计复杂，故障率相对较高。

(4)增加1套完整的报警和消防管路系统，可保证电气控制室和设备房等舱室的安全。坞门消防系统平面布置如图2所示。

图2 坞门消防系统平面布置示例

3.2 坞门外部防冰冻系统

为保证该型坞门的正常使用，防止冰层冻结坞门、冰害破坏坞门结构和坞门止水装置与坞口止水面冻结，在坞门外沿和土建止水带内采取多种防冰冻措施，包括坞门外部气泡防冰装置、坞门外部融冰系统、坞门外部射流防冰系统和坞门止水带防冻系统。坞门外部气泡防冰装置通过调节气泡发生器生成的气泡数量，利用气泡破坏冰结晶可防结冰。坞门外部射流防冰系统通过潜水泵射流扰动水体，可减少成冰可能。坞门外部融冰系统通过电加热棒融化附近海冰可实现冰门脱离。坞门止水带防冻系统通过在土建止水带内布置箱形梁结构，内部敷设供暖热水管道加热预埋钢板，可防止橡胶在海水中与预埋钢板冻结。上述4套坞门外部防冰冻系统可满足不同气温和水温下的防冰冻要求，坞门在结冰期可正常使用。

(1)坞门外部气泡防冰装置

该装置包括吸入空气过滤器、空气干燥机、空气压缩机、压缩气体储存罐、空气压力检测仪、水下防冰冻工作模块、集控阀组、上位机和气泡发生器。通过研究气泡理论，使用不锈钢气泡发生器，在水下生成连续气泡，带动水体形成流场。气泡获得初始速度，在水浮力加速度作用下向上运动，带动周围水体产生竖向流动，形成局部环流水流场，流动水不易生成冰结晶，或将已生成的冰结晶破坏。无冰结晶的水处于过冷状态不会结冰，即气泡产生区域的水不会结冰，这样可消除冰的静压力、冰对构筑物产生的拔力和其他冰害破坏坞门结构，确保坞门在极寒情况下安全使用。该装置融冰范围宽度较大，可达1.00～2.00 m。前期投资比坞门外部射流防冰系统稍大，后期运行能耗较低，维护简单。坞门外部气泡防冰装置如图3所示。

图3 坞门外部气泡防冰装置安装示例

(2)坞门外部融冰系统

该系统在坞门外侧设置若干组电加热棒，与坞门外部气泡防冰装置的出气口相对应。在打开电加热棒、冰层融出小洞后，打开气泡发生器，使气泡持续冒出，逐渐扩大融冰区域，最终实现冰门脱离。该系统能耗较大，仅作为应急措施。坞门外部融冰系统如图4所示。

图4 坞门外部融冰系统平面布置示例

(3)坞门外部射流防冰系统

该系统包括潜水排污泵、射流管、射流口和电控装置。通过在坞门临水侧的水面下方设置管路，管路与潜水泵和射流口相互连接，形成射流系统，在水下产生持续不断的流体，破坏冰结晶形成，防止水面冻结。该系统前期投资较少，后期运行能耗较大，可作为坞门外部气泡防冰装置的小范围补充措施，融冰范围宽度为1条窄缝，以保持冰层不连接为主。

(4)坞门止水带防冻系统

该系统主体为防冻箱形腔和不冻热载体管道。通过热水系统向不冻热载体管道内注入80 ℃的含防冻液热水，设计流量为1 720 kg/h，流速为0.222 m/s，比摩阻为14.211 Pa/m。防冻箱形腔内始终保持一定温度，防止由于预埋钢板冻结而使坞门止水带与其黏结。

3.3 坞门内部水舱防结冰系统

在国内北方船厂常规坞门设计中，由于冬季结冰厚度较低，薄冰对内部水舱结构影响较小，因此除适当加强结构外，无须进行其他特殊处理。但该型坞门仅依靠结构加强成本过高，需要增加坞门内部水舱防结冰系统。该系统包括内部水舱保温与加热盘管管道和射流扰动组件。采用热水循环系统向盘管提供热水，并在内部水舱下部即水面以下设置一定管路，利用潜水泵在水下产生连续射流，破坏冰结晶，防止内部水舱水体冻结。根据文献[5]，可计算冰盖下方水温补给热流量和水气交界面热流量损失强度等。内部水舱保温采用喷涂聚氨酯保温材料和聚脲防水涂料的加工工艺，具有防水、耐磨、防腐和高效保温的效果，使用寿命长。内部水舱保温层在加工时采用人工喷涂方式，简易快捷，且便于修复。

3.4 坞门内部干舱供暖系统

在国内北方船厂常规坞门设计中，由于人员在冬季不进入坞门内部，因此无内部供暖需求。但该型坞门须在极端气候条件下可正常进行开关门作业，需要增加坞门内部干舱供暖系统，提供舒适的工作环境，保证电气设备正常运行。该系统包括保温壁板、供暖管道和散热器等。在坞门各舱室内敷设固定供热管道，在低温时可与岸上的热水管道联通，利用不冻热载体循环对内部干舱进行加温。内部干舱供暖区域在钢板内侧敷贴不燃型保温材料，部分区域可使用小型移动式电加热设备进行加温。供暖负荷的计算传热系数按≤1.5 W/(m2·K)取值，考虑15%的安全因数，该系统负荷为185 kW。

3.5 坞门电控系统

坞门电控系统包括：坞门实时运行监控系统、坞门外部融冰监控系统、坞门外部防冰冻检测装置、坞门管路实时监控应急控制系统、坞门开关门操作与监控系统、坞门消防监控系统、坞门倾斜自动调整系统和坞门内部干舱自动检测排水系统等。

(1)坞门实时运行监控系统

该系统包括运行状态监控模块、运行参数回溯模块和远程监控终端。通过预设的运行状态监控模块对坞门外部气泡防冰装置、坞门外部融冰系统、坞门内部水舱防结冰系统、坞门内部干舱供暖系统、坞门止水带防冻系统和坞门各设备的运行参数进行实时获取，通过传输接口实现远程终端实时显示，便于实时监控各系统的运行情况。使用运行参数回溯模块分析所获数据，及时提取故障参数，通过传输路径回溯故障参数源路径，可快速分析查找故障点位，简化人工排查手续，并提高安全可靠度。坞门实时运行监控系统如图5所示。

图5 坞门实时运行监控系统

该型坞门采用人机界面(Human Machine Interface，HMI)代替传统模拟屏，可实时显示坞门各主要泵阀的工作状态、参数和故障示警等，并储存相关数据，便于坞门的日常维护和管理。坞门主要电气设备界面如图6所示。

(2)坞门外部融冰监控系统

该系统包括气泡发生模块、温度监测模块、坞门外部融冰系统和总控模块，其中：温度监测模块由设置于坞门外部相应位置的温度传感器(Temperature Sensor，TS)组成。在气泡发生模块运行前，可使用坞门外部融冰系统进行水体预加热，避免坞门外部结冰，为气泡发生模块运行提供足够时间，保证气量充足。通过总控模块对气泡发生模块和坞门外部融冰系统进行统一控制，可在气泡发生模块出现故障时及时使用电加热融冰，为气泡发生模块的维护更换提供足够时间。

(3)坞门外部防冰冻检测装置

该装置包括中央处理器(CPU)、TS、液位仪(液位传感器)和除冰装置。TS分布于坞门内外部，液位仪设置于坞门两侧，所有传感器均与CPU进行电性连接。除冰装置设置于坞门下部，与CPU进行电性连接。该装置通过测温判断水域是否可能结冰，通过液位仪检测坞门两侧并打开有水侧的除冰装置，具有智能识别能力，准确程度高。

(4)坞门管路实时监控应急控制系统

该系统包括生物活动监控单元、海洋环境监控单元、管道内部监控单元、信息处理单元和应急控制单元。预先设置管路正常工作状态标准值，通过接收各项检测数据，与预设值进行对比分析，判断是否出现异常情况；若出现则报警提示，并启动自动应急操作，将两侧压载水舱隔断。采用2种可相互切换的供电方式：常规岸电和柴油发电机组，用于提供应急电源，有效确保在岸电供电故障时坞门可正常使用。坞门管路实时监控应急控制系统如图7所示。

图7 坞门管路实时监控应急控制系统

4 结 语

极寒地区大型倒T型坞门的设计、制造、倾斜试验和沉浮试验等均已顺利完成。从使用情况看，满足各项性能指标，适应各类工况要求，达到预期目标。今后，结合该型坞门实际使用情况，可对各系统进一步优化。