70000DWT船舶气囊下水计算与实践
摘要对 70,000 载重吨散货船气囊下水要素进行计算， 取得各项数据， 并据此 编制气囊下水操作工艺和制订安全保障措施， 指导实船下水操作获得了成功， 下水过程进行的检测结果验证了计算的准确性。实践证明，船舶气囊下水技术还具有极大的发展潜力。关键词船舶气囊下水计算安全措施一、概述船舶气囊下水是具有我国自主知识产权的创新技术。因具有省投资、无污染、机动灵活、安全可靠、综合经济效益显著、更低碳环保等优点，近年来发展很快。浙江正和造船有限公司自 2008 年以来，已经使用气囊实现了包括 57,000 吨散货船、 33,000 吨散货船、27,000 吨运木散货船、8,000 立方米运木船等多条船舶的顺利下水。2010 年初，根据手持订单情况，公司提出 70,000 吨散货船也使用气囊下水技术。按照有关标准的规定， 下水重量大于 5,000 吨的船舶， 气囊下水前应提供可行性报 告， 评估该船台能否适应这类吨位的船舶气囊下水， 同时对船舶及气囊在整个下水过程的安全性进行评价，因此必须对气囊下水过程进行计算。船舶气囊下水过程计算， 通常包含的主要内容有： 船舶在坡道上产生的下滑力及钢 丝绳的牵引力； 下水需要的气囊数量和布置方案； 每只气囊的承载力以及对船舶重心之 矩的总和； 下水过程船舶入水部分的浮力； 船舶行程中承载力变化时气囊可能产生的最大内压；并据此验证气囊强度，必要时应根据船舶结构校核船板应力。济南昌林气囊容器厂有限公司在多年的实践中， 总结出以理论研究结果为依据， 辅 以经验公式的一套计算方法： 基于气囊的承载力等作用在船体上的所有外力， 在下水过 程中的每个阶段均达到动态平衡， 根据某一具体的船舶下水重量、重心位置、船底线型， 综合考虑下水坡道坡度， 水位高低等一系列参数变化对下水过程的影响， 对下水过程的 主要阶段进行计算， 得出每只气囊在船舶下水过程中各个位置的内压和承载力数值。如果计算得出的各项数值均在许可范围内， 则可以认为船舶在该船台上利用气囊下水是安
全的，否则需要对该船台进行改造，并修改下水方案，重新计算。
二、计算要素
1、船舶与船台船舶总长 LOA型 宽 B型 深 D设计吃水 T重心纵向位置 LCG船舶在船台上的位置如图 1 所示。
222.00m32.26m18.00m11.30m97.00m
图 1 70,000 吨船台及下水坡道
2、气囊内压和承载力要保证船舶安全下水，气囊能否承受所受到的压力无疑是最重要的要素。船舶整个下水过程中， 在两个环节上需要气囊承载力作保证， 一是在起墩过程， 二是在船舶脱开牵引后直至在水中全浮的过程，即船舶由船台进入水中的过程。由船舶起墩作业计算得出的气囊承载力总和应大于船舶下水重量， 该船设计自重为 12,200 吨,加上下水时的配载， 船舶下水重量大约为 13,000 吨。同时按照标准规定， 为 保证起墩时船舶的稳定， 应计算每只气囊承载力对船舶重心之矩的总和， 小于船舶下水重量乘以两柱间长的 1% 。起墩时气囊数量按公式（1）计算：N = K1 ………………… (1)
式中： N——气囊的数量； K1——系数， K1 ≥1.2；Q——船舶下水时的重量 （t）； g ——重力加速度 （m/s2）；Cb——船舶方形系数； R——每米气囊允许的承载力（kN/m）；Ld——在船舶舯剖面处气囊囊体与船舶接触长度（m）。按公式（1） 计算气囊需要数量， 根据船舶有关参数排列气囊， 进行起墩姿态气囊承载力计算，得出所有气囊的承载力以及对船舶重心之矩。限于篇幅，本文只提供船舶重心位置附近气囊承载力计算表，详见表1。表 1 起墩时船舶重心位置附近气囊承载力
气囊编号所处肋骨号工作长度（m）距重心位置（m）工作高度（m）气囊内压 （Mpa）承载力 （t）对重心力矩 （t*m）
29115.025.00-5.340.850.13338.00-1804.31
30118.525.00-2.470.850.13338.00-834.25
31122.025.000.400.850.13338.00135.81
32126.018.503.680.850.13250.12920.89
33130.018.506.960.850.13250.121741.29
全部气囊总和13709.81611.51
计算表明，全部选取现有常规气囊，所有气囊按出厂压力充气，总承载力可以达到 13,700 吨， 大于船舶下水重量， 能将船体抬升完成起墩任务。所有气囊的承载力对船舶 重心之矩的总和为 1611 t*m，大大小于船舶下水重量乘以两柱间长的 1%，船舶有足够的稳定性，所以起墩过程是安全的。船舶下水作业刚开始时，船体的重量分布在全部气囊上。当船舶脱开牵引后， 船舶的下滑力推动气囊向水边滚动， 带动船体向水边移动。随 着滑程增大， 艏部的气囊滚出， 艉部船体的一部分入水， 直至在水中全浮。在整个过程中，气囊的压缩变形率、承载力和船体浮力、纵倾角等都在不断改变。在船舶移动过程中， 由于气囊轴线相对于地面的运动速度与船体相对于地面运动速 度是不同的， 因此需要通过计算找出船舶重心位置移到船台末端时， 处于船舶重心位置下面的气囊的编号，并求出该气囊的工作高度及承载力。计算得出，当船舶重心移到船台末端时，编号为 12 号的气囊也滚动到船台末端，处于船舶重心下面。一般情况下，当艉部入水部分产生的浮力不足以抵消艏部滚出船体气囊的承载力 时， 船舶的纵倾角会发生变化， 船舶重心位置下面的气囊承载力会变大， 其最大承载力在船舶重心位置移到船台末端时发生。通过计算可以得出仍然位于船底的气囊产生的承
载力及内压。这时船体重量由浮力和船舶前部的气囊支反力平衡。船体入水时的受力情况见图 2 。
图 2 船体入水受力图
同样为限于篇幅， 本文只提供船舶在下水过程中， 当船舶重心到船台末端时， 船舶重心位置附近的气囊内压与承载力，详见表 2。表 2 船舶重心移到船台末端时重心位置附近气囊承载力
气囊编号所处肋骨号工作长度（m）距重心位置（m）工作高度（m）气囊内压 （Mpa）承载力 （t）对重心力矩（t*m）
10115.025.50-5.340.8630.13332.42-1774.50
11118.525.50-2.470.6570.17599.23-1479.01
12122.025.500.400.4500.291228.49493.61
13126.025.503.680.4970.251022.113763.19
14130.025.506.960.5440.22862.216002.52
全部气囊总和9556.11147408.51
根据计算可知，船舶下水过程中，所有气囊的瞬时增值都在允许范围内。正和造船 的船台经过改造，增加了副坡道水中延伸部分的长度，当编号为 12 号的气囊到达船台 末端时， 位于副坡道上的 7#—11#气囊仍然对船体起支承作用， 能产生两个有利影响： 一是可以减轻 12 号气囊的内压力；二是有效减小艉弯力矩，为船体下水安全提供保障。3、水位及船体入水部分浮力船舶气囊下水时， 船台末端水位的高低， 是决定此次下水成败的重要因素。为 70,000吨船舶气囊下水作准备工作，我们需详细了解气囊下水船台所处地理位置的潮汐情况。浙江正和造船有限公司位于舟山定海港西北方的册子岛北端， 与定海港的直线距离约为 20km（见图 3）。我们观察了正和造船气囊下水船台的潮位， 其潮汐发生的时间与水位高度基本上可 以参考定海港的潮汐表， 但又与定海港有所差别。考虑到需要每次大潮都要有船舶气囊下水机会，确定以定海港的次高潮位作为气囊下水时水位的计算依据。
图 3 正和造船所处位置
船舶下水时的水位高度直接影响到船体入水部分的浮力。计算时根据船舶滑行距离 和倾角得出船体的尾吃水， 查船舶邦戎数据表， 求得船舶入水部分的体积， 再乘以水的密度即为船体入水部分的浮力。计算得出浮力：Fc=2874.66t (计算过程略) 。忽略水对船体的粘性阻力、气囊滚动阻力等的影响， 浮力加气囊支承力之和等于船舶重力，见表 3。
表 3 船舶重心到达船台末端时船舶受力综合计算表
承载力(t)对重心之矩(t·m)
气囊承载力总和9556.11147408.51
1#—6#气囊入水后浮力6×33=198-3801.60
船舶入水部分浮力2874.66-125852.61
总 计12628.7717754.30
4、牵引力船舶在下水坡道上受力见图 4。如果不考虑移船，系船钢丝绳的牵引力等于船舶下滑力：F= Q . g .sinc 一 μ .Q . g . cosc （2）式中：F——牵引力（kN）； Q ——船舶的下水重量(t)； g——重力加速度（m/s2）；α——船舶倾角（大型船舶下水时船舶倾角一般等于下水坡道坡度）（0）； μ——气囊滚
动阻力系数（其数值由坡道坡度、地面质材、气囊充气压力大小以及气囊摆放等因素有关）。
图 4 船舶在下水坡道上受力分析
在正和船台上，已经用气囊顺利下水了 33,000 载重吨和 57,000 载重吨船舶，积累 了技术数据和获得了下水经验， 在 70,000 载重吨船舶气囊下水的计算中， 我们适当采用了这部分数据作为计算依据。把有关数据代入公式（2）计算得到：F =988 kN 。
三、下水操作及安全保障措施
船舶气囊下水， 特别是大型船舶的气囊下水， 特别需要注意在整个下水过程中， 不 允许船体受到任何损害， 因此，船舶下水操作的安全保障措施除了常规的保证牵引安全、气囊安全、下水环境人员安全等措施外，还应该注意船体在下水过程的受力情况。根据计算结果， 我们在该船的下水方案中， 从气囊选择、气囊排列、内压调整等方面增加了安全保障措施。1、下水方案（1） 气囊选择船舶下水过程中， 当船舶重心到达船台末端时， 部分气囊有瞬时增加值。从计算结 果看， 编号为 12 号的气囊瞬时内压达 0.29Mpa ,超过了普通气囊的额定工作压力， 济南 昌林气囊容器厂有限公司提供的企业标准（见表 4 ）显示，型号为 CLⅦ 的 新 型 气囊 在承重时，随着压缩变形率的增大其允许内压也增加。同时由于船舶下水重量的增大，气囊允许承载力也必须随之加大，所以我们在编号为 12 号及其相邻位置的部分气囊，
选择有效长度为 24 米的昌林公司特制 CLⅦ 型 新型气囊。表 4 气囊性能参数表（济南昌林气囊容器厂有限公司企业标准）
气囊型号气囊直径（m）额定工作压力（kPa）单位长度承载力（kN/m）压缩变形率达70%时允许的最大内压（kPa）
CLⅦ1.5160264480
注：单位长度承载力是指压缩变形率达70% 、内压为额定工作压力Pe 值时每米有效长度气囊的承载力。
（2）气囊布置图5表示了该船起墩时的气囊排列。在下水过程有可能影响船体受力情况的区域，我们适当地减小了气囊排列间距。
图 5 70000 吨下水气囊布置示意图
船舶正常起墩并稳定后，为使船舶在下水过程中受力均衡、下水稳定，还需要对部 分位置的气囊内压进行调整。根据本船的计算结果，我们对编号为 12 号位置及其前后相邻部分气囊的内压，适当进行了调整。实践证明，经过这样的调整，效果良好。（3）牵引系统从气囊下水安全角度出发， 船舶在起墩及入水的全过程都必须是可控的。因此， 牵 引系统的设计应留有充分的安全储备， 换句话说， 一旦出现部分失效的状况， 整个牵引系统仍然能保证拉住船舶。本船在 1.36%的坡道下水， 计算结果显示下滑力较大， 为增加安全系数， 用三台卷扬机牵引。牵引系统包括卷扬机、钢丝绳、滑轮组及其附件均满足牵引力要求。 2、下水操作按照预定的下水操作方案进行船舶下水作业。2010年12月3日上午9:15， 水位到达预定高度， 割断牵引钢丝绳， 2分钟后船舶平稳入水全浮。首例70,000载重吨船舶气囊下水获得了成功。
图6船舶入水情况四、结语
为了验证气囊下水过程中船板所受应力是否在允许范围内， 对该70,000载重吨船舶 下水时底板和甲板的局部应力进行了测量。测量结果显示， 船舶下水过程船板受力正常，船体在整个下水过程完好无损。从该船气囊下水前的准备工作及下水过程中的调整看， 我们认为： 大型船舶在下水 前进行计算，并根据计算结果在下水操作中对个别部位气囊的间距以及内压进行适当调整是十分必要的。因此，应该把船舶下水计算作为下水安全保障的一个重要措施。70,000 载重吨船舶用气囊成功下水的实践证明， 大型船舶气囊下水， 只要做好周密 准备，严格操作规范，解决好船体在下水整个过程的受力均衡问题，下水安全是有保证的，船舶气囊下水技术还具有极大的发展潜力。
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