船舶气囊下水工艺及其下水坡道的设计
近年随着造船业的发展，船舶气囊下水工艺得到了诸多船厂的广泛采用。但由于与下水工艺密切相关的下水坡道的设计没有得到足够的重视，使得船舶下水仍然存在安全隐患。介绍了船舶气囊下水工艺过程，分析了下水坡道设计中存在的问题，提出了下水坡道设计中应考虑的因素，结合工程实例阐述了坡道设计的相关要点。
关键词 下水工艺 气囊船台 下水坡道
Abstract:In recent years,with the ship launching by the development of shipbuilding technology hasbeenwidelyused in many shipyards.However,due to the water eraft and water are closely related tothedesignofthe rampdidnotgetenoughattention,makingtheshiplaunchingisstillasecurityrisk.Thisarticledeseribestheprocessofship launchingbyanalysisofthewaterproblemsinthedesignofthe ramp,launching ramp design is proposed to be taken into account,with an engineering example describesthedesignoftherelevantpoints oftheramp.Keywords:launching technology;slipway by airbag;launching slope
船舶气囊下水是我国独创的下水方法，在我国中小船厂的实际应用非常广泛，有着近３０年的历史，被称之为“柔性下水技术”，但其发展进程却一直处于缓慢状态。随着近几年造船业的快速发展，以往非主流的气囊下水方式由于其成本低、使用灵活等优势，得到了空前的应用和发展，如今河口及沿海的大中型船厂也普遍开始倾向于采用该工艺。用气囊进行船舶下水工艺克服了以往中小船厂船舶修造能力受制于滑板、滑道等传统工艺的制约，经过多年的实践和积累，由最初可以使自重１００ｔ船下水到现在可以使自重１２０００ｔ的船舶安全下水，已成功地进入了承载大型船舶下水的时代，成为一种极具活性，极具柔性，极具发展潜力，极具安全性的成熟技术，具有省时、省力、省投资、机动灵活、安全可靠、综合经济效益显著等优点。但应用于气囊下水的船台形式各异，良莠不齐，尤其是与下水工艺密切相关的坡道设计往往没有得到足够的重视，从而使船舶下水存在安全隐患。笔者尝试从气囊下水工艺开始，探讨其过程和机理，浅述坡道设计的相关要点，并简要介绍已在实践中应用的设计实例。
１ 船舶气囊下水工艺
船舶采用气囊上水时，先将起重气囊充气抬起船体，拆除船底下的墩木，船体下坐到气囊上，在卷扬机（绞车）和缆绳的牵引下，有控制地移动船舶，或直接断开缆绳，使船舶自由下滑，完成下水过程。
船舶气囊下水的过程分为４个阶段：① 船舶下水前准备；② 控制船舶下滑至水边；③ 从船舶触水至全浮；④ 从船舶全浮到滑行停止。其中从船舶触水至全浮阶段是船舶下水运动
状态比较复杂的阶段。船舶移至水边后，根据水域及坡道条件选择快速入水还是继续在绞车控制下入水是需要考虑的问题。在水域宽度及坡道条件允许的前提下，可以断开缆绳，使船舶依靠重力的作用自由滑入水中，如果初始下滑力不够，则需要在船首采取措施推动船舶启动。
船舶滑向水域时，如果船台坡道因末端标高较高而有变坡设置时，船尾滑出水边到入水之前，船舶的表现以悬臂外伸状态为主。此时，船舶纵倾角在继续微微增大，船尾末个有效气囊的受力也在持续增加。在船体重心经过变坡点时将出现稍微明显的纵向翻倾，这个时点是气囊受力最大也是船台末端荷载最大的时候，故在下水方案中对单个气囊的超载能力应有充分估计，对可能出现的问题要有预案。如果船台前沿坡道的坡度较大，且标高较低，则船尾直接入水，这样可使船体纵倾减缓，气囊的受力分布也逐渐转变为首部大
尾部小。
随着船尾入水体积的增加，尾部逐渐浮起，船底入水的气囊也陆续被释放漂浮，直至船首离开最后一只气囊的支撑，船的重量全部依靠浮力支承。当船 尾 入 水 开 始 上 浮，而 船 首 还 压 在 最后一个或 几 个 气 囊 上 时，气 囊 将 承 受 船 体 自 重２５％～３０％的重量，此时单个气囊的超载能力应在下水前有充分估计。在水位变幅不大的河口及沿海一带，多数气囊船台下水坡道很短， 一般可不考虑控制下水，直接断开缆绳让船舶自由下水。与滑道船台的下水 运动状态相比，气囊下水由于有气囊的缓冲作用， 不会因为船舶“尾弯”或“尾浮”状态使船中或船首底部集中受力过度而受损，而且船舶全浮前通常 船首下面都是密集的气囊， 一般不会因为“首跌 落”而受损，因此，可以说气囊下水过程比滑道下水更安全可靠。2 下水坡道的设计下水坡道是采用气囊下水工艺的船台的重要 组成部分，广义的下水坡道包括船台及前沿伸入 水底的坡道，狭义的下水坡道仅指船台前沿至水 底部分。由于船台的设计类同于滑道船台，有可 参照的规范和比较充分的理论研究，本文主要探 讨的是船台前沿的下水坡道。目前下水坡道在气囊船台设计时往往被忽略 或随意设置，这使得船舶的下水安全更多地依赖 于气囊的材质和下水操作的过程[]。在工程实践 中常用的坡道型式有弧线型和折线型，前者使下 水过程比较流畅，后者则方便施工。
2.1 坡道设计主要考虑因素(1)下水水位。相比滑道下水方式而言，采 用气囊滚动下水工艺的船台，由于存在气囊的柔 性且下水坡道可延续到河床或海底，故对下水水 位的要求并不严格。但下水时流速太大会影响安 全，且水下坡道过长既不经济也会影响泥沙的冲 淤稳定。因此，设计下水水位通常取工程水域的 年平均高潮位或更高些。下水水位的高低与下水 坡道的长度和末端标高有着直接的相关关系，下 水水位高，则坡道短；末端标高高，则施工方便、造 价低。(2)坡道型式。坡道全长范围内可由斜直 线、折线变坡和圆弧线等多种组合形成，但均须满 足气囊下水的工艺要求，且局部气囊不应出现超 低工作高度，超负荷承压状况，气囊在最低工作高 度时船底不应触及地面。理论上坡道由斜船台顺 接直通到水底，即斜直线型式对船舶下水安全比 较有利。但是由于直通到底的坡道水下工程量较 大，不经济，且在河道里会形成阻水构筑物，如果 有近岸航道还会对船舶航行构成威胁。因此，在 工程实践中通常采用的坡道型式主要为折线型和 圆弧线型，见图1、图2。
图1 折线型坡道 图2弧线型坡道(3)坡度。下水坡道的坡度应根据下水船舶 的大小确定， 一般应不大于1/7,且能与船台坡 度衔接妥当。船台的坡度以平缓为佳，但需满足 船舶下滑的动力条件及与下水坡道的坡度能妥善 衔接以满足气囊下水的工艺要求。(4)坡道结构及表面。气囊下水对坡道要求 不高，泥地、沙土地、沙地或水泥地坡道均可。坡 道主要承载船舶下水荷载，结构可以不像船台那 样坚固耐久，但应满足稳定要求及与船台结构的 平顺衔接。此外，坡道必须清洁，去除杂物，特别 要清除残留的尖硬的钉状物，以免刺破气囊。坡 道应平整，左右水平度不得大于80 mm, 底面凹 穴应填平。2.2 坡道变幅的确定由船舶气囊下水过程的分析可知，当船舶滑行至船体重心接近船台末端，即变坡坡道的始点 时，船台末端的气囊将产生最大的内压，合理的坡道设计须满足此时气囊的内压不超过安全的允许内压。由于气囊下水过程的受力变化比较复杂， 为便于设计，使模型简化易于操作，对其采取了如下假定。(1)船体为刚体，忽略下水过程中由于气囊 反力的不同而引起船体各部位的不同变形。这个 假定使最大气囊内压的计算结果偏大，坡道设计 偏于保守，但偏差不大。由于在船台设计时船型 通常不是惟一的，且船体的受力变形数据往往很 难获取，因此，这个假定使设计过程大为简化。(2)气囊受压时，气囊囊壁不发生变形，即长 度及周长保持不变。(3)由于船体自由下水的时间较短，气囊内气体温度的变化较小，可以忽略，从而使气囊内气 体状态的变化规律基本符合“玻-马定律”。当气囊在船底下被压扁以后，上下表面呈平 面形状，两侧表面仍呈半圆形，见图3。 图3气囊受压变形示意图由于内部容积变小导致内压升高，根据“玻-马定律”有：p₁V₁=p₂V₂ (1)假设 po 、V₀为气囊滚动前的初始状态参数 (根据气囊产品的有关性能参数给出),令a=puV₀,则气囊发生压缩变化后，对船底产生的弹 力可以表达为：5·(i=1,2…m) (2)式中：F;为第 i 个气囊对船底产生的弹力；D 为气囊直径；H;为 第i个气囊压缩后的工作高度。当船体滑行至其重心经过变坡点，船身发生纵向微转至坡道变幅一半(β/2)时，位于变坡点上的气囊(第j 个)产生最大的内压(见图4),由 力学分析可知，此时，船体满足船底法向的受力平衡，即： (3)式中：G 为船体自重；a 为船台面与水平面夹角；β 为下水坡道与船台面夹角。由几何关系可知，各个气囊此时的工作高度为 ： (4)式中：X;为 第i 个气囊距变坡点的距离(由气囊 布置工艺给出)。根据气囊的性能参数确定满足下水安全的最 小H,值，然后以不同的坡道变幅(β)结合其他参数 代入式(2)～(4)试算，求得满足要求的最大β值。
图4船体气囊滚动下水示意图
3工程实例集胜造船厂位于长江口北支的北岸、三条港 与吴仓港之间，根据厂区总体规划，在长江沿岸布 设 2 座 2 万 t级的气囊船台，船台的平面尺度均 为165 m×36m, 坡度为1:80,船台前沿标高为2.685m(85m高程，下同),可建造自重为6000t以下的散货船。目前，船台建成投产运营已有2年多。3.1水 文根据三条港水文站统计资料，该站潮汐特征 值如下：历年最高潮位4.58 m(1997 年);历年最低潮位一2.37 m(1999 年);万方数据最大潮位变幅 6.95 m平均最高潮位 3.59 m;平均最低潮位-1.79m;平均高潮位 1.88 m;平均涨潮历时 4 h54min:平均落潮历时7 h31min,3.2下水坡道设计该下水坡道型式采用折线型变坡设计，坡道紧接船台前沿，坡度为1:20,坡道长20m (水平投影尺度),坡道末端标高为0.81 m。坡面结构采用约250 mm 厚的素混凝土面层，要求表面平滑处理，面层以下依次为500 mm 厚浆砌块石、 300 mm 厚级配碎石，以及要求密实整平的抛填块石基础，见图5。图5下水坡道设计实例(尺寸单位： mm)
3.3应用情况本船台工程自建成投产后，于2008年6月22日首制船(2.3万t 级散货船)顺利下水，下水时当地潮高约2.00 m, 略高于平均高潮位。从下水的过程来看，船体下滑总体比较平稳，当船尾接近水面时(此时船体重心接近船台前沿),由于存在坡度的变化，船体纵向小幅微倾，但是气囊的柔性有效地缓解了变坡对下滑行程的影响，且约5° 的坡度变化引起的气囊工作高度的变化也在安全的变幅之内。船舶下水后由于当时距高潮水位还有 1 h, 涨潮流速还比较大，船体转弯幅度较大， 但是不影响船体滑行的安全。之后，2008下半年至今，该厂又相继实现了4艘2万～3万t级散货船的成功下水。实践证明，该船台坡道的设计满足下水工艺的要求。4结语下水工艺是气囊船台区别于其他造船设施的关键，而合理的下水坡道设计则是保证安全、顺利 实现气囊下水工艺的前提。本文的工程实例是在 研究气囊下水工艺的基础上，结合其他船厂的 成功经验而设计的，尽管设计方案已经接受了实践的考验，但是由于气囊下水过程缺乏比较全面的理论研究，坡道设计的规范化还有待进一步 推进。
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