大型船舶气囊上下水工艺安全对策的研究
Abstract;Ship launch and upgrade rechnology u- sing airbags is an innovative technolegy having the me-rits of low cost,low consumprion and pollutant,highefficieney,reliahilityandmaneuverability,aswellas having knowledge property right.Suggestions of safecountermeasures against uncertain factor are giveld thatmay result in unsafe hidden trouble in case of applyingthe airbag launch and apgrade technclogy to largerships,inordertopromotethattehnologydevelops heslthily.
船舶采用气囊上下水工艺是上世纪80 年代初 由我国发明并推广的新工艺。经过20多年的实践 和改进，目前技术已日趋成熟，船舶的下水质量已达 6100t,长度达165m, 载重吨位超过20000dwt 。 但在市场需求和技术发展上，希望在更大型的船舶上 采用气囊上下水工艺。随着采用气囊上下水船舶尺度的增大，下水的风险也增加了。船舶采用气囊上下水工艺当前存在 的问题是理论研究落后于实践，在实际应用中存在 许多不确定因素。这些不确定因素可能导致“安全” 隐忠，因此，为了使我国自主创新的船舶采用气囊上 下水工艺向更高层次发展，必须展开理论研究，总结 实践经验，加强规范管理，从源头消除这些不确定因
素，促使该项技术健康发展，真正成为一项安全、高 效的现代化船舶上下水工艺。2气 囊 上 下 水 工 艺船舶气囊上下水工艺于1981年5月首先在山 东省小清河船厂试验成功。交通部和中国造船工程学会对此项工艺的试验成功给予了高度评价，并组织了专家鉴定，认为这是一项影响深远的创新技术。1993年，济南昌林气囊容器厂组建成立，研制 成功新一代环绕贴敷整体成型的高强度锦纶橡胶气 囊，新的制作工艺和材料结构大大提高了气囊的承 载能力，有力地促进了我国自主创新的气囊上下水 工艺应用到中、大型船舶上。1994年9月底，舟山船厂用济南昌林气囊容器 厂生产的新型气囊，下水了一艘长69.8m, 宽14 .8m的车客渡船，下水质量首次突破以往在500t以下徘 徊的局面，攀升到了900t。1995年10月6日，滞水船厂下水的一艘8000 吨级甲板驳，下水质量又达到1200t。从1998年到2001年，济南昌林气囊容器广经过三年多的努力，自主开发出具有高科技含量的新一代气囊——“高承载力多层揉压气囊”投放市场。 新一代高承载力气囊相比于1993年研制成功的原型气囊，不仅其承载能力提高1.5倍，而且提高了气 囊在工作过程中的抗揉压能力，大大扩展了气囊的 应用范围和安全保障性能。2005年12月16日，山东省科技厅委托济南市 科技局邀请国内著名造船专家和橡胶专家，对济南 昌林气囊容器厂自主开发的“高承载力多层揉压气 囊”进行科研成果鉴定。与会专家听取了“高承载力 多层揉压气囊”的研制情况汇报，通过爆破测试验证 了新产品的高承载能力， 一致认为该项高新技术产 品为国内外首创，达到国际先进水平。在新产品投 放市场后的三年多时间里，有数百艘万吨级船舶采 用新品气囊安全下水，创造出一系列新的记录。现有实践经验证明，2万载重吨级以下的船舶采用气囊上下水工艺是安全可行的。3船舶采用气囊上下水的优越性气囊下水工艺简单描述如下。船舶在船台上的 建造工程完成后，利用气囊的抬举力将船体抬起，拆 除船底下的墩木，然后把船体下坐到柔软的气囊垫 上，在重力或牵引力的作用下依靠气囊的滚动使船 沿着滑道进入水面。20多年来，许多中小型船厂采用船舶气囊上下 水工艺，实践表明这项工艺具有明显的优越性。(1)初投资省。船舶气囊上下水工艺与建设钢 轨滑道、斜船架、船台小车等上下水设施相比，所需 费用可节省很多。船舶采用气囊上下水时，对滑道 的要求不高，几乎无需水下延伸部分，所以初期建设 投资可节省一个数量级。(2)维护费用少。船舶气囊上下水工艺只要按 规则操作，认真保护，气囊一般不太容易损坏，即使 划破了也能胶补再用，维护费用甚少。(3)物料消耗少。船舶采用气囊上下水工艺不 需要木材和黄油，钢丝绳的消耗也少，可节省大量的 物料。(4)节省劳动力。船舶采用气囊上下水，不需要 制作下水支架，不需要摆方木滑板，不需要涂黄油和 冲水，可节省大量的劳动力，降低劳动强度。(5)劳动条件好。船舶气囊上下水工艺虽然是 一项新工艺，但技术并不复杂，只要经过一般常识性 学习，掌握了基本要领之后，便可实践。并且安全作 业的可控性强，劳动条件好。(6)对环境的污染少。船舶采用气囊上下水工 艺本身不产生任何废弃物，气囊全部同收，对水域环 境不产生污染，(7)安全可靠。由于气囊本身是个弹性体，船舶 搁在气囊上运行平稳，无激烈振动，通过卷扬机和钢丝绳有控制地移动，十分安全。此外，船底不擦地， 船底油漆保持完好，可延长船舶的使用寿命。(8)战备性好。如果每艘舰艇上配备适当数量 的气囊，则可将需要抢修的舰概随时移上沙滩或坡 地进行修复，战备性好。海军曾对气囊上下水工艺用于舰艇战时抢险的 可行性做过评价性研究，并在一艘援外舰艇上实际使用过.(9)综合经济效益显著。船厂采用气囊上下水 工艺可以分包给专业下水工程队来做，由专业的设计公司来制订下水方案和实施风险管理，降低船厂 承担的风险和经营管理成本，提高气囊的利用率和 提高资金的周转效率。采取这样的生产组织模式带 来的综合经济效益非常显著。4气囊下水船舶的尺度限界从理论上说，只要气囊的承载能力许可，气囊下水船舶的尺度就不受限制。即气囊上下水船舶的尺度受制于气囊的承载能力。从气囊上下水工艺发展的过程来看也是如此。例如到上世纪80年代末，气囊下水船舶的质量不超过500t, 当时直径1.0m气囊的工作压力平均仅为0.04MPa 。到了90年代初，济南昌林气囊容器厂生产的第一代高强度气囊， 直径0.6m气囊的爆破压力达到1.11MPa, 换算到1.0m 直径气囊的相应工作压力为0.148MPa, 实船下水质量达到3500t。船舶的下水质量大体正比于船舶主尺度的3次 方，而船舶的平面尺度(底面积)正比于尺度的2次 方，因此当船舶尺度按比例增长时，船舶底面积上的 平均压力按尺度比的1.5次方增长。根据这一原 理，我们可以根据已有船舶下水质量作一条曲线来 预测气囊工作压力与下水质量的关系，见图。根据图示的预测，济南昌林气囊容器厂新近研 制成功的高承载力6层揉压气囊，其工作压力(静载 时)保证值为0 . 22MPa,则下水质量至少可达 6447t。倘若将气囊增强层增加到9层，则工作压力 保证值可达0.33MPa, 下水质量至少可达11843t。5气囊的安全(允许)过载压力系数现在要提出一个全新的概念，这就是气囊的“允许过载压力”和“安全过载系数”。标准规定了气囊的工作压力，那是指气囊在静态条件下充气压力的限界值，应该是气囊工作压力的最小保证值。气囊在静态工作条件下，它的工作压力应当说是“可控的”,这种情况大都出现在顶升船体的状态或船体在移动前的状态。当船体在下水移动过程中，船体的纵倾姿态会发生细微的变化，气囊在滚动过程中，由于接触船体的部位不同或地面的高度不同，都会引 起气囊内部压力的变化。压力变小自然无需顾虑， 压力超过设定压力的现象必定存在，这正是本课题研究的对象。气囊在下水过程中，会产生多大的过载压力或 者叫“过载系数”,这是一个不确定性问题。目前还工作压力。MPa气囊工作压力与下水质量的关系
没有看到过这方面的测试报告。为了弄清楚这个问 题，采用遥测的压力表，对船下水过程中船底下气囊 的压力变化实施眼踪测试。2006年5月25日在台 州市三门县健跳船厂结合“金舸19”号18000 dwt 散货船下水，由浙江工业大学海洋工程研究所对位 于艉部的8个气囊压力进行了测试。这样的测试如果做过多次，就可以得到统计规 律，为我们下一步制订标准提供可靠的依据。至于“过载系数”定多少是安全的，这涉及安全 系数的问题。CB/T 3795-1996《船舶上排、下水 用气囊》中规定的(允许)工作压力是根据爆破压力 取4.5的安全系数计算出来的，应当说其安全裕度 是相当高的，对于承担高风险作业的船用下水气囊过程中，未及时关闭空压机),导致内压超过许允的 过载压力而不加以控制，会造成恶劣的后果。这种 现象必须采取技术手段加以避免，最常见的办法就 是在气囊的端部铁件上装置安全阀。安全阀的释放压力根据气囊的工作压力(保证 值)加以设定。建议取工作压力保证值的2.5倍作 为安全阀的释放压力，此时，安全系数为1.8,尚有 安全裕度，但已到达危险的边缘。综上所述，气囊使用压力的定义可划分为三个 不同概念的范围：安全工作压力范围——在标准规定的工作压力 保证值以下的区域是安全的工作压力范围，气囊的 充气压力或设计的承载压力应当不超过这个范围。
来说也是合理的。 安全的过载压力范围——气囊在工作过程中允
根据文献记载，气囊上下水工艺推广初期，安全系数取2～3,实践证明是可行的。因此，安全系数从初期的2～3扩大到现行标准的4.5,把扩大的安全裕度作为允许过载压力系数是值得推荐的，据此， “安全过载系数”可取标准规定的工作压力的1.5~2.0倍。动态时取低值；静态时取高值。确定了安全过载系数，就可以确定气囊在各种工况下的许允过载压力。如果气囊在工作过程中瞬间出现的压力不超过许允的过载压力，则可认为是安全的。6气囊安全阀释放压力许瞬间超压，气囊在短时间内的过载压力如果不超 过保证值的2倍应当是允许的。安全警戒压力——安全阀设定的压力，当气囊 内压超过这个压力时，安全阀开始释放并保持这个 压力，工作人员应当积极采取措施降低压力到安全 范周之内。7 气囊的结构和强度气囊的强度取决于材料、结构和工艺三个要素， 以下从安全角度来分别加以讨论。7.1材料
气囊在工作过程中，如果由于失误(例如在充气 主要是橡胶和帘线。橡胶是基础材料，采用品质好的橡胶可以提高与帘线的粘接强度，提高耐磨 性和抗老化能力，提高使用寿命。帘线是一种加强材料。过去曾使用过棉帆布做 骨架材料，被证明是不理想的。目前使用的帘线布 类似于汽车轮胎中的加强纤维，其经向线密度高，纬 向线密度低，所以是一种单向承力材料。由于强度 计算时，假定基体橡胶不承担强度，所以气囊的强度 主要取决于帘线在经向的强度。过去使用的帘线，其断裂强力为205.8N/ 根，目前使用的帘线，其断裂 强力已提高到274.4N/ 根。采用高强力的帘线使气 囊的强度提高了33.3%。7.2结构主要是指帘线的布线方向。对于多层结构来 说，气囊囊壁强度的各向均衡性非常重要。根据我 们的研究，气囊在不同的工作高度下，其主应力方向 也不同，因此，任何一个方向的强度增加都无济于 事。气囊的工作高度不能一成不变，当主应力方向 与帘线布线方向不一致时，布线薄弱的方向就决定 了气囊的承载强度。根据这一原则，多层帘线的分 布应尽量做到各向强度的均衡性。7.3工艺同样的材料和结构，由于气囊制作工艺不同，其强度相差也很大。济南昌林气囊容器厂从生产第一代气囊改进到第二代气囊，强度提高了50%。其中因帘线强度的提高产生的贡献率仅占2/3,还有1/3是靠工艺技术的改进得到的，称为科技进步贡献率。7.4 强度综合起来说，气囊的囊壁属于纤维增强的橡胶 复合结构，属于弹塑性材料的范畴，其强度受人工操 作技能的影响较大，存在着一定的不确定性。目前 最好的强度测定手段是进行爆破试验。近几年来，在材料力学和结构力学领域，应用有 限元分析来研究结构强度已很普及。今后可以开展 气囊强度理论有限元分析方面的研究。8气囊的爆破试验与非破坏性试验鉴于气囊强度的不确定性，每一批材料，每一批 工艺制作的气囊可能有不同的强度，为了控制气囊 的质量，定期进行爆破试验是完全必要的。目前进 行的少量爆破试验尚不很规范，缺乏相似理论的支 持，试验的场地及设备有待进一步完善。气囊的爆破试验成本较高，而且不适用于大尺 度的实用气囊，若将小尺度的试验结果换算到实际的气囊则存在着尺度效应。因此，须开展非破坏性 试验。非破坏性试验是对破坏性试验的补充。目前 建议在设置安全阀的气囊上开展非破坏性试验，试 验压力达到安全阀的设定压力时，安全沟释放，短时 保压后降压，记录各项数据。具体试验方法有待制 订新的标准。9大型船舶气囊上下水的安全对策自从2002年第一艘超过10000dwt 的油船“舟海油28”号采用昌林牌高承载力多层揉压气囊成功下水以来，已有数百艘各种类型的10000 dwt 以上的船舶安全下水。随着气囊上下水船舶的大型化， 潜在的风险也增加了。因此，有必要对大型船舶气 囊上下水的安全对策进行研究。9.1 气囊品质的保障目前各气囊生产企业生产的气覆由于材料和工 艺的差异，其承载能力也不同，适合使用的船舶尺度 和下水重量也应有所区分，如何实行分级管理，确保 船舶采用气囊上下水的安全裕度是当务之急。为保障气囊上下水作业的安全，我们建议按气 囊的品质划分为三个等级。A级。气囊的承载能力达到A 级标准；各项试验和检测报告齐全；企业通过 ISO 质量管理认证。 A级气囊可适用于载重量10000t 以上的船舶上下水作业。B级。气囊的承载能力达到B 级标准；有主要 的试验(例如爆破试验)报告。B 级气囊可适用于载 重量10000t以下的船舶上下水。C级。气囊的承载能力达到C 级标准，适用于 质量低子10000t 的船舶上下水作业。9.2 气囊上下水滑道的要求船舶采用气囊上下水，对滑道的要求不高，这是 气囊上下水工艺的优越性。但对于大型船舶来说， 为了降低船舶上下水的风险，必须对气囊上下水滑道提出要求。如果在新厂的建设中，仍沿用传统下 水滑道的要求去设计气囊下水滑道，不仅浪费了大 量投资，而且带来了安全隐患。所以要由专业设计 单位来负责气囊上下水滑道的设计工程。不久前，国防科工委颁布了一项新的标准：CB/T3000-2007《 船舶生产企业生产条件基本要求及 评价方法》,在这个标准中，首次将气囊下水作为一 种认可的下水方法列入其中，并规定二级I 类企业允许采用气囊下水方式，可建造船长不超过180m 或空船质量不大于9000t 的普通钢质船舶。建议大 型船舶建造企业如采用气囊上下水工艺，应对气囊 上下水滑道设施提出相应的要求，以确保上下水作 业的安全。9.3 气囊上下水方案的制订和认可大型船舶采用气囊下水的过程大致可以划分为两个阶段：第一阶段是抬起船体，拆除墩木，使船体坐墩于气囊上，然后移向岸边；第二阶段是船舶脱离钢丝绳的控制，自行滑向水面，直至艏部入水浮起。 在第一阶段，主要的安全指施是系牢钢丝绳和制订安全的拆墩程序。在拆墩和移位操作中，如果不用 钢丝绳控制船位，那是很危险的。在第二阶段，主要的安全措施是避免发生艉跌落现象，并防止艏部搁 浅或冲滩。必要时采取拖船拖带、抛锚或其他措施。 制订合理的上下水工艺(或工序)和进行必要的力学计算，针对上下水过程中可能出现的问题采取应对措施是安全保障的重要环节。建议在大型船舶上下水前一定要提交书面的上下水方案，经船舶检验机构认可后方可实施9.4 气囊上下水工程队的资质和监督机制大型船舶采用气囊上下水工艺，从安全保障角度出发， 一定要发包给有资质的气囊上下水工程队 来做。气囊上下水工程队的资质包含下列内容：(1)采用气囊的品质、规格和数量；(2)曾经下水过的船舶类型、吨位和次数；有失 败记录的要降级；(3)技术支持人员的素质或技术支持单位的资 质；(4)营业执照和注册资金；(5)经过培训人员的数量和持证上岗的人数。建议由船检部门，组织人员培训、发证和进行资 质认可，并制订相应的监督管理条例和年审制度。船舶采用气囊上下水工艺是一项低成本、低消耗、低污染、高效率、高可常性、机动灵活，具有自主 知识产权的创新技术。针对大型船舶和超大型船舶 采用气囊上下水工艺中存在的不确定因素，以及它 们可能引发的“安全”隐患提出对策，从技术角度和 管理角度来促进此项技术的健康发展。
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