万吨级船舶气囊下水研究
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70000 DWT和82000 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。2002年，总长138 m,满载排水量15000 t,下水时船体自身质量4000t 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 000DWT巴拿马型船 “VICTORIA I”号在浙江三 门下水，其后有57000 DWT 、70000DWT 、82000DWT 船舶下水，下水质量已达到13000 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 1.5m、 起墩时充气压力达到0.13 MPa、 长度18 m、2500kN 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1.5m 气囊，起墩时就能有4000 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
载质量/t10000~3000030.000~ 5000050000~70000大于70000
K₁1/60~1/651/65~1/701/70~1/75/75~1/78
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1.5m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斜度，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，船体最大倾斜度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=a,(1)式中： F 为牵引力，kN;m 为船舶自身质量，kg; a 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/g²。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70000 DWT和57000 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μ <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
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