船舶气囊情况介绍
一、发展过程船舶气囊上下水技术是一项具有我国自主知识产权的创新技术，经过近三十年的发展实践，证明其具有低成本、低消耗、无污染、高效率、高可靠性、机动灵活的特点。在全行业的共同努力下，这项充满着我国造船界广大职工心血的创新技术，正在逐步走向成熟。1981年5月，山东省小清河航运局为完成国家投资的小清河航运技术改造任务，提出了将承压气囊置于船底下滚动，使船舶移动及下水的设想，并在山东省小清河船厂成功地将一艘驳船送下水，创造了船舶采用气囊下水的新技术。此项新技术由山东省交通厅组织全国造船方面的专家进行了鉴定，一致认为这是一项可称之为“世界首创”的新工艺。交通部主办的《内河运输》杂志（后改名为《中国河运》杂志）和中国造船工程学会主办的《中国造船》杂志及时地对这项新技术进行消息报导和大量的资料介绍。1982年，由长江航运科学研究所牵头，长办船舶修造厂、武汉青山船厂、武汉东风橡胶厂参加，组成了武汉地区船舶气囊上下水工艺和试制船用胶布气囊小组。1982年10月，武汉地区船舶技术情报中心站在武汉市召开有全国160多个单位参加的技术交流会，专门介绍船舶气囊上、下水工艺。1983年上半年，该站在武汉市举办了有全国80多个单位参加的船舶气囊上、下水工艺学习班。此后，该站连续数年都举办了推广船舶气囊上、下水工艺的技术情报交流活动。随后，四川省、广西自治区、江西省、江苏省等地区均先后召开过船舶气囊上、下水交流会，对这项技术的推广做了大量的卓有成效的工作。20世纪80年代，船舶气囊下水技术在全国主要内河船厂得到了全面推广。这种简易、经济、能适合不同船舶建造模式的下水方式，受到了中、小型船厂的广泛欢迎。1985年10月，海军4808厂用气囊下水了一艘长50米，宽23米的海驳，使船舶下水技术推广到海船领域。1988年10月，在四川宜宾船厂，用气囊下水了“巫山号”长江新一代全尾机型双尾客轮，该船自重480吨，拥有600个床位，创下了气囊下水型线较瘦削的旅客船型的纪录。气囊下水技术在中、小型船厂得到广泛应用，数以千计的船舶使用气囊安全下水。但由于受到气囊结构和强度的制约，当时这项技术始终只是徘徊在自重500吨以下的小型船舶上使用。20世纪80年代末，气囊下水最大的驳船是武汉市青山船厂建造的1500吨甲板驳，下水重量达330多吨。下水最大的推轮是长江轮船总公司东风船厂建造的2640匹马力推轮。1993年，济南昌林气囊容器厂研制成功了新一代环绕贴敷整体成型的高强度锦纶橡胶气囊，新的材料、结构和制作工艺大大提高了气囊的承载能力，气囊上下水工艺进一步焕发出活力，有力地促进了把气囊上下水工艺推广到中型船舶上，气囊下水技术在更广泛的领域内得到应用。1994年9月，浙江舟山船厂应用新型气囊下水了一艘长69.8米，宽14.8米的车客渡船，船舶下水重量达到了900吨，突破了以往采用气囊下水的船舶自重长期在500吨以下徘徊的局面，当时《中国船舶报》以“我国船舶气囊下水有新突破”为标题作了详细报道。这次成功的船舶气囊下水，被评为船舶行业当年的十大科技成就之一。1995年10月，湖北省浠水船厂使用新型气囊下水了一艘8,000载重吨的宽体甲板驳。该驳长91.5米，宽24.4米，深5.5米，下水重量首次突破1,000吨大关，达到1,200吨。这标志着气囊上下水工艺进入中型船舶领域。1998年10月，广东省朝阳第一造船厂采用气囊将一艘82米长，自重1300吨的货船拉上船台，创下气囊用于船舶上排的新记录。1998年到2001年，济南昌林气囊容器厂经过三年多的努力探索，反复试验，在橡胶配方、优化结构、“低温－长时间”无模硫化工艺、“整体双面压合”技术、头部抗爆结构等五个方面取得突破，研制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。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。2002年10月，“舟海油28”轮采用济南昌林气囊容器厂新开发的高承载力多层揉压气囊，在浙江省台州市黄岩吉祥船务有限公司一举成功下水，该船总长138米，宽19米，排水量15000多吨，下水重量达到4000多吨。“舟海油28”的成功下水，标志着气囊下水工艺开创万吨级船舶应用的新阶段。2005年4月，浙江省台州市黄岩吉祥船务有限公司建造的一艘8,100方耙吸式挖泥船，使用34个高承载力多层揉压气囊成功移位并下水。该船长126米，宽22米，下水重量首次突破5,000吨大关，达到5,400吨。2005年5月，江西省九江银星造船有限公司为新加坡船东建造的16,500吨化学品船采用高承载力多层揉压气囊在干坞内顺利下水，创造出在平底坞内采用气囊倾斜船体，无助力自行下水的新方法。该船长144.3米，宽23米，吃水8.8米，排水量达22,000吨，下水重量达5,500吨。2005年12月，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。该项目获2006年度山东省科技进步三等奖。2007年，船舶行业标准CB/T 3000-2007《船舶生产企业生产条件基本要求及评价方法》发布实施，在船舶生产企业的许可证发放与认证工作中，将气囊下水作为一种认可的船舶下水方法列入其中，这对船舶气囊下水技术的发展带来了良好的契机。与传统的滑道式下水、轨道式下水、坞内下水等方式相比，船舶采用气囊下水可以大大降低船厂基本建设投资和下水费用，因此在近年来造船企业利用航运市场兴旺，大力扩展造船能力过程中，不论是国有企业、民营企业还是外商投资企业，很多都把气囊下水方式作为首要选择。而在江苏、安徽、湖北等省长江两岸和江、浙、粤、鲁等省沿海新成立、发展起来的大量民营造船企业，基本上都是采用气囊下水方式。2007年2月和3月，浙江省临海市回浦船舶修造有限公司采用高承载力气囊分别将两艘姊妹船“景山5号”和“景山6号”送下水。该型船长165米，宽23米，型深14米，载重量21,500吨，下水重量达到6,100吨。2007年7月，载重4.5万吨的“国裕海驳1号”，在气囊下水专用坡道上顺利下水。该驳长204米，宽33.6米，下水重量9000吨。2008年8月，为新加坡客商建造的55,000吨级巴拿马型散货船“VICTORIA I”号在浙江三门健跳船厂下水，该船长190米，宽32.26米，深18米，下水重量近12,000吨，是当时全世界用气囊下水的下水重量最大的船舶，该船的成功下水，标志着气囊下水重量突破了万吨大关。12月，江苏扬州国裕船舶有限公司为英国船东建造的57,000吨散货船采用气囊顺利下水。实践证明，随着高承载力气囊的应用、新型的气囊下水专用船台和下水坡道的设计成功以及严格执行气囊下水操作规程，采取相关的安全保障措施，5万吨级船舶采用气囊下水是完全可行的。2008年的最后一天，12月31日，在江苏省泰州市长江水域，沪鑫船舶制造有限公司为招商局重工（深圳）有限公司建造的一艘25,000吨半潜驳使用气囊顺利下水，该船总长140m，型宽56m，下水重量超过了12,000吨，创造了船舶下水重量的新纪录。在长江低水位季节能成功地创造船舶气囊下水重量的新纪录，说明这项由我国自主发明的创新技术又在发展道路上迈出了新的一步。据粗略统计，2008年有数十万艘船舶，包括内河船舶和海洋船舶，采用气囊安全下水。同时，依靠技术发展和成熟的操作规程，一批27,000～34,000吨级的各型船舶，在沿海和长江水域顺利下水，推动了船舶气囊下水成套技术向新的高度攀升，成为该项技术的新亮点。二、船舶气囊走向国际市场船舶采用气囊上下水工艺从几十吨的平底船起步，逐步向大型、复杂船型、高附加值船型发展，走过了一段成功发展的道路。我国这项领先于世界水平的技术研究和实船下水辉煌业绩，也得到了国外同行的认同，纷纷前来我国引进这项新技术。近年来，船舶气囊下水技术引起了越南造船业的高度关注，从我国引进这项技术后，在越南国内很快得到推广和应用。同时，印度、马来西亚、土耳其、伊朗、埃及等国也纷纷从我国引进气囊下水技术来加速本国造船业的发展，我国的船舶气囊下水技术正大步走向世界。 图1 我国用气囊为伊朗下水的工程船2005年8月间，“卡特里娜”飓风登陆美国西海岸，新奥尔良市全城50万人大撤离，据统计有2200艘船只在美国海湾沿岸搁浅失事，美国TITAN海事救捞公司了解到我国船舶气囊在抬船、移船和修理船舶方面的卓越功能，专程来我国考察和购买一批气囊，空运美国，在抢险救灾中发挥了巨大作用。该公司在使用报告中称：“已经证明这些气囊对我们在清理美国水道‘卡特里娜’飓风恶果方面所取得的成果有无法估量的贡献。” 2007年12月，印度杰苏船务有限公司专程我国来考察，气囊神奇的性能和高品质的产品，给客人留下了良好的印象，一次就订货200条气囊。三、船舶气囊下水标准的发展目前，利用气囊下水已经成为国内中小型船舶的主要下水方式，在气囊制造和下水操作技术上也正越来越走向成熟。1996年，经国家标准化管理部门批准，由中国船舶工业总公司综合技术经济研究院和济南昌林气囊容器厂共同起草的船舶行业标准CB/T3795-1996《船舶上排、下水用气囊》发布实施；1998年，船舶行业标准CB/T 3837-1998《船舶用气囊上排、下水工艺要求》发布实施。这两个标准总结了十多年来我国气囊产品和船舶采用气囊下水技术发展的经验，为船舶气囊生产与气囊下水安全操作提供了依据。标准的实施，对船舶气囊下水行业起到了良好的规范作用，有力地推动了船舶气囊下水技术的发展。CB/T 3795-1996《船舶上排、下水用气囊》颁布以后的十余年中，用气囊下水的船舶从千吨级船发展到万吨级船。特别是“高承载力多层揉压气囊”投放市场后，由于新一代气囊承载能力大大提高，气囊的品质发生了质的改变，扩展了气囊的应用范围和安全保障性能，有数百艘万吨级船舶采用新品气囊安全下水。到2007年，多艘3万吨级以上的船舶利用气囊下水，使用气囊下水船舶吨位的不断提高，对气囊产品开发、更新改造、升级换代提出了更高的要求。随着产品的不断改进、发展，为了进一步推动我国船舶气囊的发展，提高我国气囊产品在国际市场上的竞争力，由济南昌林气囊容器厂和中国船舶工业总公司综合技术经济研究院共同承担的《船舶上排、下水用气囊》标准新一轮的修订工作已经基本完成，我们正努力力争我国的船舶气囊标准在更高层面的平台上发布实施。四、船舶气囊下水技术新的研究成果20世纪80年代，在船舶气囊下水技术创立初期，山东省小清河船厂、山东大学、长江航运科学研究所等单位联合对船舶采用气囊上下水工艺进行过一些理论研究，但当时船舶采用气囊下水的吨位较小，气囊结构比较简单，研究的理论层次相对还比较低。随着气囊制造新技术深入发展和船舶采用气囊下水向更高目标迈进的同时，气囊结构越来越复杂，采用气囊下水的船舶吨位越来越大，对这项技术的理论研究显得十分重要。近几年，浙江大学、山东大学、哈尔滨工程大学、中国船舶工业总公司综合技术经济研究院等大学和研究单位以及气囊制造企业、造船企业的科技人员，从不同角度对船舶气囊下水技术进行研究，做了大量的工作。理论研究围绕以下几个方面进行，在某些领域，已经取得了阶段性成果。受篇幅限制，对这些研究本文只作简要介绍。1、下水过程中气囊刚度变化在船舶气囊下水过程中，把气囊模拟为弹簧元，刚度是载荷与变形的比，则气囊的刚度是非线性的。山东大学与济南昌林气囊容器厂合作，对不同直径的气囊进行了压缩性能试验，积累了大量的试验数据。哈尔滨工程大学在《船舶气囊下水安全性评估方法研究》中，基于真实气体状态方程（范德华方程），合理地选择多变指数并考虑气囊周壁伸张的影响，得到了计算气囊刚度的理论方法，通过与试验数据比较，验证了方法的准确性。浙江船舶行业协会和浙江工业大学之江学院成立的“浙江省船舶气囊下水课题组”，采用专门设计制作的气囊压力测试仪，以每秒20次频率对船舶下水过程中气囊压力进行实时检测，测量所得数据通过无线方式传输进入计算机，同时存储在测试仪内部芯片上，测试完成后再传输入计算机。获得一组气囊内压变化曲线，对数据进行处理，可以从中归纳出气囊刚度在船舶下水过程中的变化规律。2、下水过程中船舶的动态变化船舶气囊下水的整个过程，气囊的承载力、气囊内压和船体浮力、纵倾角等都是不断改变的，船体承受的气囊反力以及船体总弯曲力矩和局部应力的变化非常复杂。“浙江省船舶气囊下水课题组” 为揭示船舶气囊下水过程中船舶与气囊的运动和受力情况变化的规律，在实船下水过程中进行了一系列的测试，采集了第一手数据。在特定情况（船舶主参数、船台及下水坡道参数、气囊布置、气囊初始内压、船舶下水时水位均为某个定值）下的测试内容包括：船舶下滑时气囊的内压变化；船舶、气囊与船台的相对位移；船舶下滑时的速度和加速度；船舶下滑及尾浮时的角位移和角加速度；船舶下水过程的倾角变化；下水过程中船舶结构的动态应变、应力。以及船舶的起始尾浮（尾倾）时间和起始尾浮（尾倾）滑程；船舶尾浮至全浮时的尾部吃水和吃水变化率。课题组通过对测试实船气囊下水过程的静水力分析、船体总纵强度分析、船体局部强度的有限元分析，得出船舶气囊下水的安全评价和改进措施。哈尔滨工程大学在《船舶气囊下水安全性评估方法研究》中，采用全船结构有限元分析计算船体结构应力，考核船舶结构在气囊下水过程中的强度。通过计算，认为采用气囊下水的船舶其结构应力响应值更小，因此，在保证气囊安全性的前提下，只要下水坡道倾角选择合理，采用气囊下水能保证船舶更安全的下水。3、船台和下水坡道船舶气囊下水需要建造专门的船台和下水坡道，理论分析与下水实践均已证实，纵剖面为折角型的下水坡道，比较适合船舶气囊下水。船台和下水坡道的参数，应满足以下条件：船台需要有一定的坡度，能满足船舶下水时自滑，但角度又不能太大，以控制船舶落墩后的下滑力；下水坡道的几何形状以及在水下的延伸长度，要满足船舶下水过程中船体任何部位的应力不超过允许应力；船台和下水坡道有足够的地面承载力。济南昌林气囊容器厂经过计算和试验，得出根据在不同船舶参数和下水时水位高低情况下，船台和下水坡道几何参数的设计方法，已经在实践中得到验证。4、下水计算这些研究成果用于实践，已经体现在气囊下水过程的计算中。船舶气囊下水过程计算，通常包含的主要内容有：下水需要的气囊数量和布置方案；钢丝绳的牵引力；每只气囊的承载力以及对重心之矩的总和；下水时船舶行程中可能产生艉弯时该处气囊最大内压，以校核船板应力和气囊强度。“浙江省船舶气囊下水课题组”在课题研究中，根据传统的船舶静水力下水计算，编写了船舶气囊下水计算程序，该方法将船体视为刚体，主要考虑船体所受的船舶重力、浮力、气囊的支承力等因素在船舶下水过程中的变化，建立力学平衡方程，通过求解方程，得出气囊对船体的支持力的变化数据，以及船体每个肋位的应力，然后考虑船体最危险截面的应力。据程序开发者自我评价，在不考虑船台改造因素下的计算，用该程序得出的计算结果与实际下水情况比较接近。济南昌林气囊容器厂在多年的实践中，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有所有外力，在下水过程中的每个阶段达到动态平衡，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，对下水过程每个主要阶段进行计算，可以得出每只气囊在滚动过程中各个位置的内压和承载力数值，从中推算出船舶可能发生艉落时，船板的应力情况。如果计算得出的气囊内压、承载力及船板应力均在许可范围内，则可以认为该船舶利用气囊下水是安全的，否则需要修改方案，重新计算。经过几百艘万吨级以上船舶气囊下水过程实船验证，该计算方法得到肯定。五、发展前景船舶气囊下水发展的实践已经证明，这项低成本、低消耗、无污染、高效率、高可靠性、机动灵活的技术具有强大的生命力。我们认为，只要有适合气囊下水的船台，以及操作方法正确，通过技术创新，提高气囊承载力后，下水船舶吨位还可以有较大幅度的提高。近期国务院通过的船舶工业振兴规划，提出了具体政策措施：国家支持研究开发新型自升式钻井平台等海洋工程装备，积极发展远洋渔船、特种船、工程船、工作船等专用船舶。去年以来，经过广泛的社会调研，济南昌林气囊容器厂在“高承载力多层揉压气囊”的基础上，正在研制“整体缠绕高强度加长气囊”，以进一步提高气囊的承载能力，适应大吨位及特殊船型船舶气囊下水的需要。随着新产品的试制成功，船舶气囊实现大型船舶、自升式钻井平台、工程船等下水将成为现实。
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