船舶气囊下水技术现状与展望
船舶气囊下水，这项充满着我国造船界广大职工心血的创新技术，经过近三十年的发展，正在逐步走向成熟。一、发展历程我们先简要回顾一下船舶气囊下水技术的发展历程。 1981年初，山东省小清河船厂成功地用承压气囊将一艘驳船送下水，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。20世纪80年代，船舶气囊下水技术在全国一些内河船厂得到了推广，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，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。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，有力地促进了把气囊上排、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，浙江舟山船厂运用新型气囊下水了一艘长69.8米，宽14.8米的车客渡船，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，《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，创下船舶用气囊上排的新记录。这一期间，数以万计的各类船舶在内河和沿海上排和下水，其中有集装箱船、货船和工程船舶。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，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，其承载能力提高1.5倍，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。船舶采用气囊上下水工艺走出了一条成功发展的道路，为我国数量众多的中小型船厂，特别是民营船厂发展提供了条件。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。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。由于气囊产品的承载能力的提高，船舶气囊下水技术得到更多的认可，全世界各地越来越多的船厂已经采用船舶气囊下水工艺，气囊下水船舶的吨位也越来越大。 二、近年来船舶气囊下水实践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，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，都把气囊下水方式作为首要选择。在江苏、安徽、湖北等省长江两岸和江、浙、粤、鲁、辽等省沿海新成立、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。据粗略统计，2009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。船舶下水重量也有了新的突破。2008年8月，为新加坡客商建造的，载重55,000吨的散货船“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11,000吨，是当时全世界用气囊下水的载重量最大的船舶。为了保证该船气囊下水安全，有关方面多次召开下水方案研讨会，就船舶的自重、水位的高低、船舶下滑力的计算，以及气囊的排列、船舶下滑速度的控制、防撞措施的落实、下水水域环境的警戒等都作出了周密的安排。该船的成功下水，标志着气囊下水重量突破了万吨大关。同年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。12月底，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140米，型宽56米，下水重量超过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。2009年10月，辽宁船舶工业园有限责任公司建造的57000吨散货船，也采用气囊顺利下水。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。三、船舶气囊与气囊下水技术的知识产权从创新和拥有知识产权的关系看，船舶气囊下水技术是我国自主创新获得的知识产权。随着技术的发展，我国气囊行业认识到保护知识产权的重要性，为保护自己的研究成果，仅济南昌林气囊容器厂就获得了多个有关气囊的专利，其中有发明专利《一种高强度气囊及其生产工艺》（专利号ZL2005 1 0042556.8）、实用新型专利《一种船用高强度气囊》（专利号ZL2005 2 0080668.8）和三个外观设计专利：《气囊》（廋长型）（专利号ZL2006 3 0090571.5）、《气囊》（小型）（专利号ZL2006 3 0090572.x）、《气囊》（基本型）（专利号ZL2006 3 0090573.4）。由于标准在贸易中的地位越来越重要。在发展过程中，我们也认识到，标准是技术发展的最高境界，企业、行业必须重视标准的研究和相关的标准化工作，没有标准制定的话语权就意味着受制于人。而且，标准与知识产权关系密切，制定技术标准体系也是自主知识产权的体现，企业通过创新产生的成果，可以把成果转化为标准，为业界提供一个可兼容、互操作的平台，为产业的持续发展作出贡献。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。在全球性的贸易过程中，技术标准和知识产权的国际惯例已经成为世界促进技术发展的有利工具和手段，船舶气囊下水这项领先于世界水平的技术研究和实船下水的辉煌业绩，特别是我国有关气囊标准的发布实施，引起了西方发达国家同行的认同，前来我国引进这项新技术。越南、印度、土耳其、伊朗等国也纷纷从我国引进气囊下水技术来推动本国造船业的发展，我国的船舶气囊下水技术正大步走向世界。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，手持CB/T3795-1996《船舶上排、下水用气囊》标准，专程来我厂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：“这些气囊已经证明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在CB/T3795-1996《船舶上排、下水用气囊》标准的起草单位中，认识了我们昌林气囊容器厂，专程来我国考察，严格的企业管理和高品质的产品，给客人留下了良好的印象，一次就订货200条。标准化的重要意义是改进产品、过程和服务的适用性，促进技术进步。近期，我们又按照动态标准化的理念，以当前最高技术水平与管理水平为基准，在行业标准CB/T3837-1998《船舶用气囊上排、下水工艺要求》修订以前，制订了山东省地方标准DB37/T 998-2008《船舶用气囊下水工艺操作规范》。在这些标准的制订过程中，我们做了大量的试验验证工作，山东大学力学工程测试中心提供了先进的数据采集分析系统，进行实时数据采集、计算、绘制曲线。这些试验数据除了供标准采用外，也被直接应用到船舶气囊下水的理论计算中去。目前，随着产品的不断改进、发展，为了提高我国气囊产品在国际市场上的竞争力，我们正进行第二轮《船舶上排、下水用气囊》和《船舶用气囊上排、下水工艺要求》的标准修订工作，并已经着手《船舶下水用气囊》的国际标准申请工作，力争我国的船舶下水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。随着船舶制造新技术向纵深发展和船舶采用气囊下水向更高目标迈进的同时，采用气囊下水的船舶吨位越来越大，气囊结构越来越复杂，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与昌林气囊容器厂合作，从不同角度对船舶气囊下水技术进行理论研究，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，本文不能展开阐述，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共同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，通过与试验数据的比较，验证方法的准确性。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，但坡度又不能太大，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。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、气囊下水的安全问题船舶气囊下水的安全，始终是大家关注的一个问题。三个要素涉及船舶气囊下水安全：气囊品质保障，船台和下水坡道的几何参数和建造质量，下水方案的制订和下水过程的规范操作。总结船舶气囊下水近三十年来的经验教训，发生船舶气囊下水不安全因素的原因均与这三要素中某一个或某几个有关。1、气囊品质气囊品质包括气囊承载力大小和制造质量。在船舶气囊下水技术发展的初期，下水船舶仅限于内河小型船舶，尽管气囊结构十分简易、承载力比较小，但那时船舶下水时发生气囊破裂的现象很少。二十世纪九十年代，我国一些注重技术改造的气囊生产厂，研制成功了新一代气囊，提高了气囊的承载能力，气囊下水技术由此推广到中型船舶。而当时大部分气囊厂仍然在生产结构简易的原有产品，并以低价格吸引买主，用低承载力的气囊下水中型船舶，酿成了多起事故：有的船舶在下水过程中，船底的气囊爆裂，船舶墩到地面上，或下水半途搁在水边，甚至造成人员伤亡。惨痛的教训让这些人明白了“必须选择承载力满足下水船舶重力变化的气囊”这样一个浅显的道理。因制造质量造成船舶下水时气囊破裂的情况屡有发生。目前市场上气囊质量良莠不齐，个别企业以次充好、低价竞争，也是引起这类事故的原因。2、船台和下水坡道的几何参数和建造质量船台和下水坡道是气囊下水安全的重要要素。从过去的“沙滩造船”到如今建造专门的混凝土船台和下水坡道，船舶气囊下水逐步走向科学化、规范化。目前需要注意的问题是：在为较小吨位船舶建造的船台和下水坡道上，如果要建造大吨位船舶的话，必须对船台和下水坡道的几何参数和承压强度进行评估。曾经发生过一起在船舶气囊下水过程中，下水坡道的水泥混凝土地面突然破裂塌陷，破裂的混凝土块割裂气囊、飞出伤人的事故，应该吸取教训。另外，适合较小吨位船舶气囊下水的船台和下水坡道的几何参数并不一定适合较大吨位船舶气囊下水，须对其进行必要的改造。3、操作规范规范的操作过程是船舶气囊下水安全的保障。据粗略统计，船舶气囊下水发生的事故中，有一半左右是与操作不当有关：操作人员缺乏必要的技术培训，不了解气囊的承载力和性能，不检查船台和下水坡道是否合适船舶气囊下水，更不明白船体在下水各阶段产生的应力变化，一旦发生异常情况时不知所措，盲目操作，造成事故。在我国目前的有关标准中，对船舶气囊下水操作规程和人员培训提出了要求，严格执行标准规定，可以大大减少事故的发生。在船舶气囊下水发展过程中，每一次创造下水重量新纪录的试验，均是一举成功，说明只要做好周密准备，严格操作规范，船舶气囊下水安全是有保证的。六、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。 （作者为济南昌林气囊容器厂有限公司董事长）
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