72000DWT散货船气囊下水可行性分析报告
72000DWT散货船气囊下水 可行性分析报告
目录
概 述 2
1.1 气囊下水工艺的产生及发展历程 2
1.2 气囊下水工艺的优点 5
1.3 气囊下水技术正在走向世界 6
二 、前期研究成果的介绍 7
2.1实船测试气囊下水船舶的运动、结构应力和气囊压力 7
2.2系统研究，并揭示气囊下水的力学规律 8
2.3进行气囊下水工艺研究，编制气囊下水规程(建议稿) 9
2.4制定船舶气囊下水的安全标准 9
2.5 以产学研协作，加强船舶科研能力，取得成果 10
三 、 课题背景材料 10
3.1 72000吨散货船 10
3.2船厂及船台概况 11
3.3 船舶下水用气囊 12
四、7.2万吨散货船气囊下水工艺概述与安全性分析 25
4.1 、下水工艺概述 25
4.2 气囊安全性分析 27
4.3 船体安全性分析 39
4.4 下水过程的预测与环境安全分析 45
4.5 提高气囊下水安全性的建议 50
五、 综合意见 52
72000DWT 散货船气囊下水
可行性分析报告
概述
1.1气囊下水工艺的产生及发展历程
船舶利用气囊下水是一项具有我国自主知识产权的创新技术，是 一项极具发展前途的新工艺，它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，因具有投资少、见效快、安全可
靠的特点而受到了造船界的欢迎。
在此之前，世界造船除在船坞内进行外，主要采用滑道下水工艺 完成所建造船舶由陆地移入水中的操作过程。气囊下水工艺是依靠船 底下多个气囊的滚动使船移动、下水或上坡。这项 “柔性下水”技 术引发了船舶下水方式的一场革命。目前，气囊下水技术已是支撑我
省中小船舶高速发展的关键技术之一。
气囊下水工艺的产生和发展不是一帆风顺的，中间经过了坎坷、 艰辛的历程。80年代初在山东小清河等地首先应用气囊进行船舶下水
新工艺，以后在我国各内河地区相继推广。
至80年代末期，由于当时建造的气囊承压、负载能力较小，当下 水船舶重量不断增大时，运用气囊进行船舶下水失败时有发生。90 年代初，某船厂下水一艘自重500t 货船，由于气囊连续破损，该厂
顶船起重能力又差，至使该船下水工作推迟了近五个月。 一时间，气囊下水新工艺在该地区大为减少，不少船厂恢复牛油简易滑道或泥地 拖牵下水老方法，有的厂家干脆投资新建水泥地基固定牛油下水滑 道。但气囊下水省工、省时、省力、省投资、机动灵活的优势，深深 地吸引着造船、气囊制造科技工作者和民营企业家，气囊下水技术在 小吨位领域徘徊十余年后，终于凭借耐压更高的新型气囊突出了重 围。1994年9月底，舟山船厂运用新型气囊下水了一艘长69.8m, 宽 14.8 m, 下水质量达900t 的30车/122 客位的车客渡船，开创了千 吨级船舶气囊下水的先河。1995年10月6日，湖北省浠水船厂使用“昌 林气囊”下水一艘8000dwt 的宽体甲板驳。该驳长91.5m, 宽24.4m, 深5.5 m,自身质量1200t 。当时下水场地的平整度较差，坡度也不 均匀，尤其是岸边有一小段陡坡，若采用传统的牛油木方下水方式是 很危险的。然而气囊的柔性弥补了种种不足，使之安然下水，创造气囊下水船舶质量突破千吨的纪录。
气囊下水在自身质量1000 t的平底船上实施成功之后，能否向 大型船舶和复杂船型的船舶发展，成为国内外造船界关注的焦点。尤 其是20世纪末，世界造船业走出低谷，开始了新一轮蓬勃发展。我国 民间造船吨位迅速扩大，从1000dwt逐渐向10000dwt方向发展，这些 新兴的船厂采用了近乎“虚拟”的造船组织模式，“气囊下水”无需 投资建造昂贵的传统下水滑道，大大拓展了它们的发展空间，成为 它们首选的下水模式，因此迫切要求气囊下水船舶的质量提高到 2000t至5000t, 甚至更大。新一代的高承载力气囊应运而生。气囊的
承载能力取决于气囊工作时的内压和气囊与船底的接触面积，因此
气囊的直径不同，工作高度不同，其承载能力也不同。高承载力气囊 是多层高压气囊，气囊的工作压力达到0.14MPa,每米囊体承载力当 工作高度为0.2m时最大可达176 kN/m 。 这种气囊适合下水质量为 1000～3000 t的船舶。此后，气囊下水在新型高强度气囊的基础上，
取得一个又一个的突破。
2006年， 一批2万吨级的船舶顺利下水。
新型整体缠绕高强度起重载动气囊的研制成功，使其广泛应用于
船舶上下水，大型重物的起重搬运，打捞沉船，搁浅施救等。
2007年7月26日，扬州市国裕造船有限公司45000 吨ATB船，船长 204米，宽33米多，满载吃水14.6米，自重1 万多吨，利用高强度气 囊顺利下水，创造了气囊下水重量世界纪录。该船下水的船台长250 米，净宽40米，设置高4米，长41米，宽1.0米的钢闸门一个，船台采
用3变坡设计。
2008年8月4 日，浙江健跳船厂5.5万吨的 “VICTORIA 1号散货 船”,使用的气囊下水技术成功下水，该轮(VICTORIA1)总长189.98 米，型宽32.26米，型深18米，设计吃水11.8米，下水自重1.1万吨，
又创造了一项新的世界纪录。
2009年12月22日，国内自行设计、建造的首艘大吨位自航式 半潜船“希望之路”号采用昌林气囊下水技术，在天津滨海新区顺利 下水。此次下水的船舶总长156米，型宽36米，型深10米，设计吃 水7.45米，最大潜深19米，最大载重量20000吨，下水重量达12900
吨。该船下水由山东昌林船舶气囊与靠球技术研究中心独立承担。该
船的成功下水，填补了我国大型自航式半潜工程船气囊下水的空白， 并再次刷新了气囊下水的纪录。为进一步研究大型特殊工程船舶气囊 下水技术奠定了良好的基础。据不完全统计，国内采用气囊下水自
重大于1万吨的船舶已有5、6艘以上，效果均良好。
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、高附加值船型发展，走出了一条成功发展的道路。
1.2气囊下水工艺的优点
气囊下水工艺的迅速发展、普及，是因为其与传统的滑道下水技
术相比较有投资小、占地少、无污染等多项突出优点。
(1)船舶用气囊下水其船台建设的初投资费用比滑道船台大大 节省。以本项目七万吨级船台为例，气囊下水船台造价估计2千万左 右，而同样能力的滑道下水船台造价要翻一翻达4千万左右，建造7
万吨级船坞经费更高达8千万至1个亿。
(2)下水过程船舶结构安全。大型船舶由纵向滑道下水，在尾部 起浮的一瞬间，往往首部集中受力而易造成损坏；气囊下水时船台坡 度较小，艉浮时艏受力减小，并可以利用气囊受力变形的缓冲作用来 保护船体不受损伤。气囊下水有更好地保护船体安全的条件，也为船
台均匀受力创造了条件。
(3)气囊下水不仅降低滑道的建设费用，而且不需要大量的油脂 铺涂，环保节能，且船舶顺利下水后还能回收完好的气囊，大大节省
了成本，具有很好的社会效益及经济效益。
1.3气囊下水技术正在走向世界
气囊下水工艺在我国的广泛应用，为国外造船界所瞩目，并学习
运用。以下几个案例表明气囊下水技术走向世界的迅猛趋势。
青岛鲁航气囊厂在土耳其为黑海船业公司用本厂生产的45只(直 径1.8米x18 米长)气囊成功下水了自重量7000吨的散货船。包括土耳 其交通部门、造船协会的领导及挪威、俄罗斯等30多家修造船企上千 人出席了隆重的船舶下水仪式，中国气囊轻松可靠的下水方式，得到 了各方面的一致称赞，尤其是土耳其造船协会著名企业家哈里先生对 气囊下水工艺极为赞赏，称船舶气囊下水将对土耳其的造船工业起到 一个非常大的促进作用。他感谢青岛鲁航气囊厂以及引进使用该项技 术的黑海船业公司，并期望双方加强合作，更快推广该项工艺在土耳
其的广泛使用。
2008年11月，“永泰”气囊在越南西贡 STRATEGIC 造船厂载运 5700吨自重浮船坞经过80秒安全入水。创造了越南国家气囊下水工 程船舶重量最重，船舶宽度最宽，船舶下水难度最大的纪录。该船坞 长128米，宽57米，用气囊44只。另外该船厂与永泰又签订了明年
6月海洋石油工程船的下水合同。
美国威特船舶工程公司用“永泰”气囊20只(6层帘布高强度船用 气囊)成功上排3艘3000吨船舶，开辟了船用气囊在美国船舶上排工程
中应用先例。
二、前期研究成果的介绍
船舶下水是一种比较复杂的运动过程，处置不当，容易发生事 故。常见的事故有船舶尾落、首跌落、船底局部结构受损、船侧撞坏 等。由于气囊下水是一种新的技术，主要依靠着实践经验的积累，发 展初期几乎未进行理论和实验的研究，也缺少明确工艺和规程，主要 是靠经验操作。随着气囊承载力的提高，采用气囊下水的船舶愈来愈
大，风险愈来愈高。
鉴于此，浙江省船舶行业协会、浙江工业大学、浙江现代船舶 设计研究有限公司成立联合项目组对气囊下水技术进行理论研究及 实际测量。并通过浙江省科技厅将“船舶气囊下水技术及其应用研究” 立为2006年浙江省社会发展重大项目(计划编号：2006C13094)。 在 各级领导的关心、指导与帮助下，在各有关单位、部门的大力支持与 配合下，通过项目组全体成员的共同努力，首次系统地进行了2万吨 级船舶气囊下水的分析、测试和工艺研究，目前该项目已顺利完成。
项目组主要作了以下工作：
2.1实船测试气囊下水船舶的运动、结构应力和气囊压力
通过对5艘不同的2万吨级的船舶的现场实测，对气囊下水过程中船 体运动和结构应力的测试，气囊运动和气压的测试，获得了船舶下水 过程中的船体的运动位移、速度与加速度等参数，记录气囊内压的变 化，以及船体结构应力的变化值。测试结果表明船舶气囊下水最高速
度一般可控制在5~6米/秒之间，船舶均出现了艉落现象，此时，船
体相应部位的结构应力达到最大值，船体结构总纵应力不大，而局部
应力较大，气囊最高压力为227kPa。
2.2系统研究，并揭示气囊下水的力学规律
(1)确定下水过程中气囊的运动、力学特性，进一步提高气囊的承载力：通过实验和理论、调研分析获得气囊的刚度曲线(强非线性)、
气囊运动的摩擦力、气囊的极限承载能力。
(2)船舶气囊下水过程的静水力分析：进行船舶气囊下水4个阶段
的力学分析。编制实用的船舶气囊下水静水力计算程序。
(3)船舶气囊下水过程的水动力分析：考虑船舶下水运动的各种参 数，如：船舶的滑动和转动的速度、加速度、船体浮力变化，粘性阻 力，附粘水质量，气囊的滚动、压力变化、摩擦力，以及航道侧流以 及风力等，建立船舶气囊下水过程的水动力微分方程，编制程序，进
行船舶气囊下水过程的水动力分析。
(4)船体结构强度分析：构造关键舱段有限元模型，根据计算出的 气囊反力的大小和范围、重力和浮力等外部载荷，用结构有限元法计
算下水过程中船体结构的应力。
通过5艘2万吨级船舶的气囊下水静水力和水动力预分析，并与实测 结果进行了对比。结果表明所编计算程序基本能够揭示船舶气囊下水
的力学规律。
2.3进行气囊下水工艺研究，编制气囊下水规程(建议稿)
对船舶下水用气囊的生产厂及产品规格与性能、气囊下水设施与配套 设备、船台(下水坡道)、气囊下水辅助设备等进行了调研。研究了 气囊下水工艺过程及相关安全问题，包括下水操作程序、下水前的工 艺设计、落墩与移船过程及有关注意事项，以及有关气囊下水安全性 等问题，就船舶的自重、水位的高低、船舶下滑产生应力的计算、气 囊的排列、冲气压力、滚动速度的控制及防撞措施等进行深入研究， 提出了应对措施或缓解办法，利用理论与实测成果，以安全、经济、 可行为目标，调整气囊下水的诸多参数，编制了万吨级船台气囊下水
工艺标准。有助于提高气囊下水的安全性和经济效益。
2.4制定船舶气囊下水的安全标准
项目组通过多次船舶气囊下水现场测试和大量的理论分析，揭示了气 囊下水的力学规律，找出了对气囊下水安全性影响较大的主要因素。 进行了船舶气囊下水的安全标准研究。对原规程行业标准CB/T3837-1998“船舶用气囊上排、下水工艺要求”进行了补充。综合各种因素，总 结制定了万吨级船舶气囊下水安全标准。该项工作有助于促进了船舶 气囊下水规范化、标准化，使船舶气囊下水走上健康发展的轨道。该 标准对于提高船舶气囊下水的安全性，,促进气囊下水规范化、标准
化，避免船舶气囊下水事故有重要的意义。
2.5 以产学研协作，加强船舶科研能力，取得成果
浙江工业大学、浙江省船舶行业协会和浙江现代船舶设计研究有限公 司三家单位通力合作。在项目的前期积极筹措资金，广泛进行调研， 密切联系船东、船厂，解决了现场测试面临的各种问题。提升我省船 舶科研能力和科技创新能力，加快了技术成果产业化进程，取得了以
下两项成果，具有良好的经济与社会效益。
-套具有足够精度、符合工程要求的船舶气囊下水安全性评价方法和 程序，适用范围符合《船舶生产企业生产条件基本要求及评价方法》 的规定(即90m≤ 船长≤180m, 船体自重≤7000吨，船舶载重吨≤3
万吨，气囊承载力≤0.35MPa。)
一部综合安全性和经济性要求，具有良好的可操作性的《万吨级船台
气囊下水工艺规程》 (建议案)。
三、 课题背景材料
3.172000 吨散货船
船舶主尺度
LENGTH OA &长
-22780m
ENGTH WL 水统长
224.00m
LENGTH B P 垂线阀长
220.00n
3READTH MLD 型冤
36.00m
DEPTH MLD. 型深
18.50m
SCANTLING DRAFT基有艺水
1260m
DESIGN DRAFT 设计吃水
11.00m
DEADWEIGHT c↑12.50m我量(12.50m)
73.000 T
DEADWEIGHT c+11.00m我直量(11.00m)
62.500 T
图3-1 72000DWT 散货船总布置图
3.2船厂及船台概况
浙江凯航船舶工业有限公司位于浙江台州三门县沿赤乡(沿海工 业城),2008年5月成立，注册资金9980 万，投资方为台州市凯航 海运有限公司。船厂项目用地面积为495亩，使用岸线长680米。新 建7万吨级船台共2座，7万吨级舾装码头1座及其它相应的生产、 生活、办公辅助配套设施等，建成后的船厂年产量30万吨，计划于
2010年6月投入生产。
船厂平面布置图如图3-2
图3-2 浙江凯航船舶工业有限公司厂区平面图
3.3 船舶下水用气囊
经过十多年气囊制造企业与造船企业的协力合作、创新发展，我 国已形成标准系列的船舶下水用气囊产品，气囊质量享誉世界，美国
奥尔良风暴灾后，都是购买中国气囊运送漂上岸船舶下水的。
3.3.1 船舶下水用气囊标准与规格
行业标准 CB/T3795-1996《船舶上排、下水用气囊》规定，下水用气
囊结构形式如图3-3-1,其中间呈圆柱形，两端呈圆锥形。
1-囊头：2-囊体；3-囊咀：4-安全阀
图 3 - 3 - 1 气囊结构型式
行业标准CB/T3795-1996中规定，气囊的气囊囊体公称直径(D)
分0.8m,1.0m,1.2m,1.5m、1.Bm 和 2m 等共6种 .
气囊囊壁由橡胶及帘子布层组成，组成后应经过硫化处理。
CB/T3795-1996 要求的气囊技术参数如表3-3-1。
表3-3-1 CB/T3795-1996 规定的气囊技术参数
量体公称真登D m
气霸工作压力Pe
MPa
每米囊体承载力
kN/m
工作高度为
直径的50%时
工作高度为
直轻的40%时
工作高度为
直径的30%时
工作高度为
直径的20%时
低压
中压
高压
低压
中压
高压
低压
中压
高压
低压
中压
高压
低压
中压
高压
0.8
0.038-<0.088
0.088-<0.125
20.125
23.56
<54.90
54.90
<78 54
78 54
28.27
<65.97
65.97
t.
<94.24
94 24
”
<76 97
76.97
<109.96
m .96
37.70
C8796
87.96
12566
25.66
1.0
0.030-<0.070
0.070-<0.100
>0.100
1.2
0.025-<0.058
0.058-<0.083
20.083
1.5
0.020-<0.047
0.047-<0.067
≥0.067
1.8
0.017-<0.039
0.039~<0.056
≥0.056
2.0
0.015-<0.035
0.035- <0.050
20.050
3.3.2船舶下水用气囊的品牌介绍
随着船舶气囊下水工艺的开发，我国各地发展出一批船舶下水用 气囊制造企业，主要集中分布在山东齐南、青岛和广东，浙江临海也 发展建立了一家。济南地区是船舶气囊下水的诞生地，主要厂商济南
昌林气囊容器厂是我国有关船舶下水用气囊标准及下水工艺标准的
主要参与单位，是中国船用气囊的主要产品开发单位和生产供应商，青岛鲁航气囊厂和青岛永泰气囊护舷有限公 司是2007年7月江苏国裕船厂45000吨 ATB 船下水的主要气囊供 应厂，这一创世界新纪录的下水，共用间隔对接75只气囊下水总重量达11000吨的船舶；广东地区主要有深圳市泰祥气囊护舷有限公 司、珠海澳新护舷气囊有限公司等，该地区船用气囊制造起步较晚、 起点较高，并在开发国外市场方面进展显著;浙江省也有临海市海花橡塑制品有限公司。
表6 YT—6型高承载力船用橡胶气囊单位长度的承载力
气囊直径 Diameter
工作压力
Working pressure
工作高度
Working height
单位长度的承载力保证值
Guaranteed bearing capacity per unit length
kN/m
t/m
lb/ft
D=1.2.m(D=3.94.f)
0.17 MPa
(24.66nsi)
0.7 m(2.296 f)
133.61
13.62
9154
0.6.m(1.968t)
160.30
16.34
10983
0.5m(1.640.t)
187.08
19.07
12818
0.4.m(1.312f)
213.76
21.79
14646
0.3m(0.984.t)
240.44
24.51
16474
0.2 m(0.656ft)
267.22
27.24
18309
D=1.5.m(D=4.92.f)
0.13 MPa
(18.85psi)
0.9m(2.952f)
122.63
12.50
8402
0.8m(2.624.t)
143.03
14.58
9800
0.7.m(2.296ft)
163.43
16.66
11198
0.6m(1.968 t)
183.94
18.75
12602
0.5m(1.640.f)
204.34
20.83
14000
0.4.m(1.312f)
224.75
22.91
15398
0.3.m(0.984.t)
245.15
24.99
16797
0.2m(0.656f)
267.81
27.30
18349
D=1.8.m(D=5.90.f)
0.11 MPa
(15.95psi)
1.1.m(3.608t)
120.96
12.33
8287
1.0.m(3.280 t)
138.22
14.09
9470
0.9m(2.952t)
155.59
15.86
10660
0.8m(2.624.t)
172.85
17.62
11843
0.7.m(2.296.f)
190.22
19.39
13033
0.6m(1.968f)
207.48
21.15
14216
0.5m(1.640.t)
224.75
22.91
15398
0.4m(1.312.t)
242.01
24.67
16581
0.3.m(0.984.f)
259.38
26.44
17771
0.2.m(0.656.ft)
276.64
28.20
18954
气费立径
Diameter
工作压力
Woteg x
了作其度
Wige
单位长度的承收力保证位
Guwtnsd esrlog apky r
kN/m
t/m
B/
0=1.5#
(D=4.92)
0.15 MPa
(26.11psi)
0.9m(2952 )
14126
14.4
9679
08m(2.624☆)
164.81
168
11293
0.7m(2296)
188.35
19.2
12906
06m(1.968)
211.90
216
14519
0.5m(1640#
235.44
24
16132
04m(1312角
28897
26.4
17746
03m(0984A)
282.53
288
19359
0.2m(0.655)
306.07
31.2
20972
D-18m
(D-5.900
0.13 MPs
(21.75pi)
1.1 m(0608A)
142.83
14.56
9787
1.0m(3.20☆)
163.24
16.64
11185
0.9m(2.952句
) 183.64
18.72
12580
0.8m(2624)
204.05
20.8
13981
0.7m(2.296A)
224.45
22
15380
06m(1.5%8A)
244.6
24.56
16778
0.5m(1440)
26S.26
27.04
18176
0.4m(1312角)
285.67
29.12
19574
03#(0S84)
306.07
312
20972
0.2m(0.656t)
326.48
3228
22370
YT-7 气囊单位长度承载力
上述参数均达到并超过CB/T3795-1996 “船舶上排、下水用气囊” 行业标准中表3 气囊技术参数的要求，以D1 米高压气囊为例，行业 标准工作高度在0.2米时(直径的20%)每米囊体承载力要求大于等
于125.66kN/m, 而各厂的参数是25t/m, 比行业标准的要求高出一倍。
考虑本项目下水船舶重量创纪录，是气囊下水工艺突破性创新之 举，为确保工艺的完美成功，气囊应该选用国内最高品质的气囊品牌 和服务周到的企业。本认证将以昌林气囊公司产品为对象，进行有关
计算和分析。
3.3.3船舶下水用气囊的性能
为科学、有效地使用气囊，需要掌握影响气囊力学性能的一
些规律。现介绍表示气囊力学性能的几个基本概念。
A 、 气囊承载能力与承载力
气囊承载能力是气囊在满足一定安全条件时所能承受的最大(极 限)外力(相应的内压或应力),气囊的承载力是气囊在某一工作状 况下对施压物的实际支撑力。为对气囊进行力的分析与计算，对气囊
作以下几点设定：
i.气囊是两端为锥体的长圆柱体，万吨级以上船舶下水主 要采用L=15-20 米的气囊，锥体部分占比例很小(体积比为5%左右),
因而，讨论时暂不考虑圆锥部分，将气囊简化为圆柱型；
ii.气囊是一个密封的空气系统，气体是理想气体；
iii.气囊橡胶囊体无重量；骨架层帘线不可拉伸，即囊体横剖面
母线长度和气囊的长度均是常数；气囊囊体横剖面的非受压部分在变
形过程中仍保持圆形不变；气囊圆柱部分全长承载、均匀受平面压缩
变形。
A 、 气囊许用工作压力P
实验气囊的极限工作压力Pr(Mpa): 按 CB/T3795-1996“船舶 上排、下水用气囊”行业标准规定，气囊的极限工作压力用爆破试验
确定，其值P 等于三个直径为 D1 的试验气囊爆破压力的平均值。
产品气囊的极限工作压力P₂ (Mpa):对于用同品种橡胶、同一
种骨架材料，并用相同的工艺制成的气囊，气囊外膜单位长度之强度
相同，因而直径越大其爆破压力越小，直径为D₁ 与D₂ 的气囊，爆破压力
R、R₂有以下关系： R:P₂=D₂ :D。 因此，对于与实验气囊的直径不
同，但具有相同材料、结构形式、制造工艺类型产品气囊的极限工作
压力P₂, 可由下式求取：
(3-1)
式中 P₂-产品气囊的极限工作压力， Mpa;
Pr- 实验气囊爆破试验压力的平均值，Mpa;
D₁- 爆破试验气囊体直径， m;
D₂-产品气囊囊体的公称直径，m:
气囊许用工作压力? (Mpa): 对气囊的极限工作压力P₂取一定
安全系数 (n) 后所得的、可确保气囊安全工作的(内)压力，其值
由下式求取：
…
…3-2)
式中
n- 安全系数。 一般在3-5范围内选定。 -
例如，某公司用直径D 等于0.6米的高强度气囊进行爆破试验， 所得爆破压力P 的平均值为2.475Mpa, 则可以求得直径D 等于1.5米 的同类材质气囊，在安全系数n为4.5时，许用工作压力等于0.22Mpa; 在安全系数取3时，许用工作压力等于0.33 Mpa。根据气囊的许用工
作压力P 可获得其在相应安全系数n时的承载力F 及每米承载力F。
图3-3-2 气囊承载后形状与尺
B 、 气囊许用承载力F。
气囊许用承载力F。是气囊在某一工作状态(工作高度)下，具有安全系数n 时所能承受的最大负荷 (KN) 。 与之相应的每米气囊长
的承载力用Fr。表示。
由图图3-3-2,气囊的承载力F=SxP₁, 对直径相同的气囊，每一工 作高度H 对应确定的面积S, 因而，气囊许用承载力Fe 取决于P₁,
据查，气囊许用承载力Fe 的确定有以下几种方法。
i 某压缩率下，气囊内压为许用工作压力Pe 时，气囊的承载力
(KN)。
ii 在某压缩率下，气囊壁径向应力σ等于气囊在无载荷状态，
内压达到许用工作压力Pe 气囊壁内应力σe 时，气囊的承载力。
iii P₀等于Pe, 在不同压缩率时的气囊的承载力。
目前万吨级以上船舶气囊下水常用直径为1.5米和1.8米高强度 气囊。图3-3-3的三个图是D=1.5m,L=17m时.在P₂=0.13Mpa 时，气
囊在不同工作高度H (压缩率)时，三种不同方法求得的F 值曲线图。
不同工作高度H, 内压均为0.133Mpa时气囊每米长承载力(KN/m)
图3-3-3-1L=17米气囊内压为Peo时，不同压缩高度气囊的承载力Fn/L(KN)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
-H(米)
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
04
0.3
Pe kPa
130.0130.2150.0162.5177.2195.0216.6248.727R 5325.0390.0487.5650.0
F/L(XV@)
0
22.8251.18
8648
130.6
1862
257.1340.1471.1
6382
877.5
1243
1861
图3-3-3-2 D1.5PO=0.13Mpaσ保持不变，不同H 时的每米FL(KN/m)
kN/m
,
图3-3-3-3 D1.5,P₂=0.133mpa,FL(RN/m)与压缩比 (H/D) 关系图
由图3-3-3可计算得一只常用的L=17 米，D=1.5 的气囊，在H/D等于0.5时，许用载荷分别为266.9吨、679吨和413 吨。从上述结 果可知，第一种方法是最偏安全的，工作时它的实际安全系数是大于 选定之n 值的，但从大型船舶气囊下水实际工作情况分析，气囊最大 工作负荷往往是超过这个方法计算出的界限的；第二种计算方法，在 不同工作高度 H 时，均保持了选取的 n 值，因为径向应力σ等于
P₁xH/2,在实际应用的压缩率范围，P₁随 H 减小而增加，它们的变化
速率相差无几，所以σ值变化也不大，而气囊承载力F 是 P₁ 与 S 的
乘积， ,H 减小， S 增大，因而，如调节气囊内
压，保持σ值不变，即安全性的设定不变，气囊的承载能力比第一种计算要大 一倍左右。严格讲这种方法求得的数值比较符合定义的气囊许用承载
力Fe (各企业生产的气囊其内部帘布排布结构会有所不同，气囊强
度最薄弱的状态不一定是径向，必要时，可根据气囊在压缩过程中， 囊壁中主应力方向和大小变化情况，求取气囊许用承载力Fe。); 第
三种计算结果处于中间，该方法较简明，适宜作为估算用。
C 、气囊工作承载力F 的计算
气囊工作承载力是指气囊在下水过程中压缩至不同高度时产生
的对船舶的实际支承力F。
在船舶下水气囊滚动受压加载的过程中气囊内气体质量不变，囊 体的外形发生变化，气囊的有效承压面积S、 囊内气体的体积与囊内 气体表压力P 都发生相应的改变，达到新的平衡。当气囊在垂向变形
Ah时，气囊的载荷变为：
F(△h)=P(△h)S(△h)
(3-3)
根据气体状态方程，对于气囊内固定质量的气体，气囊在垂向变
形△h时，
(P(△h)+P₄)V"=(P₀+P₄)V₀
(3-4)
其中： P(△h),V分别为气囊变形后气体的表压力和体积； R,V%分
别为压力和体积的初始状态值，Pa 为大气压力，n 为理想气体幂指数，
其值取决于气囊变形的速度。
S 值由式(3 — 5)确定，
(3-5)
内压P: 内 压P 是气囊实际工作压力，其值应小于等于许用工作压力 P, 对一定直径D的气囊，P 值取决于充气初始压力P 和工作高度H,
其计算式如下：
(3-6)
多变系数n
当气囊的变形速率较小，气体体积变化较慢时，囊内气体可以与 外界进行充分的热交换，囊内气体的温度与外界保持一致。因此，囊 内气体的变化过程可视为等温过程， n 取等温系数， n=1 。 当气囊的 变形速率很大，囊内气体体积变化剧烈时，囊内气体来不及与外界进 行热交换，因此气体变化过程可视为绝热过程， n=1.4。 气囊变形速 率越大，越接近绝热过程。因此，计算气囊的静载荷和静刚度时n取 1,计算气囊的动载荷、动刚度时n取多变指数，在1.0-1.4 之间取 值。计算下水过程气囊刚度时， n是一个变量，根据我们测试过的几 艘船舶下水过程气囊压力变化曲线分析，气囊压力的最大变化率约为 0.08Mpa/s, 在下水过程中气囊承载显著增加，气囊高度进一步压缩， 直至压力达到顶峰，高度再降到最低，历时约10s, 这一过程比较短 促，接近绝热过程， n 值接近1.4,考虑下水气囊体积是分阶段变化
的，在简化的估算时，以一个连续的过程来近似表示下水气囊的压缩
变形过程，根据不同情况， n 值可在1.1-1.3 之间选取。
气囊支撑力F 与 F₂(每米支撑力):
当n=1时，
(3-7)
(3-8)
(3-9)
图表3-3-4与3-3-5是D1.5 米 与D1.8 米气囊在不初始充气压力
时，F与压缩量的关系曲线。
KN/m
每 米 长 气 囊 支 撑 力
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
1
2
3
4
5
6
8
9
10
11
12
13
14
-h(米)
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
F=0.02AFa
0.0
3.2
7.0
11.8
18.3
27.5
40.4
58.7
85.0
123.6
182.
275.7
439.6
780.0
F0E0.03HFa
0.0
4.8
10.2
16.7
25.1
36.3
51.6
72.7
102.6
145.7
210.4
313.0
491.9
862.0
0=0.0dHFa
0.0
6.4
13.4
21.6
31.9
45.1
62.8
86.8
120.1
1678
238.6
350.4
544.3
944.0
0=0.05Fa
0.0
8.0
16.6
26.5
38.6
54.0
74.0
100.8
137.7
189.9
266.9
387.7
596.6
1026.
0=0.06a
0.0
9.5
19.7
31.4
45,4
62.8
85.2
114.9
155.2
212.0
295.2
425.1
648.9
1108.
-0=0.07HPa
0.0
11.1
22.9
36.3
52.1
71.6
96.4
128.9
172.8
234.0
323.4
462.5
701.3
1190.
0=0.08IFa
0.0
12.7
26.1
41.2
58.9
80.5
107.7
143.0
190.4
256.1
351.7
499.8
753.6
1272.
0=0.09IFa
0.0
14.3
29.3
46.1
65.7
89.3
118.9
157.0
207.9
278.2
379.9
537.2
805.9
1354.
0=010.2
158
L325
510
724
981
1301
1711
[2255
L3003
4082
5746
358 S
id36
图3-3-5 直径1.5米气囊工作高度H与每米长气囊支承力F关系图
KN/m
每米长气囊支撑力
1000
900
800
700
800
600
0
X0
200
:00
0
0.1
0.2
0.3
0.4
3.8
0.6
0.7
0.8
2.
3
1.
1.2
2.4
(米
1.7
4.8
1.8
1.4
2
1.2
0.9
08
07
0.
08
0.4
P0=0.00Fa
3.2
6.8
11.0
:8.8
25.6
34.0
48.8
82.2
84.8
118.8
188.1
2188
507.9
447.8
+P0=0.0MPa
4.8
3
16.9
23.1
32.:
42.8
88.4
103.8
158.2
188.6
2828
380.8
505.8
P0=0.0MF
6.4
13.:
20.7
29.7
40.6
54.2
7:.4
95.8
1228
4603
215.2
286.4
595.2
889.
—*-70=0.0EMFa
7.9
6
.8
49.1
64.8
34.3
103.2
1414
240.8
320.2
435.9
614.8
*P0=0.OEMFa
3
:9.8
50.4
42.9
87.6
78.4
97.3
:24.8
180.2
208.3
268.5
5542
478.8
670.4
-P0=0.6MFa
11.4
22.6
56.5
49.8
65.:
86.0
:10.2
:40.5
179.0
229.1
295.9
3881
821.2
725.6
-P0=0.0EXFA
12.6
25.8
40.:
88.2
74.6
96.6
:42.
28.1
197.2
26:.8
323.8
422.0
865.8
781.7
2.0
14.2
29.0
44.9
82.7
83.1
107.2
106.1
171.8
164
274.6
881.0
458.9
605.日
887.4
P0=2.10WFE
18.8
322
49.8
69.3
31.6
117.8
149.1
187.4
23E.8
297.2
378.6
4838
649.2
892.9
图3-3-5 直径1 .8米气囊工作高度 H 与每米长气囊支承力Fi关系图
式(3- 9)可表达成以下表达式：
由(3-10)式可知：
气囊初始充气压力P 及压缩比(H/D)一定时，单位长度支撑力与
气囊直径成正比。
四、7.2 万吨散货船气囊下水工艺概述与安全性分析
4.1、下水工艺概述
4.1.1下水工艺过程
对于大型散货船船这类方型系数比较大的船型，它们典型的气囊
下水工艺流程如下(下水操作程序):
1) 平整场地，校正场地倾斜与凹陷不平，填补场地前沿 入水斜坡；清除船底下以及移船经过的所有场地上的一
切杂物和影响、阻碍气囊滚动的障碍物。
2) 系船绳索将绞车动滑轮组系住.系船绳索应满足牵引力 要求，必须从艏部系固于带缆桩等强力构件或专用耳板上，并进行强度校核，必要时还可捆绑部分或全部船体。3)按工艺设计要求排布气囊，开始充气，实施落墩，使船 舶重量全部承压于滚动气囊上，气囊必须按规定平行排
列。
4) 随船下水的工作人员上船完毕，移去梯子、引桥、岸电
电缆等。并在适当的时机开启坞门。
5)启动绞车或操纵动滑轮组，放出钢丝绳或链条，使船舶 借助气囊的滚动向水域移动，必要时，为克服启动时的 静摩擦力，可借助挖土机等机械施加助推力。根据水域
及坡道条件选择快速入水还是继续在机械控制下入水。
25
按照事先计算的船舶从全浮开始自由滑行所需距离.如 果水域不能满足此要求，则需要采取船舶制动措施，或 在绞车控制下缓慢入水；水域宽度足够，且船舶能自行 下水时，可以脱离绞车控制，用脱钩或砍断缆绳的方法 让船舶借助下行力自行下水；当建造船舶船尾部直接在 水边，没有移船阶段且船舶可以利用下行力自行下水时， 允许不用绞车，但进行气囊充气到拆除船墩前，船必须 先与地牛拉住，牵引索尽量在水平线以下，若牵引索在
水平线以上时，其夹角不大于5°。
6) 船体全部入水后将船舶拖靠码头；回收所有气囊。测量
船舶艏艉吃水，检查各舱有无漏水。填写完善下水记录。
4.1.2下水前的工艺设计
为确保下水安全，本船下水前必须编制下水工艺方案，下水工艺
方案的内容大致如下：
i、基础部分
a)下水船舶的尺度、重量、重心、下水场地及水域条件：
b) 气囊规格、数量，气囊的布置方案：
c) 落墩方案和拆墩程序；
d) 钢丝绳的牵引力和布置方案。
ii、下水计算部分
a) 气囊承载力计算，算出下水启动前每一只气囊的承载力以及 对重心之矩的总和；船舶肿部滑行至坡道瑞部前后30米范围时该区 域气囊的承载力；船舶艏部滑行至坡道瑞部前30米范围时的该区域
气囊的承载力。
b) 计算下水时船舶产生艉弯和艉上浮时的行程，计算该处气囊
产生最大内压，校核气囊强度和船体结构强度：
c) 计算船舶下水滑行距离，核查水域宽度，如存在水域狭窄问
题，应提出制动阻尼方案，并进行相关计算。
iii、 应急预案
为应对不测事态发生，企业在下水前需要根据船厂的具体环境
条件，就可能发生的意外事态做出应对方案，例如：
a) 下水不能启动时的应对措施；(预备某种可提供下水推力的机
械，如挖土机、绞车等，并制定应急操作的方法、步骤。)
b) 下水中途气囊爆裂或严重泄漏的应对办法；(人身安全的保
障措施，暂停船舶滑动，进行气囊置换的工艺方案等)
c) 下水中途船舶搁浅的处置方案。(例如，备用气囊的安排，气
囊填放与充气的操作程序等)
4.2气囊安全性分析
4.2.1气囊的布置方案
A、 气囊型号的选择
规格尺寸
囊体直径D: 国家船舶行业标准“船舶生产企业生产条件基本要 求及其评价方法”中要求，船舶在船台上建造时，船底与船台地面的 距离不小于80公分。1 米以下的气囊在这工作高度对船舶的支撑力 较小，难以实施落墩操作。对万吨级以上船舶下水，主要选用直径 1.5米与1.8米气囊，少量选用2.0米和1.2米直径气囊。国内成功进 行的5万吨级船舶(下水自重1万-1.2亏吨)气囊下水基本采用D=1.5m 的气囊，这型号规格气囊应用量大，质量稳定，本项目主要也采用这
类 D=1.5m 规格的气囊，少数的下水最后阶段位于艏部工作的气囊可
视具体情况选用1.8米气囊。本项目分析时，以昌林 CL-7型气囊为
参考，以 D1.5米 ，L18 米规格为主。
囊体长度 L:目前国内制造商的生产设施可以生产的气囊长度不 大于20米， 一般在18米以下。对大型船舶下水，为降低气囊工作压 力，减小船舶结构应力，确保下水安全，需要充分利用船底平面布置 足够数量的气囊，船宽大于气囊长度较多时，宽度方向可以将气囊对 接。工、本船宽度大(36米),适宜运用对接布置方案，长度拟选用
以18m 与12m 组合为主的气囊。
囊体宽度 (L)
在不同工作高度H 时，气囊的宽度是决定下水船只气囊排布密度
的重要因素，不同直径气囊受压缩时宽度变化规律如表图4-1所示。
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
压缩率o
0
10
20
30
40
50
70
80
90
D2.0
2
2.11
2.23
2.34
2.46
2.57
2.68
2.80
2.91
3.03
-D1.8
1.8
1.90
2.01
2.11
2.21
2.31
2.42
2.52
2.62
2.72
A-D1.5
1.5
1.59
1.67
1.76
1.84
1.93
2.01
2.10
2.18
2.27
-D1.2
1.2
1.27
1.34
1.41
1.47
1.54
1.61
1.68
1.75
1.82
图4 - 1 压缩率与气囊宽度关系图
B、 气囊布置的形式
气囊布置方式：万吨级以上船舶下水滚动气囊布置主要有3种形
式：单列排布，交错排布和对接排布。采用何种排布形式取决于船舶
宽度和气囊长度，需要时也可以混合排布。
i. 单列排布： 当船宽小于或等于气囊有效长度时采用之，在船宽大于
气囊长度船舶的艏、艉部位往往也采用单列排布。
图4 - 2 气囊单列排布示意图
ii. 交错排布：当船宽大于气囊的有效长度，但小于二个气囊长度时，
可以采用交错排布形式。
图4-3 气囊交错排布示意图
iii. 对接排布： 当船宽大于二个气囊的有效长度时，可以采用对接排 布形式，对接气囊间应留有适当的间隙。根据船底宽度和气囊长度可
选择 (A)(B)排列形式，本项目以 (B) 式为宜。
(B)
图4 - 4 气囊对接排布示意图
C 滚动气囊数量的确定与间距计算
船舶气囊下水的气囊数量和排列方式取决以下因素：能产生足够 的支撑力抬起船舶完成落墩和运送船舶下水；气囊安全，不会因超负 荷而损坏、爆破；船体结构不发生超载损伤。在1998年颁布的行业
标准“船舶用气囊上排、下水工艺要求”CB/T3837-1998 中提出：
i气囊下水船舶起墩时，气囊的数量按以下公式计算：
(4-2-1)
式中： N--- 滚动气囊的数量，只； K.--- 系 数 ，K₁=1.2～1.3;
Q---下水船舶自重， t; 8---单位转换系数， 9.8;
C,--方形系数：
R---每米气囊允许的承载力， KN/m;
L₄--- 在船舶肿剖面处气囊囊体与船舶接触的长度， m。
式(4-2-1)中Q 与C,可从船舶设计图中获取； Lμ可从船舶横 剖面图中获取， 一般取水线图船舶最宽部位船底线的宽度；关键是如 何选取R, “每米气囊允许的承载力”有二个主要影响因素， 一是气 囊工作压力的确定。如前所述，气囊许用承载力是指气囊工作压力为 许用工作压力 Pe 时所能产生的支撑力，但实际下水工程，气囊在船 台起始位置时，工作压力都不会达到许用极限值 Pe 的值，根据对2 万吨级船舶下水的多次观察(所采用的气囊规格与本项目相同),气
囊在船台起始位置的充气压力平均值在0.09MPa 左右；二是下水前气
囊的工作高度，它对气囊承载力的影响很大，受施工条件(墩高要求 大于0.8 米)等因素的影响，,气囊在船台起始位置的高度一般为 0.85-1 米。由此求得的R更符合工艺实际情况。计算所得气囊数量 N
可认为长度为 La的气囊。
本项目设船舶在下水气囊下水前平均高度为0.80米，气囊压力
为0.10MPa 时的参数如下：
下水船舶自重Q: 13500吨
方形系数 Co: 0.822
系数 K₁: 1.25
船舶肿剖面处平底宽度 La: 32.5米
每米气囊的承载力R: 110KN/m;
计算得到 N 值为58。考虑以对接排布为主，将 N 值分解成为 18+12的气囊组45组和18米(艏、艉部分可用12米)气囊25个，
排为70行。
ii. 滚动气囊之间的中心距离：要考虑船体的结构强度，同时要
防止滚动气囊间压叠在一起。
CB/T3837-1998 要求气囊间距满足以下二式限定的范围：
L/(N-1)≤6
L/(N-1)≥nD/2+0.5
(4-2-2)
(4-2-3)
式中： L-- 下水船舶长度(可布气囊的实际长度), m;
N---滚动气囊数量，只(排);
D---气囊囊体公称直径， m。
本项目船舶长度(可布气囊的实际长度)L 为201米，以式(4-2-2)
和(4-2-3)进行计算时， N 取分解后的行数，
由式(4-2-2)计算得气囊间距 为2.91米，具体排布时，气囊 疏密可根据船舶重布适当调整。简况如图4-5。图4-6 是凯航提出的 二个交错方案。共用L=19 米 、D=1.8 米 和 D=1.5 米气囊72-76个，由 式(4-2-3)的计算值为2.83-2.68米。式(4-2-3)是偏于保守的，在 工程实践中，例如，2 万吨级船舶下水时，记录到的实际排布间距 (D1.5m气囊)在艉部有缩小至2. 16 米的，关键是能控制相邻的二
气囊滚动时不相碰，有0.5 米的间隔以保证之。
70000吨散货船下水气囊布置图
图4-5 对接非布为主的气囊布置图
图4-6 二个气囊交错排布方案
4.2.2气囊在下水过程中受力状况变化分析
了解与掌握气囊在下水过程中的形状与受力状况的变化规律，对 发挥气囊的潜力，科学、合理地使用气囊，及调控船体在下水过程中 的受力都是必须的。为之，曾从现场实验测试和理论分析二个方面着 手了解气囊在下水过程中压缩率(工作高度)、内压与气囊强度、支
撑力的关系。
A 、 实船下水过程气囊内压变化的动态测试
为了测量气囊动态压力，利用专门设计制作的气囊压力测试仪， 以每秒20 次对气囊压力进行实时检测，记录数据既可以通过无线方 式传输进入计算机，又可以存储在测试仪内部芯片上，测试完成后再
传输入计算机进行处理。
(a) 气囊压力测试仪原理框图
无线传输 模块
(b) 气囊压力测试遥控器原理框图
图4-7压力测试仪原理框图
典型的测试结果如图4-8。由图可知，气囊内压P₁ 在下水过程，
实船二下水气震动态压力综合曲线
相对时间(秒)
图4-8气囊下水过程中内压随时间的变化曲线
大致都由三个阶段组成，下水初期，气囊在船台平面上滚动，内压基
本保持充气结束时大小；气囊运动接近船台斜率变化线或岸线边缘 时，气囊内压升高，出现峰值(见图4-9,船台气囊下水最大载荷分 布曲线位置的值可比第一阶段升高一倍以上，达0.2MPa 以上；气囊 滚入船台大斜度区，内压陡降，落入水中后，内压降至空载压力 Po,并基本稳定。为确保气囊和船结构安全，重要任务就是如何降低峰
值。
图 4 - 9 实5号船下水过程某气囊压力变化与船舶船台位置关系曲线
B 、 几个基本概念与公式：
i、气囊与船台地面及船底之间不发生滑移运动，仅有滚动；
气囊纵轴沿船台纵向的前进速度是船舶同方向运动速度的
1/2。
ii、气囊承载力 (4-2-4)
式中 P—— 内压 (MPa)
S——气囊承托船体之正投影面积，
S=B×L(m²) (4-2-5)
其中： B 与 L分别为气囊与船底接触面的正投影宽度与长度
工作宽度 B 与直径 D 之关系可写成：
B=π (D-H)/2 (4-2-6)
式中 H—— 压缩后高度
iii、气囊壁内应力
图4-7 气囊受力分析图
0L
0.866D
气囊直径一D 气囊长度-L
气囊两端锥体长度为0.866D
径向应力σr
轴向应力 ∑ |
(4-2-7)
(4-2-8)
其中 P1 与空载时压力 Po 和压缩后高度H 相关，如 n=1,则
(4 2 9)
式中 Pa 是大气压力。
C、几个值得注意的规律
i、空载压力 Po对支撑力影响很大，尤其在压缩率大时(特
别是70%以上)气囊刚度上升会很快。如图4-8所示。
KN/m
压缩比 (D-H)/D×100%
图4-8不同初压力气囊在不同压缩率时的承载力
要防止气囊内压的迅速增高对气囊可能造成的危害，从表4-2可 知一个在下水前内压为0.138MPa,工作高度为0.9米的气囊，如果压
缩到0.6米高，内压会升高达0.239MPa, 超过气囊的允许压力 Pe。
表4-2 不同空载压力时气囊压缩率对气囊内压的影响
压缩率
(D-H)/Dx100%
H(米)
(D=1.5米)
pi MPa
(p0=0.11)
Pi
(p0=0.09)
pi
(p0=0.05)
0.00
1.5
0.110
0.090
0.050
0.07
1.4
0.111
0.091
0.051
0.13
1.3
0.115
0.094
0.054
0.20
1.2
0.121
0.100
0.058
0.27
1.1
0.131
0.109
0.065
0.33
1
0.145
0.121
0.075
0.40
0.9
0.163
0.138
0.088
0.47
0.8
0.189
0.161
0.106
0.53
0.7
0.224
0.194
0.132
0.60
0.6
0.275
0.239
0.168
0.67
0.5
0.351
0.308
0.222
0.73
0.4
0.473
0.418
0.309
0.80
0.3
0.693
0.617
0.466
0.87
0.2
1.181
1.059
0.815
0.93
0.1
2.913
2.626
2.052
ii、气囊支撑力 F[相同时，工作高度低(压缩率大)的气囊更安
全。
气囊被破坏，主要是其囊壁内应力超过了极限值。以D=1.5米气囊为 例，从图4-8可知，在气囊承载力为300KN/m 时，如一个气囊的工 作高度H 等于0.42米，其工作压力β等于0.108MPa; 另一个气囊的 工作高度H 等于0.61米， R 等于0.246MPa。 在这二种状态下气囊壁 内的应力(图4-7)分别由下式(4-2-7)与(4-2-8)求取：得到气囊
承载力为300kN/m 时囊壁内应力如表4-3表4-3
气囊空载压力
径向应力G,
轴向应力G,
主应力G。
P₀=0.03Mpa
00225/δ
0.00813/δ
0.0239/δ
P₀=0.1Mpa
0.075/δ
0.0223/δ
0.0782/δ
比值(σ₀₁/σoos)
3.33
2.74
3.27
从以上计算结果可知：同样发挥300KN/m 支承力作用，工作高度H 等 于0.42米的气囊囊壁应力仅为工作高度H 等于0.61米气囊的三分之 一左右。工作高度H 等于0.61 米气囊在该状况下的工作压力β值为 0.246Mpa, 已大于目前市场上供应的高强度气囊的许用工作压力，而 工作高度H 等于0.42米的气囊的P 为 0.108Mpa,属于正常许用工作
压力范围(按 Pe值不变而言)。
4.2.3本项目下水的气囊安全性预测(评估)
按4.2.1C节中选用气囊时的基本参数是：气囊下水前平均高度为 0.85米，气囊压力为0.0.13MPa, 每米气囊的承载力R 为133KN/m; 经计算得 Po=0.087MPa,由图3-2-2 可查知该工况实际 Pe约为 0.23MPa, 许用承载力约为300MPa。 静态安全系数可达8-9。气囊在 运动状态有一个压力峰值，持续时间约2秒，由测试的各种数据确定， 当内压为200KPa 以上时气囊的高度为0.6 米左右，由此可知，该时 气囊的许用压力Pe 在325KPa 左右，有足够安全余度。测试的船舶， 平均每米长气囊的静态承载重量约为6.5-8.6 吨，本方案的值为7.6
吨，气囊安全是基本有保证的。
4.3船体安全性分析
4.3.1船体在下水过程中受力的变化规律
浙江工业大学等单位曾进行过5条2万吨级船舶的气囊下水测试 和计算，获得了下水过程中气囊内压变化的规律，图4-9 和图4-10
是部分气囊压力变化实测和计算结果。
古
4.3.2 在下水过程中船体应力的变化规律
浙江工业大学等单位曾进行过5条2万吨级船舶的气囊下水的应 力测试和计算，获得了下水过程中船体应力变化的规律。发现在船体 重心经过船台末端时，船台末端处的气囊压力达到最大，船体在此处 的最大总纵弯矩也是在下水整个过程中最大总纵弯矩，但此时的甲板 纵向应力和船底板纵向应力比较小，都在10 0MPa 以内，见表4-4。 船舶重心附近的船体板格的应力最大，此处为最危险板格，图4-11
和图4-12是最危险的船底板格的应力变化实测和计算结果。
表4-4 计算结果汇总
船名
最低船
底距离
(m)
倾角
(rad)
船底板 格最大 应力(MPa)
船底板
板纵向
应力
(MPa)
甲板纵 向应力 (MPa)
高应力 区域
实船1
0.37
0.037
192
46
95
79-109#
实船2
0.4
0.061
215
37
54
75-100#
实船3
0.39
0.031
201
50
60
85-105#
实船4
0.41
0.034
228
37
50
85-105#
实船5
0.26
0.023
225
61
97
79-109#
生
图4-11 最危险的船底板格应变曲线
图4-12 最危险船底板应力变化结果图
从图中可以看出：由于气囊是间隔滚动的，所以肋位所受到的力 有间隔性震荡特征。且由于开始时船舶的下水速度较小，目标肋位与 气囊的接触时间较长，所以在初期图像上的“柱状”宽度较长，较为 平整，且分布较为稀疏。到下水的中后期，船舶速度加大，目标肋位
与气囊的接触时间较短，“柱状”分布较为密集且出现了一定的坡度，
在气囊压力达到最大时，船舶重心附近的船底板格的应力也达到最
大。
浙江工业大学等单位还曾采用有限元方法，建立了散货船重心附 近的货舱区的舱段模型，见图4-13,进行了最危险时刻的船体应力分 析，所得结果见表4-2。再次表明气囊下水过程中，应力最大的部位
是船舶重心附近的船底板。
图4-13 舱段有限元模型示意图
表4-5应力汇总 单位MPa
计算部位
工况
相当应力
外底板
IC max
230
内底板
LC max
122
甲板
IC max
201
船底纵桁
IC max
146
舷侧外板
IC max
180
横框架
LC_max
106
横舱壁
IC max
163
顶边舱斜板
maX
166
底边舱斜板
IC max
103
4.3.372000 DWT 散货船气囊下水船体局部强度估算
由于72000 DWT散货船尚未完成技术设计，细致的气囊下水计算 尚不能进行。尽管该船的自重较大，但是，因该船型宽较宽，加上采 用半坞式船台，下水时水位较高，因此可以参照现有的2万吨级船台
气囊下水的研究成果，进行船体安全性预测。
可以预计正常情况下，72000 DWT 散货船气囊下水过程中，船体 总纵强度不会出现问题，船体应力最大的部位应该在船舶重心附近的
船底板。
受气囊反力作用的船底板，可视为四周刚性固定的刚性板来计 算，且由于受压后气囊横向尺寸与船底板格尺寸相当，计算时简化为 四边刚性固定的板受均匀面荷载作用。根据板弯曲理论，四边刚性固 定的板受均匀面荷载作用时候，支座横向应力、支座纵向应力、中点
横向应力、中点纵向应力之中，支座横向应力最大。支座横向应力近
似公式如下：
(4-3-1)
其中，P 为气囊作用在相应肋位的单位长度的荷载(kN/m),1 为
肋板间距 (mm);s 为纵骨间距 (mm);t 为船底板厚 (mm)。
按照72000DWT散货船的初步下水方案，当船舶重心经过船台末 端时，对应的气囊应该是直径1.8m的气囊。根据以往的经验，此处气 囊的压缩量应该不超过80%,气囊的高度应该大于0.35m。 按照“昌 林牌”CL-7型高承载力船用橡胶气囊单位长度的承载力表(表3-3-2), 气囊作用在此处单位长度的承载力应该不大于300kN/m。 考虑到气囊 刚度的非线性，气囊作用在此处单位长度的承载力应该不大于600
kN/m。
浙江工业大学等单位通过大量的理论和实验研究，确定的气囊下
水安全标准为：按上述用公式计算的船底板近似应力，不得超过船底
板屈服应力。该船船底板的材料为AH32,屈服应力为320MPa 。该船
船底板气囊下水的许用应力为320MPa。
根据该船初步设计方案，该船肋板间距!为2580mm;纵骨间距s 为820mm;船底板厚t为16mm,材料为AH32。 按照公式(4-3-1),获
得船底板的最大应力不会大于305MPa。
对照该船船底板气囊下水的许用应力为320MPa, 因此，可以预
测72000DWT 散货船气囊下水船体结构安全是可以保证的。
4.4下水过程的预测与环境安全分析
由浙工大、省船舶行业协会、现代船舶设计公司合作承担的科技 厅二万吨级气囊下水研究课题组对船舶在气囊下水过程中的运动规 律、势态变化进行过较全面的记录、测量和研究分析，为确保气囊下 水船舶“下得去”,“下得稳”,“避碰撞”奠定了基础。以下图4-14、 4-15、4-16是其中一艘2.25万吨船舶的下滑速度、位移和船舶倾角变 化曲线。这次下水平稳、顺利，有关数据可供参考。入水后船舶的最
大速度约5.2米/秒。最大纵倾角2.5度。
米
时间
图4-14 位移曲线
时间
图4-15 下水速度曲线
图4-16 倾角变化曲线
4.4.1下水环境
船台前区如图4-17,西侧船台延长线与码头距离约40米。船台前 沿水深是一个斜坡，在船台入水端前沿，海底85高程0至-1米，200
米处，为-4米左右。船台下水端标高3.2米。上述下水环境除船台设
计上不很理想外，总体条件较好。从船台标高及潮位资料分析，该船 台基本属于常规气囊下水船台，不能讲是半坞(潜)式船台。据了解 该海域大潮潮位也仅3.6米，这对大型船舶气囊下水是不利的，主要 涉及气囊内压的峰值和船体结构的安全。为之，在船舶设计完成后， 需要进行必要的计算，如结果有问题，则要求改造船台，以改善下水
安全。改进的余地是大的，有关方案另议。
图4-17 船台前沿环境
4.4.2船舶运动速度的估计
图4-18 下水船舶下滑力示意图
A、简便估测船舶自动滚滑下水，必须使船舶自重沿坡道方向的分力大
于坡道摩擦阻力，如图4-18所示，即 Fa=Qsin a >F₁=fN (4-4-1)
式 中 ：Q: 船舶下水重量，吨； f: 气囊与坡道间的摩擦系数；
F₉=Qsina, 为船舶沿坡道方向的分力；
N=Qcosa,为船舶垂直坡道方向的分力；
α —坡道坡度。本项目船台为100:1.1
在a 很小时，sinα~tga≈ 斜率 COs a≈ 1
摩擦阻力 F:Fr=fN=fQcosa; 下水推动力 F=Fa-Ff=Qsin a-fQcos a
因 F=ma, V=at
则 V=Q(tgα-f)t/m (4-4-2)
重力Q 与质量比是常数，因此在不同船台下水，在船台表面材质 相同时 (f 相同),船舶在各时间的速度与滑道坡度斜率成正比，图 4 - 15船舶下水船台的斜率平均约为100:1,本项目为100:1 . 1,可以估计，本项目船舶下水的最高速度可能在5.5至5.7米/秒。因为气囊有压缩现象，船舶下水过程船舶倾角会变化， 一般会使加速度增长， 入水后水的阻力也会有影响，使速度下降。被测试的船舶下水时采用 了一些常规的阻尼措施，本项目下水时也可应用，下水船舶的漂浮速 度，是可以控制在能接受的范围的。船厂岸线前沿开阔，下水船舶滑 行距离控制不是关键，只要控制好船舶不向西漂，撞击码头，会比较
安全。
B、详细测算 在船舶设计完成，船舶下水状态确定后，也可以 进行更精确的计算，求出下水的速度、位移、倾角变化等各项数据。
浙江工业大学曾编写过有关的计算程序。
图4-19 船舶气囊下水中的受力图
图4-19 是船体在下水过程中的受力图，其中包括：船体的重力Fa, 水对船体的浮力Fa,下水气囊对船体的支持力F和摩擦力Fx,水对
船体的粘性阻力Fm和因附加质量变化而产生的轴向质量力F₂。
考虑船舶下水沿船台方向力的平衡，以船的基线方向为轴向，将 重力与浮力的合力投影到轴向以后，轴向上加速度乘以船体的质量等
于轴向上各项力的合力。则可以得出方程：
m·L”=sin(θ+α)·(m·g-F₂)-Fx·μ-Fp-F₂
(4-4-3)
其中m为下水船舶的质量，下水船舶的质量分布是已知的。L表示 船舶下水的滑程，对其取二阶导数得L"即为船舶下水时轴向的加速 度，“表示气囊的滚动摩擦系数，计算时每个气囊的动摩擦因数作为 常数给定。船舶基线相对于船台的倾角为α,船台相对与水平面的倾 角为θ,g 为重力加速度。Fx 指在船台上的气囊对船舶提供的支持力， 其为船台上所有的对船舶提供支持力的气囊所提供的力的总和。由于 气囊刚度是强非线性的，其计算较为复杂，可根据实测的气囊压力变 化曲线回归得到的近似公式求取。Fm 为船体受到的水摩擦力，即船
体的入水部分受到的粘性阻力，通过船体的表面浸湿面积，下水的即
时速度，及其粘性阻力系数而得到。动量变化力,当船的
附加水质量较大的情形下应该考虑附加水质量力，可根据Boef,WJ.C
的公式进行近似计算。
4.4.3下水船舶吃水深度变化的估计与要求的水文条件
下水水位：船厂所在地区平均潮差为4.2米，下水要求潮位高3.2 米以上， 一般设为3.4米，即船台入水端经斜坡结束处水深可达4米 左右，距坞门200米处水深7米以上。船台入水端的标高为3.2米，
厂区地坪标高5.3米。
船舶下水后，预测平浮状态时艏部吃水为0.9米，艉部4.2 米。 下水中途，船舶可能发生尾倾(艉落),图4-15船发生最大达2.5度 的艉倾，如类似情况发生在本项目船上，船艉结构不会撞击海底，因 为这时船艉约位于离岸100米处，该地域水深约6米，船艉结构最多 下沉到海平面下5米左右。因船台附近有下水气囊保护，船舶即使发
生艏落也不会造成问题，更何况前沿水深足够。
4.5 提高气囊下水安全性的建议
提高本项目大型船舶气囊下水安全性的关键，是处理好船舶重心 前后一段区域滚动至船台末端位置时船舶的姿态和位置高低，以降低
在船台端部区域气囊的内压和对船底压力。
4.5.1 降低气囊的工作高度和初压力 P₀
降低气囊的工作高度与初压力 Po (或在船台的静态压力 Pis) 是 相互关联的。降低气囊工作高度，尤其是在船台端部位置时的高度有
以下利益：
i、气囊工作高度下降相当潮水上涨，下水过程中浮力增加，气 囊内压及对船底压力都能显著降低。对项目船舶，气囊工作高度平均 下降20厘米，在船肿到达船台末端时，浮力估计增加400-600吨。 曾经对一条2.15万吨散货船进行计算，下水船台的坡度为1/100,在 接近下水端下折至坡度1/20,水位高度从-0.2m 升至0m 时计算所得
气囊内压从0.2437MPa 降至0.2144Mpa。
ii. 产生同样支承力，工作高度低的气囊更安全。这一点在 4.2.2
节中已进行过分析，不再赘言。
降低气囊工作高度是有条件做到的措施。目前气囊工程队在下水 时，气囊的初始高度 (H₁₅)一般有1米左右，表4-6是几条万吨级船
舶下水记录的数据。必要时，为安全计将H₁ s减小到0.8米以下是可
。表4-6 浙江4艘2万吨级船舶气囊下水基本参数
船舶名称
船舶载重
量吨
(万DWT)
船舶下
水重量
(t)
下水气
囊数
气囊平
均承载
(t)
下水前气囊高度H₁ s(cm)
平均工作
高度为直
径的%
最大
最小
平均
实测1号
2.15
6040
53
114
117
78
91.6
61
实测2号
2.15
6010
53
114
120
90
101.7
67.8
实测3号
1.66
4860
40
122
112
109
110
73.3
实测4号
2.25
6200
58
107
110
86
97.5
65
能的，当然这会增加施工工作量。
4.5.2 科学排布气囊。既要考虑静态时船舶重量的分布，在机舱等 重负荷区域给以加强，更要考虑下水运动过程中动态负荷增大的区域 气囊的布局。尽可能做到：在船舶重心前15(左右)助位移动到船
台末端时让安排的高质量气囊或大直径气囊进入该区。这些气囊的
Pis 要低，让气囊的压缩率接近80%,增大船舶的入水倾角，增加浮
力，并减小对船底压力。
4.5.3增加气囊数量。 缩小气囊间距，在相相似条件下，气囊密度
对船底应力有较显著影响，表4-7是一个计算实例。
表4-7 气囊布置对船底板应力的影响
气囊间距(m
气囊
调整系数
2
2.5
3
3.5
最大船
底板应力(MPa)
最大船底板应力(MPa)
最大船
底板应力(MPa)
最大船底板应力(MPa)
1
252
262
314
314
对 D=1.5 米与1.8米气囊，气囊间距分别缩小到2.5米和3米左
右是可行的， 一般不会发生前后气囊叠压现象。
4.5.4 加强下水船舶船体结构安全性的几点建议
根据2万吨级船舶气囊下水的研究成果，加强下水船舶船体结构
安全性，可通过下述的方法实现：
(1)减少气囊下水过程中的最大压力，气囊的压力小，对船体
的支撑力就小，板格的局部应力就小。
(2)由于船底板格应力最大的区域仅限在船体重心附近。因此， 可以考虑，在此附近的船底纵骨之间加焊纵向扶强材，以减小船底纵
骨间距，或者在此适当增加板厚，降低板格的局部应力。
(3)可以考虑，在船体重心附近的船底板(厚度不变)采用 AH36
型号高强度钢，提高船底板的许用应力。
五、综合意见
应用气囊下水7万吨级船舶是气囊下水工艺的重要创新，在气囊
下水工艺发展历程中具有里程碑意义，也是气囊下水工艺发展的必然 要求和方向。气囊下水用于5万吨级船舶已有多例成功经验，并已下 水过自重1.29 万吨自航式半潜船，其下水工艺复杂、困难程度已不 逊于7万吨级船舶，因此将气囊下水工艺用于7万吨级船舶是水到渠 成的事。但比较传统下水方式，影响气囊下水的因素更多，更复杂， 对72000DWT 这样大型船舶气囊下水需要更要科学、谨慎从事。我们
认为：
1、我国船舶下水气囊的制造技术已十分成熟，在开发高强度 下水气囊方面取得丰硕成果，新型气囊完全能满足包括本项目7.2万 吨船舶在内的大型船舶下水的需要。按规范的工艺实施下水，下水气
囊的安全是有保障的。
2、大型船舶气囊下水，船舶结构的安全是关注的重点。从研 究分析过的气囊下水实船数据可知：最具威胁的是船底所受局部应 力。 该应力与作用于船底的气囊单位长度承载力相关。本项目船舶 的承载船底宽而大，可以排布比较多的气囊，有可能将气囊的最大单 位长度承载力控制在相当甚至低于2万吨级船舶气囊下水的水平(在 船舶设计完成后，应该进行相关的工艺设计、计算)。因而，船体结
构的安全是能实现的。
3、本项目的下水环境较好(可能船台需要适当改造),实施气
囊下水没有特殊的困难。
4、虽然如上所述，本项目船舶采用气囊下水是可能安全、成
功地进行的，但也要注意，在气囊下水研究中也发现，在2万吨级气
囊下水船舶测试记录中，有的船舶其重心附近肋位船底板与结构的应 力曾达到或超过了所用钢材的静态屈服极限，尽管大多数点的应力 (应变)在船舶进入正常浮态后基本回归零点，这仍是一种预警，说
明气囊下水船舶肿部船底结构类似滑道下水船舶艏部结构，是下水过
程应力高峰区，处理不当，或下水环境变化，有造成船体部分结构受 损的可能，因此，大型船舶气囊下水的肿部船底结构应该加强，以防
万一。加强的方法建议与结构简图，如附图.
综上所述，分析认为：在采取了必要的安全预防措施后，在科学 制订下水工艺的基础上，该72000DWT 散货船在凯航船业实施气囊下
水是可能的。
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