“新东莞 1 号”70000吨散货船气囊下水技术总结
目 录一、概述
二、计算要素
1、船舶与船台2、船舶下滑力3、气囊内压和承载力4、水位及船体入水部分浮力
三、实船下水1、方案2、操作
四、应力测量
1、应变片布置2、测量结果
五、结论
一、概述
船舶气囊下水是具有我国自主知识产权的创新技术， 因具有省投资、无污染、机动灵活、安全可靠、综合经济效益显著、更低碳环保等优点，近年来发展很快。浙江正和造船有限公司位于浙江省舟山市定海港西北方的册子岛北端， 甬舟跨海 大桥北侧（见图 1），占地 26 万平方米， 拥有 8 万吨级船台 2 座，5 万吨级船台 1 座, 配有 400 吨、300 吨龙门吊等起重设备。自 2008 年中旬至今， 公司已交付包括 57,000 吨散货船、33,000 吨散货船、27,000 吨运木散货船、8,000 立方米运木船等多艘船舶， 船东分别来自希腊、德国、加拿大、韩国、中国香港、中国大陆等国家和地区， 这些 投入运营的船舶为船东带来了良好的经济效益。正和造船根据船东需求， 现手持包括76,000 吨、70,000 吨、57,000 吨散货船等近 30 艘船舶的订单。
自 2008 年以来，正和造船已经使用气囊实现了包括 57,000 吨散货船， 33,000 吨散货船， 27,000 吨运木散货船， 8,000 立方米运木船等多条船舶的顺利下水。2010 年 12 月 3日，公司承制的“新东莞 1 号”70,000 吨散货船顺利实现了气囊下水。在该船气囊下水前， 为了保证安全， 浙江正和造船有限公司与气囊下水工程公司
双方多次召开下水方案研讨会，对船台改造、水位高度、船舶下水计算，以及气囊的布置、船舶下滑速度的控制、下水水域环境的警戒等都作出了周密的安排。作为我国船舶气囊生产和气囊下水技术的龙头企 业，在多年的实践中， 总结出以理论研究结果为依据， 辅以经验数据的一套计算方法， 对船舶及气囊在整个下水过程的安全性进行了评价。以此方法， 承担过多条五万吨级 以上船舶气囊下水的技术计算。计算原理是： 基于气囊的承载力等作用在船体上有所 有外力， 在船舶起墩和下水过程中的每个阶段达到动态平衡， 根据船舶下水重量、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， 对下水过程的主要阶段进行数值处理， 得出每只气囊在船舶下水过程中各个 位置的内压和承载力值。计算的主要内容有： 船舶在坡道上产生的下滑力及钢丝绳的 牵引力、下水需要的气囊数量和布置方案、每只气囊在起墩时的承载力以及对船舶重 心之矩的总和、下水过程气囊承载力和内压的变化、船舶入水部分的浮力， 根据计算 结果判断船舶下水过程中由于船舶倾角和气囊承载力变化使气囊产生最大内压时的安全性。通过对“新东莞 1 号”70,000 吨散货船气囊下水过程的计算， 得出的各项数据均在许可范围内，因此认为本船利用气囊下水是安全的。船舶在气囊下水过程中，不允许船体受到任何损害，船舶下水前进行的计算肯定 了该船气囊下水的安全性。为了验证船体的安全状况， 由浙江工业大学之江学院对该 船在气囊下水过程中船舶底板和甲板的应力进行了测量。浙江工业大学之江学院承担 过浙江省科技厅社会发展重大科技项目《浙江省船舶气囊下水研究》课题， 对多艘万 吨级船舶进行了船舶气囊下水过程中船体的动态应变、应力测试和技术分析， 具有扎实的理论基础和丰富的实践经验。
二、计算要素
1、船舶与船台
舶 总 长 LOA 222.00m线间 长 LBP216.20m宽 B 32.26m
型 深 D 18.00m设 计 吃 水 T11.30m下水时自重量 W12200.00t重心纵向位置 LCG97.00m艉柱距船台末端14.16m船墩高度：0.85m船舶在 3 号船台上的位置如图 2 所示。
图 2 70,000 吨船台及下水坡道
2、船舶下滑力船舶在下水坡道上受力见图 3。下滑力与船舶的下水重量 Q、船舶倾角α（大型船舶下水时船舶倾角一般等于下 水坡道坡度）、气囊滚动阻力系数 μ （与坡道坡度、地面质材、气囊充气压力大小以及气囊摆放）等有关。在正和 3 号船台上，已经用气囊顺利下水了 33,000 吨和 57,000 吨船舶，积累了 技术数据和获得了下水经验， 在 70,000 吨船舶气囊下水的计算中， 我们适当采用了部分数据作为计算依据。如果不考虑移船，系船钢丝绳的拉力等于船舶下滑力：F= Q . g .sinc 一 μ .Q . g . cosc （ 1）
式中： Q— 船舶自重，该 70,000 吨散货船自重为 12,200 吨； α — 坡道坡度， 为 0.0136； μ— 气囊滚动阻力系数， 在该船台已经实现了 57,000 吨散货船， 33,000吨散货船的气囊下水，经验证 μ约为 0.006。
图 3 船舶在下水坡道上受力分析代入公式（1）计算得到：F =908 kN 。3、气囊内压和承载力要保证船舶安全下水，气囊能否承受所受到的压力无疑是最重要的要素。船舶整个下水过程中，在两个环节上需要气囊承载力作保证， 一是在起墩过程，二是在船舶脱开牵引后直至在水中全浮的过程，即船舶由船台进入水中的过程。由船舶起墩作业计算得出的气囊承载力总和应大于船舶下水重量， 同时为保证船 舶起墩时的稳定， 计算每只气囊承载力对船舶重心之矩的总和， 应小于船舶下水重量乘以两柱间长的 1% 。起墩时气囊数量按下式计算：N = K1 ………………… (2)式中： N— 气囊的数量； K1— 系数， K1 ≥1.2；Q— 船舶下水时的重量 （t）； g — 重力加速度 （m/s2）；Cb— 船舶方形系数； R— 每米气囊允许的承载力（kN/m）；Ld— 在船舶舯剖面处气囊囊体与船舶接触长度（m）。按公式（2）计算气囊需要数量，根据船舶有关参数排列气囊，进行起墩姿态气囊承载力计算，结果见附表 1。
计算表明，全部选取现有常规气囊，气囊总承载力达到要求，所有气囊按额定压力充气，能将船体抬升完成起墩任务，没有超载现象，所以起墩过程是安全的。船舶下水作业开始时， 船体的重量分布在全部气囊上。脱开牵引后， 船舶的下滑 力推动气囊向水边滚动， 带动船体向水边移动。随着滑程增大， 艏部的气囊滚出， 艉 部船体的一部分入水， 直至在水中全浮。在整个过程中， 气囊的压缩变形率、承载力和船体浮力、纵倾角等都在不断改变。一般情况下， 当艉部入水部分产生的浮力不足以抵消艏部滚出船体气囊的承载力 时， 船舶的纵倾角会发生变化， 船舶重心位置下面的气囊承载力会变大， 其最大承载 力在船舶重心位置移到船台末端时发生。这时船体重量由浮力和船舶前部的气囊支反力平衡。在船舶移动过程中，由于气囊轴线相对于地面的运动速度与船体相对于地面运动 速度是不同的， 因此需要通过计算找出船舶重心位置移到船台末端时， 处于船舶重心位置下面的气囊的编号，并求出该气囊的工作高度及承载力。船舶在下水过程中，当船舶重心到船台末端时，各只气囊内压与承压力变化见附表2。根据计算，船舶下水过程中，所有气囊的瞬时增值都在允许范围内。船台经过改 造，水中延伸部分增加了副坡道的长度，当船体入水阶段船舶重心到达船台末端时， 此时位于副坡道上的 7#—11#气囊承载力总和达到 1107.49t，能产生两个有利影响： 一是船舶重心位置下的气囊内压力得以降低； 二是有效减小艉弯力矩， 保障船体下水安全。4、水位及船体入水部分浮力船体入水时的受力情况见图 4 。
图 4 船体入水受力图
船舶下水时船台末端的水位高度直接影响到船体入水部分的浮力。根据船舶滑行 距离和倾角得出船体的尾吃水， 查船舶邦戎数据表， 求得船舶入水部分的体积， 再乘以水的密度，计算出浮力。浮力包括船体入水部分产生的浮力及已经进入水中但仍在船底的气囊产生的浮力两部分。船体入水部分产生的浮力，计算结果见附表 3。忽略水对船体的粘性阻力、气囊滚动阻力等的影响， 浮力加气囊支承力之和等于船舶重力，计算结果见附表 4
三、实船下水
1、方案（1） 气囊选择计算显示， 船舶在下水过程中， 当船舶重心到达船台末端时， 部分气囊有瞬时增 加值。从计算结果看， 编号为12号的气囊瞬时工作压力为0.29Mpa ,济南昌林气囊容 器厂有限公司提供的企业标准（见附表5 ）表明，型号为CL Ⅶ 的 气囊，在工作时随 着压缩变形率的增大，其允许内压也可以随之增加，当压缩变形率达70%时，允许的 最大内压为0.48 Mpa。因此，在该船下水操作时，编号为12号及其附近的气囊，我们选择昌林公司特制的CLⅦ 型 气囊进行布置。（2）气囊布置布置方案见图5 。
图 5 70000 吨下水气囊布置图
（3）卷扬机从气囊下水安全角度出发，船舶在起墩及入水的全过程都必须是可控的。因此，
牵引系统的设计应留有充分的安全储备， 换句话说， 一旦出现部分失效的状况， 整个牵引系统仍然能保证拉住船舶。3 号船台坡度为 1.36%，计算结果显示船舶下滑力为 908 kN，为增加安全系数，用三台卷扬机牵引。牵引系统包括卷扬机、钢丝绳、滑轮组及其附件，均满足牵引力要求。2、操作按照预定的下水操作方案实施。起墩时共使用93条气囊， 按照预定充气压力充气， 起墩过程平稳。为了保证船体入水过程的稳定性，船舶下水前调整了部分气囊的内压。12月3日上午9:15， 水位到达预定高度， 割断牵引钢丝绳， 2分钟后船舶平稳入水。
图 6 船舶入水情况
四、应力测量
应力测量原理是， 通过理论计算， 确定局部应力测量点， 布置应变片。船舶应力 变化时， 应变片的应变经过电桥转换接入应变仪进行放大， 再通过数模转换变成数字 信号后存入计算机。根据本船的情况， 确定本次测量点安排如下： 纵向以重心为中心，向前后分布，横向安排在靠近底边仓的板格中。
1、应变片布置应变片布置如图 7 所示。
2、测量结果该 70,000 吨散货船在气囊下水过程中比较平稳， 底板最大局部应力出现在 110 号肋位的外底板横向，为 224Mpa，甲板应力较小，最大为 80MPa。应力测量结果汇总见附表 6。典型的船底板应力曲线见图 8
图 8 船底板应力曲线图
五、结论
1、对该船从起墩到船舶入水全过程进行观察，现场均按照操作规程进行，船舶起墩顺利，入水平稳。2、应力测量结果表明，船舶在入水过程中的瞬时最大应力在船舶重心到达船台 末端附近时出现，此时船底板局部最大应力为224MPa， 甲板局部最大应力80MPa，均在船板许用应力范围内。3、该船舶在整个气囊下水过程中是安全的。
附表 1：起墩姿态气囊承载力计算表
气 囊 编 号
工作位置 肋骨号
工作长度 L m
距重心位置 G m
工作高度 H m
工作压力P Mpa
承载力 R t
力矩 Mt*m
117.02.49-85.700.850.037.77-665.77
220.53.15-82.830.850.039.83-814.04
324.03.75-79.960.850.0415.60-1247.35
427.54.83-77.090.850.0420.09-1548.92
531.06.46-74.220.850.0640.31-2991.77
634.58.69-71.350.850.0654.23-3868.90
738.011.00-68.480.850.0891.52-6267.12
841.513.40-65.610.850.08111.49-7314.53
945.015.80-62.740.850.13213.62-13401.88
1048.518.03-59.870.850.13243.77-14593.81
1152.020.15-57.000.850.13272.43-15527.91
1255.522.10-54.130.850.13298.79-16173.07
1359.023.78-51.260.850.13321.51-16479.80
1462.525.50-48.390.850.13344.76-16682.32
1566.025.50-45.520.850.13344.76-15692.85
1669.527.00-42.650.850.13365.04-15568.30
1773.027.00-39.780.850.13365.04-14520.63
1876.527.00-36.910.850.13365.04-13472.97
1980.027.00-34.040.850.13365.04-12425.30
2083.527.00-31.170.850.13365.04-11377.64
2187.027.00-28.300.850.13365.04-10329.97
2290.527.00-25.430.850.13365.04-9282.31
2394.027.00-22.560.850.13365.04-8234.65
2497.525.00-19.690.850.13338.00-6654.61
25101.025.00-16.820.850.13338.00-5684.55
26104.525.00-13.950.850.13338.00-4714.49
27108.025.00-11.080.850.13338.00-3744.43
28111.525.00-8.210.850.13338.00-2774.37
29115.025.00-5.340.850.13338.00-1804.31
30118.525.00-2.470.850.13338.00-834.25
31122.025.000.400.850.13338.00135.81
32126.018.503.680.850.13250.12920.89
33130.018.506.960.850.13250.121741.29
34134.018.5010.240.850.13250.122561.68
35138.018.5013.520.850.13250.123382.07
36142.018.5016.800.850.13250.124202.47
37146.018.5020.080.850.13250.125022.86
38150.018.5023.360.850.13250.125843.25
39154.018.5026.640.850.13250.126663.65
40158.018.5029.920.850.13250.127484.04
41162.018.5033.200.850.12230.887665.63
42166.018.5036.480.850.12230.888422.92
43170.018.5039.760.850.12230.889180.20
44174.018.5043.040.850.10192.408281.24
45178.018.5046.320.850.10192.408912.31
46182.018.5049.600.850.10192.409543.39
47186.018.5052.880.850.08153.928139.57
48190.018.5056.160.850.08153.928644.42
49194.018.5059.440.850.08153.929149.28
50198.018.5062.720.850.08153.929654.14
51202.018.5066.000.850.08153.9210159.00
52206.018.5069.280.850.08153.9210663.85
53210.018.5072.560.850.08153.9211168.71
54214.018.5075.840.850.08153.9211673.57
55218.018.5079.120.850.06115.449133.82
56222.018.5082.400.850.06115.449512.46
57226.018.5085.680.850.06115.449891.11
58230.018.5088.960.850.0596.208558.13
59234.018.5092.240.850.0596.208873.66
60238.018.5095.520.850.0596.209189.20
61242.018.5098.800.850.0476.967603.79
62246.018.50102.080.850.0476.967856.22
63250.018.50105.360.850.0476.968108.64
64254.018.50108.640.850.0476.968361.07
13709.821611.51
附表 2：船舶重心到船台末端时气囊承载力计算表
气囊编号工作位置 肋骨号工作长度 L m距重心位置 G m工作高度 H m工作压力 P MPa承载力 R t力矩 M t*m
7104.518.50-13.951.4830.062.79-38.97
8108.018.50-11.081.2770.0638.60-427.59
9111.518.50-8.211.0700.11134.45-1103.61
10115.025.50-5.340.8630.13332.42-1774.50
11118.525.50-2.470.6570.17599.23-1479.01
12122.025.500.400.4500.291228.49493.61
13126.025.503.680.4970.251022.113763.19
14130.025.506.960.5440.22862.216002.52
15134.025.5010.240.5920.20735.397531.68
16138.027.0013.520.6390.18669.999059.51
17142.027.0016.800.6860.17580.549754.16
18146.027.0020.080.7330.15505.7610156.62
19150.027.0023.360.7810.14442.3810334.83
20154.027.0026.640.8280.13387.9810336.58
21158.027.0029.920.8750.13340.7510195.86
22162.027.0033.200.9220.12299.299936.90
23166.027.0036.480.9700.11262.519576.94
24170.025.0039.761.0170.11212.568451.82
25174.025.0043.041.0640.11184.967961.17
26178.025.0046.321.1110.10159.767400.19
27182.025.0049.601.1580.10136.516771.17
28186.025.0052.881.2060.10114.876074.48
29190.025.0056.161.2530.1094.535308.75
30194.025.0059.441.3000.0975.224471.06
31198.025.0062.721.3470.0956.713556.98
32202.018.5066.001.3950.0928.711894.81
33202.018.5066.001.3950.0928.711894.81
34206.018.5069.281.4420.0915.751090.93
35210.018.5072.561.4890.092.94213.65
9556.11147408.51
附表 3：船体入水浮力计算表
X=109.06m垂线间长 Lp.p. :216.20mΔL ===10.81
ABCDEFGH
站 号距 Z 之长度OZ-A× ΔL .吃水B×tg 邦氏表读数面积系数面积D×E乘 数对舯之矩F×G
01123.140.000.50.00-10.00.00
1101.192.848.711.08.71-9.0-78.39
290.382.5320.231.020.23-8.0-161.84
379.572.2339.201.039.20-7.0-274.40
468.761.9346.331.046.33-6.0-277.98
557.951.6345.301.045.30-5.0-226.50
647.141.3239.211.039.21-4.0-156.84
736.331.0230.231.030.23-3.0-90.69
825.520.7220.151.020.15-2.0-40.30
914.710.4210.081.010.08-1.0-10.08
103.90.110.000.50.000.00.00
ΣF259.44
ΣH -1317.02
tg=0.028 OZ=97+ 2.1 - 0(1).(.)028(23 -)0.45 =112m浮力：ΣF× ΔL ×1.025 =2874.66t
附表 4 ：船舶重心到达船台末端时船舶受力综合计算表
承载力(t)对重心之矩(t·m)
气囊承载力总和9556.11147408.51附表 2
1#—6#气囊入水后浮力6×33=198-3801.60
船舶入水部分浮力2874.66-125852.61附表 3
总 计12628.7717754.30
附表 5：气囊性能参数表（济南昌林气囊容器厂有限公司企业标准）
气囊型号气囊直径 m额定工作压力 kPa单位长度承载力 kN/m压缩变形率达70%时 允许的最大内压kPa
CLⅦ
1.5
160
264
480
注：单位长度承载力是指压缩变形率达 70%、内压为额定工作压力 re值时每米长度气囊的承载力。
附表 6：应力测量结果汇总
底板纵向应力(MPa)底板横向应力(MPa)甲板纵向应力(MPa)
肋 位最大值肋 位最大值肋 位最大值最小值
5 号仓97-9598-86
100-96101-87
103-120104-164
106-114107-164
4 号仓109-173110-22410980-26
112-174113-20911226-30
115-180116-19011542-27
118-180119-18511838-30
121-190122-19612140-32
127-160125-16512327-20
130-173128-17413042-34
133-118134-144
136-165137-186
139-144140-176
142-130143-180
3 号仓145-103146-146
148-104149-164
151-130152-154
154-119155-119
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