氣囊船臺設計要點及應注意的問題

劉祥玉 ，韓時琳

（1.長沙理工大學水利工程學院，湖南 長沙 410114；2.中交天津港灣工程設計院有限公司，天津 300457）

2003年以來，世界造船業進入高峰時期。我國造船業的快速發展，也促進了造船新工藝及下水新工藝的應用與推廣。船舶利用氣囊下水是一項值得推廣的新工藝，成為目前頗具靈活性的柔性下水技術，具有投資少、見效快、施工簡單、安全可靠、下水操作簡單等特點。初期船舶采用氣囊下水工藝僅能適應于小型船舶，如今最大船型已達5 萬 t。

中國神飛集團榮成船舶制造基地船廠一期設計1.5萬、2.5萬、3.5萬噸級氣囊下水式船臺各1座，現均已投產使用。

1 工程概述

榮成市神飛船舶制造基地位于山東榮成市石島灣，是一個具有現代造船設施、具備先進造船技術的船舶制造基地?；匕秆b碼頭長660 m（二期擴建950 m），3座氣囊式下水船臺（1.5萬～3.5萬噸級），1座5萬噸級滑板船臺滑道，1座10萬噸級干船塢及廠房、車間、總組及舾裝場等陸域設施。3座氣囊船臺位于船廠現有陸域的南部，面向石島灣，西側為舾裝碼頭區，東側為5萬噸級滑板船臺滑道。3座氣囊船臺自2008年正式投產以來已陸續完成10多條船舶生產任務，目前無明顯沉降，使用狀況良好。

2 設計資料

2.1 設計水位

高程系以石島當地理論深度基準面起算（位于1985國家高程系以下169 cm）。設計特征值如下。

極端高水位：381 cm

設計高水位：281 cm

設計低水位：41 cm

極端低水位：-83 cm

當地平均海平面：172 cm

船舶下水水位：230 cm

下水水位持續時間：2 h

2.2 工程地質

工程區勘察深度范圍鉆至中風化，根據該區標準地層劃分為5個主層，8個亞層（見圖1），其中：

圖1 地質剖面圖

第①1層為塊石；第②層為淤泥質粉質黏土，第②1層為黏質粉土，第②2層為粉砂，第②3層為淤泥質粉質黏土，第②4層為砂質粉土；第③層為粉質黏土，第③2層為中砂，第⑤層為中粗砂，第⑤1層為粗礫砂；第⑦層為強風化片麻狀含黑云二長花崗巖；第⑧層為中風化片麻狀含黑云二長花崗巖。

2.3 設計船型

設計船型主尺度詳見表1。

表1 三種船型設計主尺度

3 船臺設計

3.1 總平面布置

3座氣囊下水船臺平面布置詳見圖2。

1.5萬、2.5萬、3.5萬噸級氣囊下水式船臺縱向水平總長度分別為196 m、228 m、252 m，其中船臺區長度為160 m、192 m、216 m，縱向坡度為1∶80；3個船臺的變坡區長度均為36 m，又分為2個變坡段，中間有1個圓弧連接段，變坡段水平長度分別為21 m、2.036 m、12.964 m，縱向坡度分別為1∶35、1∶15。3個船臺分別設100 t（軌距29 m），130 t（軌距33 m），150 t（軌距46 m）3種門機。

船臺末端停泊水域長480 m、寬290 m，底標高為-6.7 m。西側與舾裝碼頭航道之間的連接水域底標高為-5.2 m。

船臺控制點里程及頂標高詳見表2。

表2 船臺控制點里程

3.2 船臺工藝荷載

3.2.1 支墩荷載

根據相關規范，本設計對于15000 DWT、25000 DWT船舶，支墩沿平行于縱軸線方向橫向布設5排，中墩1排，邊墩4排，縱向墩間距3 m；對于35000 DWT船舶，支墩沿平行于縱軸線方向橫向布設7排，中墩1排，邊墩6排，縱向墩間距3.5 m。設計支墩荷載見表3所示。

3.2.2 流動荷載

1）25 t平板掛車。

2）龍門式起重機荷載：100 t、130 t、150 t龍門式起重機。具體荷載參數由設備生產廠家提供。

3.2.3 出運氣囊荷載

表3 設計支墩尺寸與荷載

出運氣囊采用超高壓氣囊，氣囊縱向間距同龍骨墩間距為3 m（3.5 m），船臺每米氣囊體最大設計受力荷載如下，

平移階段：200 kN/m；下水階段：510 kN/m。

船體下水由專業氣囊出運公司負責，因此針對不同的船型，氣囊出運公司設計出相應的出運下水工藝和每根氣囊的長度。

3.3 船臺結構

船臺橫斷面參見圖3。

船臺地基采用拋石換填處理。陸上船臺區對已回填開山石（土）基礎進行強夯處理。強夯單擊夯擊能參數取4000～8000 kJ，施工中強夯最后兩擊的平均夯沉量的控制值為：軌道梁底不大于10 cm，其余區域不大于15 cm，地基承載力不小于300 kPa，強夯后補料滿夯單擊夯擊能為1000 kJ?；A滿夯后拋填碎石、二片石墊層，并采用18 t震動壓路機碾壓密實。

船臺陸上段底板為現澆鋼筋混凝土面板結構；水下段底板采用預制安裝鋼筋混凝土面板結構，基床要求做到極細平，高程允許偏差±20 mm；船臺末端為方塊直立岸壁。

4 氣囊下水工藝設計

1）氣囊船臺利用滾動氣囊移動船舶。氣囊與混凝土船臺面摩擦系數通常為0.01，氣囊船臺的下水臨界坡度為1∶100，當坡度為1∶80時船體能自動下滑，順利入水。

氣囊船臺支墩高度由于氣囊要求，一般控制最大高度為0.8 m，這是氣囊下水的特點。根據船型大小，設計選用高壓氣囊或超高壓氣囊，氣囊直徑一般為φ1.2～3.0 m。對于3.5萬噸級船體下水，采用兩種組合規格：φ1.2 m，工作壓力0.25 MPa，試驗壓力0.325 MPa，工作高度最大可壓縮為氣囊直徑的30%；φ1.8 m，工作壓力0.167 MPa，試驗壓力0.217 MPa，工作高度最大可壓縮為氣囊直徑的30%。

在船舶下水前采用鋼絲繩倒拉固定，其中1號船臺于首部設2個500 kN地牛；2號船臺于首部設2個500 kN地牛；3號船臺于首部設2個750 kN地牛。下水時，切斷鋼絲繩，船體將緩慢自由下水。

2）將氣囊按設計間距及位置從船艉到船艏依次進行布置。船艏段呈尖狀，如布置氣囊則接觸面積太小，其受力分配傳遞面積小。同時鑒于船艏段初始受力小，并作為初始狀態控制導向，船艏端約（1/5）LP段不布置氣囊，船體仍擱置在支墩上。

3）將船舶與船臺頂端的卷揚機通過滑輪組進行有效的連接并予以拉緊。

4）按操作工藝程序分別對氣囊進行充氣，一次充氣壓力不宜過高，充氣操作應按照從艉至艏的順序進行；分別充氣并隨時檢查氣囊壓力，有針對性的充氣和調整氣囊的壓力及工作高度，以至將氣囊上船體完全抬起；待船底高于支墩50 mm左右時進行首次撤墩操作。

5）撤墩前應對氣囊的壓力、工作高度進行檢查，待檢查確認氣囊布置及工作壓力、高度等各項指標均符合要求，且確認安全無誤時方可進行撤墩。撤墩應按照先撤中墩，再撤邊墩，由里而外的順序進行，首先撤除最末端氣囊至船艉的所有中墩與邊墩。撤墩結束后應對場地進行清理，清除障礙物及所有雜物，以免影響氣囊滾動或扎傷氣囊（參見圖4）。

圖4 撤墩后船體坐落在氣囊上

6）吊走擋水閘門并用沙袋填平擋水閘門門槽。

7）調整氣囊壓力，要求船艉部分氣囊壓力控制在設計壓力，使船艏無氣囊部分仍坐于船臺墩上。

8）當達到設計下水水位時，切斷鋼絲繩，船體靠重力自由滑入水中（見圖5），然后由拖輪拖至舾裝碼頭靠泊。

圖5 船體靠重力自由滑入水中二

5 氣囊下水船臺主要特點

5.1 下水方式

氣囊下水船臺與傳統滑道下水方式不同，前者為隨著船體的縱移，當重心位于船臺線以外時產生小幅度艉跌落方式入水，即依靠自重下水；后者為逐漸艉浮平緩入水方式。氣囊船臺末端標高比傳統滑道末端標高高，因此船臺縱向長度短，建設周期短，投產快，工程造價低。

5.2 船臺功能及下水船舶噸級

氣囊下水船臺一般是用于造船，不用于修船，目前最大可以滿足5萬噸級船舶下水。

5.3 船臺長度及坡度設計

需結合氣囊規格及壓力，針對不同船型進行過程分析，計算氣囊滾動距離、壓縮高度、船臺不同受力段，確定船臺坡度及不同變坡段長度。船臺區縱向坡度一般為1∶60～1∶80，不能緩于 1∶100。

氣囊下水船臺為變坡度設計，使船艉盡快產生較大浮力。但坡度不宜變化太大，否則造成船艏脫離氣囊段太長，影響船體剛度，同時船艉氣囊易爆裂。船臺變坡度區長度也不易過長，如果太長，隨著船體與氣囊的同步縱移，船艏因缺乏氣囊擱淺船臺；如果太短船艉過早跌落，易發生艉跌現象。變坡度區長度宜控制在40 m以內，一般船型越小長度越短，最小控制長度為25 m。

5.4 氣囊下水關鍵點

氣囊下水的關鍵是控制標高。船艉垂線對應底板頂標高宜取為設計下水水位（當船臺尾部設有擋水門時）。

5.5 氣囊下水時間

從切斷船艏鋼絲繩至船體離開船臺平穩入水所需時間與船臺坡度和船舶在船臺上的初始位置有關。如坡度設計合理且船舶距水面初始距離較短時，整個過程一般不超過3 min。

5.6 氣囊的浮托作用

在船體下水過程中，將有大量氣囊滾落入水，聚集在船臺前沿水域，對船艏產生很大的浮托作用，便于船體平穩入水。

5.7 不同氣囊船臺的比較

不同氣囊船臺的比較見表4。

表4 常規氣囊船臺與半塢式氣囊船臺比較

6 氣囊下水應注意的問題

通過船舶采用氣囊下水工藝的若干實例，總結以下幾點，供使用者參考。

1）船臺如無正規設計，土法施工上馬，船臺本身存在重大質量缺陷，船舶下水也存在著很大風險。

2）氣囊沿船寬擱置長度不夠，一旦船體縱移偏離軸線，造成船體懸空，嚴重偏離方向，氣囊爆裂，船體失控。

3）擱置氣囊不垂直于船臺縱軸線，船體下滑過程中，造成氣囊扭曲疊合不能滾動，船體不能正?？v移。

4）船臺坡度過渡不合理，船體縱移過程中，船艏嚴重脫離氣囊，造成重心失穩或產生船體變形。

5）下水段過短，艉跌落太快，重心失穩，船艉插入泥中。

6）下水段太長，船體運移過程中，船艏及船舯段無氣囊支撐，因重心失穩，船艏擱置在船臺上。

7）船臺面清掃雜物不干凈，存在尖銳器物，或局部高差大于5 cm，容易造成氣囊爆裂。一旦部分氣囊爆裂，其余氣囊因承載力不夠，造成連環爆裂，船體擱置船臺。

[1]GB/T 3837-1998，船舶用氣囊上排、下水工藝要求[S].

[2]GB/T 3795-1996，船舶上排、下水用氣囊[S].

[3]CB/T 8502-2005，縱向傾斜船臺及滑道設計規范[S].