氣囊下水的安全性研究

吳劍國,孫 燕,馬 劍,方新康

(浙江工業(yè)大學 船舶與海洋工程研究所,杭州 310014)

1 引言

對于船舶氣囊下水這一新工藝,尤其應(yīng)用在萬噸級以上大型船舶下水時,其安全性是業(yè)內(nèi)人士十分關(guān)注的問題。下水事故會造成巨大的經(jīng)濟損失,貽誤交船。只有在精心設(shè)計、精心計算的基礎(chǔ)上,精心施工、精心作業(yè)、一絲不茍,才能確保船舶安全可靠下水。

氣囊下水的事故包括三個方面,氣囊爆裂引起下水事故;下水過程中船體結(jié)構(gòu)損傷;下水船舶對環(huán)境或周邊環(huán)境對下水船舶構(gòu)成的損傷。

2 氣囊的安全性

船舶氣囊下水發(fā)生的事故中,因下水時氣囊發(fā)生爆裂造成的下水事故占較大比例,尤其在以前采用前幾代老式氣囊時期。下水過程中,氣囊在船底下的運動很復雜,不是簡單的滾動。氣囊在船底下被壓扁,它的運動受到船底和地面的雙重制約。氣囊在長度方向恢復平衡狀態(tài)的速度并不一致,氣囊受到扭轉(zhuǎn)變形,這種既受到擠壓又受到扭轉(zhuǎn)的復合變形現(xiàn)象可用揉壓運動來描述。好似人們搓面團那樣又擠又壓,再加上向前不均衡運動,這就構(gòu)成了揉壓運動。當氣囊產(chǎn)生揉壓運動時,氣囊的局部囊壁會產(chǎn)生皺褶,在皺褶處,由于應(yīng)力集中,囊壁中的多層纖維極易產(chǎn)生分層,導致增強纖維折斷或撕裂,甚至整個氣囊爆裂。氣囊的安全仍然是下水安全的關(guān)鍵因素,必須正確、科學地運用才能充分發(fā)揮氣囊的工作潛力,提高下水安全性。

2.1 調(diào)整氣囊初始壓力P0提高氣囊工作安全性

氣囊的初始壓力P0對氣囊的承載狀態(tài)、安全系數(shù)有重大影響。本研究進行了5艘2萬噸級船舶的氣囊下水測試。結(jié)果表明,工作壓力大于200 MPa的氣囊對應(yīng)的初始壓力如表1所示。

表1 3艘氣囊工作主要參數(shù)

P1S、HS為氣囊在船舶下水前靜態(tài)時的內(nèi)壓和工作高度;P1M、Hmin為氣囊在下水過程中的最大內(nèi)壓和最低工作高度。

統(tǒng)計可見,這些氣囊在下水前的H值都在1 m以上,P0大多超過60 kPa,而在承載最大區(qū)域氣囊的最低工作高度 Hmin均有0.5 m左右,因而,有進一步放氣降壓和降低工作高度的可能和需要。將P0調(diào)整到適當?shù)偷乃绞菍嶋H可行的,是提高氣囊安全性的有效措施。

2.2 科學排布氣囊,改善氣囊承載

表2與圖1是幾艘2萬噸級船舶下水氣囊的實際排布情況匯總。

表2 氣囊排布基本要素

圖1 實船5下水氣囊排布圖

船舶沿船長方向的重量分布是不均勻的,目前我省建造的散貨船、油船、集裝箱船等大型船舶基本上都是艉機型的,重心位于舯部偏后,在下水狀態(tài)船艉部分重量比較大,在實際操作時,氣囊排布密度也應(yīng)有疏有密,大致對應(yīng)船舶重量的分布。

滾動氣囊之間的中心距應(yīng)保證船舶結(jié)構(gòu)強度,同時還應(yīng)防止?jié)L動氣囊之間壓疊在一起。對氣囊平均間距,一般可用公式(1)和(2)來校核其間距。

式中 L——船底能擺放氣囊的實際長度,m;

N——滾動氣囊的數(shù)量(不含接續(xù)氣囊數(shù)量),只 ;

D ——滾動氣囊囊體公稱直徑,m。

3 船舶結(jié)構(gòu)的安全性

與縱向滑道下水相似,氣囊下水時也會有引發(fā)船體結(jié)構(gòu)損傷現(xiàn)象,需要防止或緩解。因此,對萬噸級以上的大型船舶必須進行下水計算,課題組已編制了船舶氣囊下水計算軟件,可以方便、快捷地完成下水前的工藝設(shè)計中要求進行的各項計算,判斷在給定條件、環(huán)境時會否發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷。

本研究的氣囊下水計算程序是分別按船舶下水的靜水力學、水動力學原理,采用VC++編寫而成。該方法將船體視為剛體,將氣囊作為非線性彈簧,建立力學平衡方程,通過求解方程獲得船舶姿態(tài),然后根據(jù)氣囊高度計算出氣囊對船體的支持力,并換算為均布力將其作用于船底板格,按剛性板理論,用式(3)計算船底板的應(yīng)力。詳細的計算方法參見文獻1和課題組的相關(guān)論文。

縱骨邊橫向應(yīng)力近似公式

其中 P——氣囊作用在相應(yīng)肋位的荷載,kN;

L——氣囊長度,m;

l——肋板間距,mm;

s——縱骨間距,mm;

t——船底板厚,mm。

計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比(見表3),表明氣囊壓力最大的值發(fā)生在氣囊高度最低時,與實際情況符合,且計算的氣囊壓力最大值略大于實測結(jié)果,表明氣囊計算程序有少量安全儲備。由于靜水力計算沒有考慮慣性力的作用,所以在船體重心越過船臺端點時,轉(zhuǎn)動慣性力很大,靜水力計算不能很好地描述船體的此處姿態(tài),但可以找出氣囊下水時比較危險的部位。

應(yīng)用船舶氣囊下水水動力計算程序,對5艘2萬噸級船舶進行了氣囊下水過程中的船體受力計算,并將此載荷作用到有限元模型(圖2)上進行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析,獲得船舶氣囊下水過程中船體應(yīng)力分布。將靜水力和水動力學分析中獲得的板格應(yīng)力(公式(3))與有限元計算結(jié)果進行比較,見表4。

表4 有限元結(jié)果與近似計算結(jié)果對比

圖2 有限元模型示意圖

結(jié)果表明,有限元計算的結(jié)果與近似公式的結(jié)果比較接近,誤差在20%之內(nèi),其中用水動力學計算出的載荷,算出的應(yīng)力更接近于有限元的結(jié)果,誤差在15%之內(nèi)。因此,在實際工程使用近似公式是可行的,用水動力學計算船底載荷效果更好。

4 狹窄水域下水的安全性

一般在狹窄航道內(nèi)進行船舶氣囊下水時要采取制動、阻尼措施。比較常用的是拋錨制動工藝措施。氣囊下水時,因為隨船下水有不少氣囊飄浮水面,對艏錨的拋放影響更大,采用拋船舯兩舷側(cè)錨的是一種更可行的方法。在狹窄水面下水制動阻尼工藝絕對不可等閑處置。

船舶下水后還會隨潮流產(chǎn)生飄移運動。這一點對在狹窄的航道中進行船舶下水就更為重要。應(yīng)采取必要的措施,否則就經(jīng)常會發(fā)生碰撞事故。為減少船舶橫向偏轉(zhuǎn)水動力的作用,要求在低水流速度的條件下下水。在漲潮水域,以漲滿潮時段為宜。半塢式船臺,如果船臺寬度比較船寬裕度不大,為避免船舶與船臺相撞,就希望船舶能有一定距離的水中沖程,不要過早轉(zhuǎn)向,但是為了避免在狹窄水域沖撞對岸,又希望水中沖程要短、轉(zhuǎn)向要早,這就需要在工藝設(shè)計時有周到、精心的安排。

5 氣囊下水的安全標準

氣囊下水的安全性與眾多因素有關(guān),通過大量的理論和實驗研究,確定了寬闊水域的氣囊下水安全標準。

(1)萬噸級船臺氣囊下水應(yīng)經(jīng)過理論計算,操作應(yīng)按萬噸級船臺氣囊下水工藝規(guī)程(草案);

(2)氣囊的最小間距一般不宜小于公式(2)要求的值;

(3)氣囊被壓縮后的最低高度不得小于25 mm;

(4)氣囊的瞬時最大壓力不得超過氣囊極限承載力的一半;

(5)可采用公式(3)近似計算船底板應(yīng)力,瞬時最大應(yīng)力不得超過船底板屈服極限的1.2倍。

對照此安全標準,綜合本項目實測的5艘萬噸級船舶的氣囊水下計算結(jié)果,認為該5艘船的氣囊下水是安全的。

6 結(jié)束語

以5艘2萬噸級的散貨船氣囊下水的測試和計算為基礎(chǔ),針對氣囊下水過程中可能發(fā)生的氣囊爆裂引起下水事故,下水過程中船體結(jié)構(gòu)損傷,下水船舶對環(huán)境或周邊環(huán)境對下水船舶構(gòu)成的損傷,分別進行了安全性研究,提出了船舶氣囊下水安全性標準。

1 盛振邦,楊尚榮,陳雪深.船舶靜力學.北京:國防工業(yè)出版社,1984.

2 蔣維清.船舶原理.北京:人民交通出版社,1979.

3 李培勇.縱向滑道船舶下水計算研究.武漢交通科技大學學報,1994,(3):354