氣囊在大型船臺進(jìn)行半船平移的應(yīng)用

孫 劍，付 剛

(1.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.南通象嶼海洋裝備有限責(zé)任公司,江蘇 南通 226368)

0 引言

船廠在船塢進(jìn)行船舶建造時，多采用一艘半船串聯(lián)建造法：在整船出塢時，半船同時起浮，利用卷揚(yáng)機(jī)牽引至整船位，船塢排水時進(jìn)行二次定位，實(shí)現(xiàn)半船的移動。本方案所在浙江某船臺長400 m(有效長度380 m)，所建造的64 000載重噸散貨船長199.9 m，船長僅為船臺長度的一半左右。因吊車能力有限，總組重量受限，總組所能提高的搭載效率微乎其微，如果將總組場地直接改為半船建造場地，該船臺的年產(chǎn)量將大幅提高。但要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需解決的關(guān)鍵問題就是在船臺上如何實(shí)現(xiàn)半船平移。

氣囊在20世紀(jì)80年代開始應(yīng)用于船舶下水，具有使用靈活方便、壓力均衡分布、對場地適應(yīng)性高、綜合經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)。氣囊能夠搬運(yùn)整船下水，因而在采取一定保障措施的前提下，也能夠進(jìn)行半船的搬運(yùn)[1-2]。與氣囊整船下水相比，整船為重力式下水，下水過程有加速度，而半船平移需平穩(wěn)，對移動精度要求高。本文以浙江某船臺上建造的64 000載重噸散貨船的半船平移實(shí)際工程為依托，詳細(xì)介紹高壓氣囊進(jìn)行半船平移的設(shè)計思路、工藝流程和施工過程中的關(guān)鍵技術(shù)，包括氣囊選型、參數(shù)確認(rèn)等，為高壓氣囊搬運(yùn)技術(shù)拓展了新的領(lǐng)域，也為其他類似工程提供了參考。

1 船臺及半船參數(shù)

1.1 船臺參數(shù)

船臺長400 m(吊車內(nèi)有效長度為380 m)，寬38 m。該平臺傾斜比率分三段：第一段閘口到120 m范圍為1.2∶100，第二段250 m范圍為0.424∶100，剩下一段無傾斜(0∶100)，具體如圖1如示。

圖1 船臺參數(shù)(單位：m)

1.2 所建造船舶主要參數(shù)

64 000載重噸散貨船長199.9 m，寬32.26 m；所需移動的半船長178.8 m，寬32.26 m，底部平面寬度28.46 m，自重38 658.354 kN。半船模型及橫剖面見圖2。

圖2 64 000載重噸散貨船半船模型及橫剖面(單位：m)

1.3 半船在船臺的布置及移動距離

在整船下水前，半船與整船布置見圖3。圖中：BG01為待下水的整船，BG02為整船下水后根據(jù)本方案需平移的半船。半船移動距離為205 m。

2 氣囊工作參數(shù)及選擇

2.1 氣囊的結(jié)構(gòu)形式

氣囊囊體骨架材料為錦綸簾子布，囊嘴為鋁合金鑄體。氣囊結(jié)構(gòu)見圖4[3]。

圖3 半船與整船布置(單位：m)

D—?dú)饽页跏贾睆剑籐e—囊體承載面長度；L—?dú)饽议L度

2.2 氣囊的規(guī)格及其性能

氣囊的類別有QP3、QP4、QP5、QG6、QG7等，對應(yīng)中壓氣囊、高壓氣囊、超高壓氣囊三類。目前常用的氣囊規(guī)格及性能見表1[3]。

表1 常用的氣囊規(guī)格及性能

2.3 氣囊工作原理

高壓氣囊搬運(yùn)重物的原理是在需要平移的重物底部放置若干個行走氣囊，氣囊充氣后將重物頂升托起，通過牽引設(shè)備拖拽重物，氣囊隨之滾動，從而實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)大型物件的目標(biāo)。在平移過程中，氣囊形狀與地面形狀、上部物件的底面形狀、底面尺寸、氣囊自身長度及布置方式等因素有關(guān)。一般情況下，當(dāng)物件底面與地面平行時，氣囊的橫截面呈扁圓形，氣囊承載面寬度B與氣囊初始直徑D和氣囊工作高度H有關(guān)。氣囊受壓變形后，其截面可看作由直徑為H的2個半圓和長、寬分別為B、H的方形組成，見圖5[4]。

2.4 氣囊初始直徑D

考慮到安全性和經(jīng)濟(jì)性，本方案選擇初始直徑D為1.5 m的高壓氣囊(QG6型)。

圖5 氣囊搬運(yùn)物件示意圖

2.5 氣囊工作高度H

氣囊工作高度過高及過低均不利于半船的搬運(yùn)。氣囊工作高度H的計算公式為：

H=D(1-Ψ)

(1)

式中：H為氣囊工作高度，m；Ψ為氣囊壓縮變形率。

船臺上半船墩木高度為0.8 m，這就要求氣囊工作高度必須大于0.8 m，且本項目牽引力受限，工作高度需相對取高。綜合考慮后，本方案選擇H為0.9 m，此時D為1.5 m，Ψ為40%。根據(jù)表1可知，此條件下QG6型氣囊承載力P為49 kN/m。

2.6 氣囊長度L

氣囊長度L可通過氣囊的初始直徑D和承載面長度Le計算得出，其中氣囊的承載面長度Le與半船的重量及外底板尺寸有關(guān)。氣囊長度L的計算公式為：

L=Le+2×0.886D

(2)

式中：L為氣囊長度，m；Le為氣囊承載面長度，m。

綜合成本及半船實(shí)際，本方案分三區(qū)域布置：機(jī)艙艉部因?qū)挾刃∮?0 m，布置單排20 m氣囊；貨艙艉部因負(fù)荷較為集中布置單排26 m氣囊；貨艙平底區(qū)域?qū)挾瘸^26 m，布置雙排20 m氣囊。由式(2)可知，初始直徑D為1.5 m的20、26 m氣囊承載面長度Le分別為17.402、23.402 m。

2.7 單根氣囊的承載力F

承載面積的計算公式為：

S=BLe=π(D-H)Le/2

(3)

單根氣囊的承載力計算公式為：

F=SP=π(D-H)LeP/2

(4)

式中：B為承載面寬度，m。

由式(4)可知，初始直徑1.5 m的20、26 m氣囊在H為0.9 m時承載力F分別為1 607、2 161 kN。

2.8 氣囊個數(shù)N

氣囊個數(shù)N的計算公式為：

(5)

式中：κ為安全系數(shù)，κ一般取1.3～1.5，為確保安全，κ取1.5；G為半船的重量，kN。

根據(jù)式(5)可得出，本方案至少需要20 m氣囊36只或26 m氣囊26只。

2.9 氣囊的布置

在實(shí)際施工過程中，氣囊間需要保持一定的距離。初始直徑D=1.5 m的氣囊，其中心距A、凈距Z需滿足：2.763 m≤A≤4.500 m，Z≥0.15 m。

根據(jù)前述計算結(jié)果，采用高壓氣囊平行布置于半船底部。三區(qū)域具體布置見圖6。

圖6 半船氣囊布置圖(單位：m)

2.10 氣囊受力校核

根據(jù)前述公式，當(dāng)H為0.9 m和1.05 m時的氣囊具體參數(shù)及承載力分別見表2、表3。

表2 H為0.9 m時氣囊具體參數(shù)及承載力

表3 H為1.05 m時氣囊具體參數(shù)及承載力

從表2、表3可知，當(dāng)工作高度為0.9 m時，此時49只氣囊總承載力為82 636 kN，安全系數(shù)為總承載力/半船自重=2.13>1.5；當(dāng)工作高度為1.05 m時，此時49只氣囊總承載力為39 210 kN，安全系數(shù)為總承載力/半船自重=1.01<1.5。考慮到艏艉各有幾只氣囊承載面長度超出半船，這個布置還是比較適中的。實(shí)際平移過程中，氣囊的變形率ψ的范圍為30%≤ψ≤40%。

3 牽引系統(tǒng)

3.1 正拉牽引力T

正拉牽引力T計算簡圖見圖7。

正拉牽引力T計算公式為：

T=κ2(fGcosα-Gsinα)

(6)

式中：κ2為安全系數(shù)，κ2一般取1.2～1.3；f為氣囊與地面的滾動摩擦系數(shù)，與地面平面度及氣囊的壓縮率ψ有關(guān)，一般摩擦系數(shù)f取0.01～0.05，30%≤ψ≤40%情況下摩擦系數(shù)f取0.025；α為船臺斜傾角度，主要牽引區(qū)250 m范圍斜度為0.424∶100，此時α為0.243°。

圖7 正拉牽引力計算簡圖

安全系數(shù)κ2取1.3時，根據(jù)式(6)可得出正拉牽引力T為1 044 kN。

3.2 牽引系統(tǒng)布置

牽引系統(tǒng)包括正拉牽引以及防溜尾牽引。為滿足總平移牽引力1 044 kN要求，選用2臺400 kN卷揚(yáng)機(jī)配2倍滑輪組在半船艉部做正拉牽引，此時總正向牽引力為1 600 kN；同時艏部布置2臺400 kN卷揚(yáng)機(jī)做防溜尾牽引，單臺受力均在400 kN以內(nèi)。半船牽引系統(tǒng)具體布置見圖8[5]。

圖8 半船牽引系統(tǒng)布置圖

4 工藝流程

4.1 前期準(zhǔn)備

(1)對半船的外板區(qū)域進(jìn)行檢查，去除任何可能對氣囊造成損傷的尖銳物及油污。

(2)對船臺的半船現(xiàn)有位置及到達(dá)目的地之間的整個移動區(qū)域進(jìn)行全面清理。清除地面上的所有垃圾以及油污。

(3)根據(jù)半船目的地位置及塢墩布置圖，將塢墩位置劃方框線，以確保在半船到位時能夠快速地將塢墩放置到位。

(4)在船臺兩側(cè)，根據(jù)船舶的位置，在船臺地面上劃出船舶中心線的平行線，同時將船舶目的地位置劃出肋檢線，確保半船移動到指定位置。

(5)船舶上的吊碼通過鋼絲繩將滑輪組與牽引裝置有效連接，并確認(rèn)張緊，見圖8。

(6)根據(jù)氣囊布置圖，將氣囊放置到位，并確保與船體中心線垂直。

4.2 半船頂升

(1)對氣囊進(jìn)行充氣。第一次充氣約70 kPa，順序從艉向艏；檢查氣囊是否完好。

(2)繼續(xù)對氣囊進(jìn)行充氣，同時檢查氣囊壓力，確保鄰近氣囊的壓力差不超過10 kPa。同樣采用從艉向艏的順序。

(3)通過氣囊壓力的不斷上升，船舶緩慢的被平行抬起，待整個半船完全脫離塢墩。

4.3 牽引準(zhǔn)備

(1)將半船下塢墩逐步撤離。為確保安全，塢墩撤離按照先撤龍骨墩再撤邊墩順序。由內(nèi)而外，依次撤出。

(2)塢墩完全撤離后，重新對船臺地面和半船外板進(jìn)行檢查，確保無尖銳物及油污。

(3)4臺全站儀根據(jù)船臺兩側(cè)劃出的船臺中心線的平行線位置，調(diào)整好水平，記錄半船的橫向位置數(shù)據(jù)。

4.4 半船平移

(1)所有準(zhǔn)備工作完成后，由專人指揮4臺牽引裝置的操作人員，對半船開始牽引。

(2)艉部的2套牽引裝置對船舶施加拉力，在鋼絲繩張緊后停止。

(3)艏部牽引裝置緩慢向外送繩，觀察船舶是否移動。如果船舶未移動，艉部的牽引裝置適當(dāng)加力，直到船舶開始移動。

(4)在艏部牽引裝置的鋼絲繩逐步張緊過程中，牽引裝置適當(dāng)?shù)叵蛲馑屠K。鋼絲繩在船舶緩慢移動過程中始終保持適度張緊，以控制船舶移動的速度，見圖9。

圖9 64 000載重噸散貨船半船移動示意圖

(5)在整個過程中，4臺全站儀觀察船舶左右位置的移動。如果出現(xiàn)向一側(cè)移動超過20 mm，必須通過調(diào)節(jié)4臺牽引裝置的力度來控制船舶的橫向位移，并及時糾偏。

(6)根據(jù)預(yù)先劃好的肋檢線，檢查半船是否到達(dá)指定位置。如果到達(dá)指定位置，同時半船左右位置偏差不超過50 mm，停止移動。

4.5 半船坐墩

(1)根據(jù)塢墩布置圖與地面劃好的墩位標(biāo)記，將所有塢墩安裝到位，并利用激光經(jīng)緯儀檢測每個塢墩的水平度，確保每個塢墩處于設(shè)計要求的高度。

(2)開始對氣囊進(jìn)行放氣，按照從船艏向船艉的順序，但是盡量在同一時間打開放氣閥門。

(3)半船全部重量由塢墩承載后，利用全站儀和激光經(jīng)緯儀檢驗船舶的水平度和船體縱向昂勢是否符合設(shè)計要求。

(4)如果需要調(diào)整，則利用單個氣囊或液壓千斤頂進(jìn)行局部調(diào)整，各個參數(shù)必須滿足公差要求。

(5)調(diào)整到位后，每個塢墩進(jìn)行撞緊，確保塢墩均勻受力。

(6)撤出所有氣囊及其他工裝設(shè)備，移船結(jié)束。

5 結(jié)論

本項目首次在大型船臺將氣囊平移技術(shù)成功地應(yīng)用到半船平移中，對目前的氣囊平移技術(shù)進(jìn)行了拓展應(yīng)用。本文以實(shí)際工程為研究對象，對氣囊平移半船的設(shè)計、計算及施工關(guān)鍵工藝進(jìn)行了研究分析，得出如下結(jié)論：

(1)在大型船臺采用氣囊進(jìn)行半船平移技術(shù)是一次開創(chuàng)性的突破，是一項技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的工程技術(shù)，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益及社會效益。

(2)氣囊平移設(shè)備投入簡單，可到專業(yè)生產(chǎn)廠家訂購，并可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行訂制。氣囊可以修補(bǔ)，使用壽命長，能耗較低，操作簡便，安全可靠。

(3)此技術(shù)解決了非重力式下水船臺的船廠船臺利用不足的問題，提高利用率的同時提高了船廠的生產(chǎn)效率，同時可推廣應(yīng)用至其他大型結(jié)構(gòu)物的搬運(yùn)。