中国无牵引万吨级船舶气囊下水技术展望

    一、气囊下水技术的发展

    从1981年初山东省小清河船厂成功地用承压气囊将一艘驳船送下水到现在，船舶气囊下水技术的发展走的是一条不断探索不断前进的道路。

    20世纪80年代，这种简易、经济、能适合不同船舶建造模式的下水方式，受到了中、小型船厂的广泛欢迎，船舶气囊下水技术在全国一些内河船厂得到推广，数以万计的船舶使用气囊安全下水。但由于技术还处于发展初期，再加上受到气囊结构和承载力的制约，当时这项技术始终只是徘徊在自重500吨以下的小型船舶上使用，而且也发生过一些船舶气囊下水失败的情况而受到人们的质疑。
 

    1993年，国内气囊厂研制成功了新一代环绕贴敷整体成型的高强度锦纶橡胶气囊，新的材料、结构和制作工艺大大提高了气囊的承载能力，气囊下水技术焕发出新的活力。1994年9月，浙江舟山船厂运用新型气囊下水了一艘长69.8米，宽14.8米的车客渡船，下水重量达到了900吨，《中国船舶报》以“我国船舶气囊下水有新突破”为标题作了详细报道，这次成功的船舶气囊下水，被评为船舶行业当年的十大科技成就之一。20世纪90年代，每年都有数以千计的各类船舶利用气囊下水。

    1998年到2001年，经过三年多的探索，国内气囊厂研制出具有高科技含量的新一代气囊——“高承载力多层揉压气囊”投放市场。高承载力气囊相比于1993年研制成功的原型气囊，其承载能力提高了2倍，大大扩展了气囊的应用范围和安全保障性能。在新产品投放市场后的时间里，有数以千计的万吨级船舶采用新品气囊安全下水，创造出一系列新的记录。

    2007年，船舶行业标准CB/T 3000-2007《船舶生产企业生产条件基本要求及评价方法》发布实施，在船舶生产企业的许可证发放与认证工作中，将气囊下水作为一种认可的船舶下水方法列入其中，这对船舶气囊下水技术的发展带来了良好的契机。
 

    2007年7月，载重45,000吨的“国裕海驳１号”，在江苏扬州国裕船舶有限公司气囊下水专用坡道上顺利下水，该驳下水重量达到9,000吨。2008年8月，载重55,000吨的巴拿马型散货船“VICTORIA I”号在浙江三门健跳船厂成功下水，该船下水时重量接近12,000吨，是当时世界上用气囊下水的最大船舶。它的成功下水，标志着气囊下水重量突破了万吨大关。

12月，江苏国裕船舶有限公司57,000吨散货船GY409也采用气囊顺利下水。
12月底，在江苏省泰州市长江水域，沪鑫船舶制造有限公司为招商局重工（深圳）有限公司建造的一艘25,000吨半潜驳使用气囊顺利下水，该船总长140米，型宽56米，下水重量超过12,000吨，创造了船舶下水重量的新纪录。

在长江低水位季节能成功地创造船舶气囊下水重量的新纪录，说明这项由我国自主发明的创新技术又在发展道路上迈出了新的一步。

2009年10月，辽宁船舶工业园有限责任公司建造的57,000吨散货船，也采用气囊顺利下水。12月，国内自行设计、建造的首艘大吨位自航式半潜船“希望之路”号采用气囊下水技术，在天津滨海新区顺利下水。这艘由天津中交博迈科海洋船舶重工有限公司为中交国际航运有限公司建造的半潜船总长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。该船的成功下水，再次刷新了气囊下水的纪录。
 

    船舶采用气囊下水，从几十吨的平底船起步，逐步向大型、复杂船型、高附加值船型发展，走过了一段成功发展的道路。
 

    实践证明，随着高承载力气囊的应用、新型的气囊下水专用船台和下水坡道的设计成功以及严格执行气囊下水操作规程，采取相关的安全保障措施，5万吨级船舶采用气囊下水是完全可行的。
 

    二、相关知识产权

       在全球性的贸易过程中，技术标准和知识产权的国际惯例已经成为世界促进技术发展的有利工具和手段，船舶气囊下水这项领先于世界水平的技术研究和实船下水的辉煌业绩，特别是我国有关气囊标准的发布实施，引起了国外同行的认同，越南、印度尼西亚、土耳其、伊朗、泰国等国纷纷从我国引进气囊下水技术来推动本国造船业的发展，我国的船舶气囊下水技术正大步走向世界。
 

    2005年8月间，“卡特里娜”飓风登陆美国西海岸，2,000多艘船只在美国海湾沿岸搁浅失事，美国TITAN海事救捞公司了解到我国船舶气囊在抬船、移船和修理船舶方面的卓越功能，手持CB/T3795-1996《船舶上排、下水用气囊》标准，专程来我厂考察和购买一批气囊，空运美国，在抢险救灾中发挥了巨大作用。该公司在使用报告中称：“这些气囊已经证明对我们在清理美国水道‘卡特里娜’飓风恶果方面所取得的成果有无法估量的贡献。”
 

   
    标准化的重要意义是改进产品、过程和服务的适用性，促进技术进步。近期，我们又按照动态标准化的理念，以当前最高技术水平与管理水平为基准，正进行第二轮《船舶上排、下水用气囊》和《船舶用气囊上排、下水工艺要求》的标准修订工作，并已经着手《船舶下水用气囊》的国际标准申请工作，力争我国的船舶下水气囊标准在更高层面的平台上发布实施。
 

    三、近年来的研究成果

    20世纪80年代，在船舶气囊下水技术创立初期，小清河船厂、山东大学、长江航运科学研究所等单位联合对船舶采用气囊下水工艺进行过一些理论研究，但当时气囊结构比较简单，船舶采用气囊下水的吨位较小，研究的理论层次相对还比较低。
 

    随着船舶采用气囊下水向更高要求发展的同时，气囊结构越来越复杂，采用气囊下水的船舶吨位也越来越大，对这项技术的理论研究显得十分重要。
 

  在某些领域，理论研究已经取得了阶段性成果。

    ——下水过程中气囊刚度变化

    在船舶气囊下水过程中，把气囊模拟为弹簧元，刚度是载荷与变形的比，则气囊的刚度是非线性的。

    山东大学力学工程测试中心提供了先进的数据采集分析系统，对不同直径的气囊进行了压缩性能试验，这些试验数据被直接用于船舶气囊下水的计算。

    哈尔滨工程大学在《船舶气囊下水安全性评估方法研究》中，基于真实气体状态方程（范德华方程），合理地选择多变指数并考虑气囊周壁伸张的影响，得到了计算气囊刚度的理论方法，通过与试验数据的比较，验证方法的准确性。

 

    ——下水过程中船舶的动态变化
 

    船舶气囊下水的整个过程，气囊的承载力、气囊内压和船体浮力、纵倾角等都是不断改变的，船体承受的气囊反力以及船体总弯曲力矩和局部应力的变化比较复杂。《船舶气囊下水安全性评估方法研究》采用全船结构有限元分析计算船体结构应力，考核船舶结构在气囊下水过程中的强度。通过计算，认为采用气囊下水的船舶，与滑道下水的船舶相比，其结构应力响应值更小，因此，在保证气囊安全性的前提下，只要下水坡道倾角选择合理，能保证船舶更安全的下水。

    “浙江省船舶气囊下水课题组” 在特定情况（船台及下水坡道参数、气囊布置、气囊初始内压、船舶下水时水位均为某个定值）下，测试了实船气囊下水过程的各项数据，通过静水力分析、船体总纵强度分析、船体局部强度的有限元分析，给出船舶气囊下水的安全评价和改进措施。
 

    ——船台和下水坡道

    船舶气囊下水需要建造专门的船台和下水坡道，理论分析与下水实践均已证实，纵剖面为折角型的下水坡道，比较适合船舶气囊下水。

    船台和下水坡道的参数，应满足以下条件：船台需要有一定的坡度，能满足船舶下水时能够自滑，但坡度又不能太大，以控制船舶落墩后的下滑力；下水坡道的几何形状以及在水下的延伸长度，应满足船舶下水过程中船体任何部位的应力不超过允许应力；船台和下水坡道有足够的地面承载力。

    济南昌林气囊容器厂有限公司经过计算和试验，得出根据在不同船舶参数和下水时水位高低情况下，船台和下水坡道几何参数的设计方法，已经在实践中得到验证。
 

    ——下水计算
 

    这些研究成果用于实践，已经体现在气囊下水过程的计算中。

    船舶气囊下水过程计算，通常包含的主要内容有：下水需要的气囊数量和布置方案；钢丝绳的牵引力；每只气囊的承载力以及对船舶重心之矩的总和；下水时船舶行程中可能产生艉弯时该处气囊最大内压；船舶产生浮力、气囊承载力变化时，校核船板应力和气囊强度。

   
在多年的实践中，国内有名的气囊护舷生产企业青岛永泰船舶用品有限公司总结出以理论研究结果为依据，辅以经验公式的一套计算方法：基于气囊的承载力等作用在船体上有所有外力，在下水过程中的每个阶段达到动态平衡，根据某一具体的船舶下水重量、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，对下水过程每个主要阶段进行计算，可以得出每只气囊在滚动过程中各个位置的内压和承载力数值，从中推算出船舶可能发生艉落时，船板的受力情况。如果计算得出的气囊内压、承载力及船舶应力均在许可范围内，则可以认为该船舶利用气囊下水是安全的，否则需要修改方案，重新计算。经过几百艘万吨级以上船舶气囊下水过程实船验证，该计算方法得到肯定。

    四、气囊下水的安全问题

    船舶气囊下水安全，始终是大家关注的一个问题。

    我们认为，三个要素涉及船舶气囊下水安全：气囊品质保障；船台和下水坡道的几何参数和建造质量；下水方案的制订和下水过程的规范操作。

    总结船舶气囊下水近三十年来的经验教训，发生船舶气囊下水不安全因素的原因均与这三要素中某一个或某几个有关。

    ——气囊品质

    气囊品质包括气囊承载力大小和制造质量。

    在船舶气囊下水技术发展的初期，下水船舶仅限于内河小型船舶，尽管气囊结构十分简易、承载力比较小，但那时船舶下水时发生气囊破裂的现象很少。二十世纪九十年代，我国一些注重技术改造的气囊生产企业，研制成功了新一代气囊，提高了气囊的承载能力，气囊下水技术由此推广到中型船舶。而当时大部分气囊生产厂仍然在生产结构简易的原有产品，并以低价格吸引买主，用低承载力的气囊下水中型船舶，酿成了多起事故：有的船舶在下水过程中，船底的气囊爆裂，船舶墩到地面上，或在下水半途搁在水边，甚至造成人员伤亡。惨痛的教训让这些人明白了“必须选择承载力满足下水船舶重力变化的气囊”这样一个浅显的道理。

    因制造质量造成船舶下水时气囊破裂的情况屡有发生。目前市场上气囊质量良莠不齐，个别企业以次充好、低价竞争，也是引起这类事故的原因。

    ——船台及下水坡道的几何参数和建造质量

    船台和下水坡道是气囊下水安全的重要要素。

    从过去的“沙滩造船”到如今建造专门的混凝土船台和下水坡道，船舶气囊下水逐步走向科学化、规范化。目前需要注意的问题是：在为较小吨位船舶建造的船台和下水坡道上，如果要建造大吨位船舶的话，必须对船台和下水坡道的几何参数和承压强度进行评估。曾经发生过一起在船舶气囊下水过程中，下水坡道的水泥混凝土地面突然破裂塌陷，破裂的混凝土块割裂气囊、飞出伤人的事故，应该吸取教训。另外，适合较小吨位船舶气囊下水的船台和下水坡道的几何参数并不一定适合较大吨位船舶气囊下水，须对其进行必要的改造。

    ——操作规范

    规范的操作过程是船舶气囊下水安全的保障。

    据粗略统计，船舶气囊下水发生的事故中，有一半左右是与操作不当有关：操作人员缺乏必要的技术培训，不了解气囊的承载力和性能，不检查船台和下水坡道是否适合船舶气囊下水，更不明白船体在下水各阶段产生的力的变化，一旦发生异常情况时不知所措，盲目操作，造成事故。

    在我国目前的有关标准中，对船舶气囊下水操作规程和人员培训提出了要求，严格执行标准规定，可以大大减少事故的发生。

    在船舶气囊下水发展过程中，每一次创造下水重量新纪录的试验，均是一举成功，说明只要做好周密准备，严格操作规范，船舶气囊下水安全是有保证的。

    五、发展前景和当前需要做的工作

    首创于1981年的船舶气囊下水技术，从开始到成长、发展的近三十年的历史，正好赶上了我国改革开放的三十年，我国造船人始终贯彻“解放思想、实事求是”的精神，认认真真地操作、脚踏实地地实践，使船舶气囊下水技术得到推广和发展。

    进入2010年，青岛永泰船舶用品有限公司已经与数个船舶制造企业一起，共同对7.6万吨级巴拿马型散货船以及某些工程船如海上钻井平台等进行气囊下水的可行性研究，有些已制订出实施方案。我们认为，只要有适合气囊下水的船台和下水坡道，以及操作方法正确，通过技术创新，提高气囊承载力后，下水船舶吨位还可以有较大幅度的提高。
 

    近期国务院通过的船舶工业振兴规划，提出了具体政策措施：国家支持研究开发新型自升式钻井平台等海洋工程装备，积极发展远洋渔船、特种船、工程船、工作船等专用船舶。
 

    去年以来，经过广泛的社会调研，青岛永泰船舶用品有限公司在“高承载力多层揉压气囊”的基础上，正在开展新一轮的研发工作，研制的新型气囊将可以进一步提高气囊的承载能力，适应大吨位及特殊船型船舶气囊下水的需要。随着新产品的试制成功，实现大型船舶、自升式钻井平台、工程船等气囊下水将成为现实。

    为促进船舶气囊下水这一新技术发展，我们建议当前应做好以下工作：

    ——加强对船舶气囊下水行业的宏观指导

    船舶气囊下水作为一个新兴产业，在发展过程中，必然会产生这样那样的问题，需要依靠行业主管部门在现在基础上进一步加强宏观指导，引导全行业健康发展。

    ——进行船舶下水前的可行性论证

    安全，包括人身安全和船舶、机具安全，始终是船舶气囊下水的头等大事。随着气囊下水船舶重量的增大，下水过程中不确定因素也随之增加。因此，船舶气囊下水前，必须进行可行性论证：按照预定的下水方案，校核下水坡道坡度、水位高度是否符合气囊下水要求，计算气囊的承载力、牵引力等一系列参数在船舶下水过程中的变化，以及对气囊内压、船体各部位应力的影响作出评估，并制订出应急预案，确保下水安全。

    ——严格执行操作规程

    现有的标准已经对船舶气囊下水操作过程作出了严格的规定。标准是在对船舶气囊下水实践的经验和教训进行总结的基础上制定的，也经受了无数次下水实践的检验，严格执行操作规程是下水安全的重要保证。

    ——加强对操作人员的培训

    气囊下水技术的渐趋成熟，带动了越来越多的船舶制造企业采用气囊下水，从事气囊下水操作的人员也不断增加，加强对操作人员进行技术培训是十分必要的。

    ——进一步深入进行理论研究

    与日益发展的船舶气囊下水市场相比，气囊下水的理论研究队伍还显得十分单薄，随着船舶采用气囊下水向更高目标迈进的同时，当前明显存在着理论研究落后于实践的问题。实际上，这项我国自主创新的技术还有许许多多的理论问题有待我们去探索，单靠某一个企业或单位，人力、财力有限，因而迫切需要主管部门的支持，以全行业的力量去共同研究探索，以期取得更好的成效。