陳繼峰 趙洪武 姜 偉

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 前言

船舶在船臺(tái)上或船塢內(nèi)建造到一定階段便可下水。船舶的下水方式主要分為：船臺(tái)重力機(jī)械式下水和船塢起浮式下水。近年來，對(duì)于超大型的船舶，大多在船塢內(nèi)建造，下水方式為：造好后向塢內(nèi)放水，使船浮起再拖到船塢外的水域中［1］。

在船舶起浮的過程中，船廠通常將處于建造收尾階段的整船移出船塢，騰出船塢空間，需要時(shí)調(diào)整塢內(nèi)其他半船的位置，為后面一條船的建造及出塢做準(zhǔn)備。筆者有幸參與了青島揚(yáng)帆船廠205000 DWT散貨船、江蘇新?lián)P子造船廠92500 DWT散貨船、中航威海船廠92500 DWT散貨船、上海江南造船廠5100 TEU集裝箱船的起浮計(jì)算，并到現(xiàn)場(chǎng)親歷了整個(gè)起浮過程。實(shí)踐證明本文介紹的整船和半船塢內(nèi)起浮的分析和計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合，可為船舶設(shè)計(jì)人員提供參考與技術(shù)支持。

1 整船出塢及塢內(nèi)半船起浮主要困難

整船的出塢、半船的起浮及位置調(diào)整，此過程非常復(fù)雜，涉及到船舶的浮態(tài)、穩(wěn)性、強(qiáng)度和生產(chǎn)工藝的完整性等一系列問題。

特別對(duì)于半船的起浮，通常半船分段面需要封板，而封板的位置和封板的尺寸需要經(jīng)過精確計(jì)算才能最終確定；半船的浮力模型根據(jù)封板情況來建立，而其靜水力數(shù)據(jù)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)不完整，會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)突變的情況，給計(jì)算帶來一定的難度；在半船的首尾處，由于結(jié)構(gòu)的突變，常常會(huì)出現(xiàn)較大的剖面模數(shù)的變化，導(dǎo)致有較大的應(yīng)力產(chǎn)生，需要核實(shí)局部結(jié)構(gòu)是否會(huì)失效。

本文主要的分析與計(jì)算為整船的起浮計(jì)算、半船的起浮計(jì)算、起浮其他相關(guān)問題。

2 整船出塢計(jì)算

此計(jì)算過程需要船廠提供現(xiàn)階段整船的空船重量統(tǒng)計(jì)，然后結(jié)合初步設(shè)計(jì)中依據(jù)線型建立的浮力模型，進(jìn)行配載，計(jì)算出一個(gè)合適的浮態(tài)給船廠參考。

2.1 出塢重量的統(tǒng)計(jì)

通常在出塢時(shí)整船仍有許多地方還處于建造階段，例如上層建筑里的舾裝部分未完工；而作為設(shè)計(jì)方的資料僅限于初步設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)估的空船重量，因此船廠需要提供出塢時(shí)的空船重量重心統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。這一數(shù)據(jù)越詳細(xì)，設(shè)計(jì)方的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際越接近。

2.2 浮態(tài)要求

在整船的出塢過程中通常是尾部先出塢，以免造成尾部螺旋槳或者舵等貴重設(shè)備的損傷，所以平浮或者略微首傾是較為理想的浮態(tài)。對(duì)于船舶吃水的要求，主要受限于船塢所能承受的最深吃水及船塢附近水域的水深情況。

2.3 配載的注意事項(xiàng)

應(yīng)在充分了解船廠的施工狀況和現(xiàn)場(chǎng)條件的情況后再進(jìn)行配載，哪些壓載水艙能用，取決于設(shè)備狀態(tài)。通常優(yōu)先在能用的艙里選用，盡量少用壓載水艙，若計(jì)算后浮態(tài)滿足即可。如果設(shè)備均未安裝妥當(dāng)，則只能考慮使用臨時(shí)的泵來給指定艙室打壓載水。

并非所有的船東都同意對(duì)于尚未完工的半船使用壓載水艙來調(diào)整浮態(tài)。放置壓塊也是一個(gè)很好的選擇，但是對(duì)于大型船舶，壓塊的作用并不明顯。

當(dāng)空船重量重心統(tǒng)計(jì)完成，船廠對(duì)浮態(tài)的要求明確后，設(shè)計(jì)方則可根據(jù)船廠的要求展開模擬計(jì)算，具體過程可參照傳統(tǒng)的散貨船典型裝載的工況的計(jì)算過程來進(jìn)行。

3 半船起浮計(jì)算

此計(jì)算過程與整船的起浮計(jì)算類似，但是鑒于半船的浮力模型隨封板情況的改變而變化，配載也會(huì)隨之進(jìn)行調(diào)整，設(shè)計(jì)方通常會(huì)提供多種方案供船廠參考。

3.1 半船重量的統(tǒng)計(jì)

船廠應(yīng)盡量仔細(xì)統(tǒng)計(jì)半船的空船重量和重心位置，尤其在半船較短的時(shí)候，因?yàn)榇藭r(shí)半船的浮態(tài)對(duì)于其重心的位置十分敏感：重心延船長(zhǎng)方向的一點(diǎn)偏差，很可能造成半船浮態(tài)的大不相同。

3.2 半船浮力模型的建立

半船的浮力模型由整船在封板處切斷得到，而封板的位置通常由船廠根據(jù)施工狀態(tài)決定。通常半船的浮力模型建立好后，設(shè)計(jì)方會(huì)據(jù)此計(jì)算一個(gè)原始工況給船廠參考，以便船廠根據(jù)其具體的施工及現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。船廠在綜合考慮半船最終的浮態(tài)、打壓載水的情況、半船首尾部分段的封板情況及半船的重量重心等情況后常常會(huì)進(jìn)一步提出更加具體的要求。通常這是一個(gè)反復(fù)循環(huán)的過程。

3.3 管弄封板

船廠通常會(huì)將半船首尾部的管弄封住，因?yàn)楣芘锩娴墓芟导翱刂崎y還有一些電氣設(shè)備是不允許浸泡在水里的。因此船廠應(yīng)重視封板的水密性，以免造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

3.4 建立半船的艙室模型

通常生產(chǎn)設(shè)計(jì)分段的邊界和詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)艙室的邊界不一致，在半船的首尾部，由于封板方案不同，在建立艙室模型時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際的封板情況來確定艙室模型的邊界。

3.5 配載的注意事項(xiàng)

半船配載的思路與整船的處理過程類似，但是建議盡量少打壓載水。因?yàn)閴狠d水有以下幾個(gè)方面的限制：

1）半船的壓載水泵一般都無法使用，甚至有些半船不包含機(jī)艙分段，當(dāng)半船需要用壓載水來調(diào)整浮態(tài)時(shí)，只能借助于船塢邊的消防水泵或租用其他的泵打壓載水。

2）如果半船浮態(tài)調(diào)整所需壓載水量較大，而受限于船廠的實(shí)際情況僅能使用流量相對(duì)較小的水泵時(shí)，打水時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致浮態(tài)調(diào)整時(shí)間過長(zhǎng)。

3）若壓載水為自來水，與江水或者海水相比，經(jīng)濟(jì)性較差。

4）若壓載水采用江水或者海水，則船東多數(shù)會(huì)要求起浮結(jié)束后做洗艙工作，額外的工作量既增加了船廠的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，也可能延誤工期。

5）當(dāng)涉及到部分裝載的壓載水艙時(shí)，須考慮起浮過程中自由液面帶來的不利影響。

6）半船的水下檢驗(yàn)工作以及各艙的水密工作此時(shí)并未完全到位，現(xiàn)場(chǎng)需重新確認(rèn)，以免某些艙室漏水，導(dǎo)致配載失效。

半船起浮計(jì)算僅能作為一種輔助計(jì)算供船廠方參考，解決方案還需根據(jù)實(shí)際情況具體分析。有時(shí)某些分段太短，浮態(tài)難以控制，船東會(huì)讓半船準(zhǔn)確定位在指定的塢墩上，然后等起浮結(jié)束后進(jìn)行洗艙。

4 起浮其他相關(guān)問題

4.1 拖力計(jì)算

對(duì)于濕表面積較大的船只，船廠可能會(huì)要求設(shè)計(jì)方提供整船出塢的拖力計(jì)算，以便廠租借拖輪。此拖力可以采用經(jīng)驗(yàn)公式［2］進(jìn)行估算。

4.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

有些半船（如圖1）因?yàn)榻孛媲昂笃拭婺?shù)的突變，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部失效。此時(shí)最好進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析計(jì)算，若計(jì)算結(jié)果顯示強(qiáng)度不足，則須給予一定的加強(qiáng)。

圖1 分段有限元計(jì)算應(yīng)力圖

4.3 船塢等周邊環(huán)境影響

1）潮汐的影響。處于海邊的船塢，會(huì)受到不同季節(jié)潮位的影響，船廠需結(jié)合整船出塢時(shí)的浮態(tài)，事先預(yù)留吃水余量，以避免整船出塢的時(shí)候擱淺。

2）船塢的限制。船塢對(duì)吃水也有一定的限制，例如當(dāng)最深吃水不能超過10 m時(shí)，設(shè)計(jì)方計(jì)算的浮態(tài)要留有一定的余量，以防起浮時(shí)浮態(tài)不好，船底拖地受損。

4.4 相關(guān)準(zhǔn)備及應(yīng)急預(yù)案

1）船廠方應(yīng)盡量多準(zhǔn)備些壓鐵，以便臨時(shí)調(diào)整橫傾。

2）若條件允許，船廠可準(zhǔn)備一些浮筒。

3）半船首尾封板的時(shí)候，應(yīng)盡量留有余量，例如根據(jù)計(jì)算結(jié)果，封板高度為3 m，實(shí)際封板可封到4 m或者更高。

4）為避免半船漂浮起來的時(shí)候不受約束而自由飄蕩，應(yīng)準(zhǔn)備好拖纜以固定半船。

5）若半船的水尺沒有畫好，應(yīng)在首尾封板上加畫臨時(shí)水尺標(biāo)注。

6）若貨艙需要打壓載水，應(yīng)在貨艙中臨時(shí)加畫水尺標(biāo)記，以控制壓載水量。

7）當(dāng)開閘放水快到理論起浮吃水時(shí)，應(yīng)降低放水的速度，以便觀察和控制半船浮態(tài)。

8）預(yù)先準(zhǔn)備好浮力模型的靜水力數(shù)據(jù)，以便參考。

5 算例

5.1 半船起浮問題描述

本次起浮狀態(tài)：船塢內(nèi)有一個(gè)從尾部FR49+0.35到FR153-0.295的分段（以下簡(jiǎn)稱半船），現(xiàn)計(jì)劃向塢內(nèi)注水使半船移位，以騰出船塢空間，讓新的分段進(jìn)駐。

根據(jù)以上船廠方的分段劃分圖（見圖2）和設(shè)計(jì)方的半船側(cè)視圖（見圖3）的分析，如果僅封此半船的首尾部管弄，最后一個(gè)貨艙則會(huì)浸在水中，而此貨艙段內(nèi)的管弄部分可提供浮力；同樣，首部的貨艙部分也浸在水中，而其中的管弄仍可提供浮力。

圖2 半船分段劃分圖

圖3 半船側(cè)視圖

5.2 半船起浮計(jì)算步驟

對(duì)于半船的起浮計(jì)算，具體過程如下：

1）建立浮力模型。假定半船首部?jī)H封閉管弄，在FR153-0.295處封閉，尾部也僅封閉管弄，在FR49+0.35處封閉，提供浮力的部分具體如圖4所示。

圖4 半船浮力模型示意圖

2）建立重力模型。對(duì)應(yīng)以上的浮力模型，此半船的重量包括從尾部FR49+0.35到首部FR153-0.295處的分段所包含的鋼料重量，其中管系和舾裝重量未計(jì)入。根據(jù)由船廠提供的分段重量數(shù)據(jù)（見表1）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，總重量約為7886.66 t。

3）浮態(tài)的計(jì)算和校核。本次計(jì)算在提供原始狀態(tài)供船廠參考之余給出了另外一個(gè)建議方案。

原始狀態(tài)浮態(tài)如下：

表1 分段重量統(tǒng)計(jì)表

可以看到以上計(jì)算結(jié)果縱傾太大，因此原始浮態(tài)肯定不能作為出塢時(shí)的方案。加壓載水，把半船調(diào)整成平浮，配載方案見表2。

浮態(tài)如下：

表2 配載方案

表3 半船結(jié)構(gòu)應(yīng)力表

經(jīng)過一定量的壓載水的調(diào)整，目前的計(jì)算結(jié)果較之原始狀態(tài)有較大的可行性，封板方案簡(jiǎn)單易于廠方操作，縱傾小浮態(tài)更容易控制，壓載水也盡量少用以方便廠方現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。此計(jì)算為理論計(jì)算，僅供船廠方參考，一切以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況為準(zhǔn)。

圖5 半船結(jié)構(gòu)應(yīng)力示意圖

6 結(jié)語(yǔ)

船舶塢內(nèi)起浮是需要綜合考慮各項(xiàng)因素的過程。本文僅從船舶塢內(nèi)起浮的計(jì)算角度，結(jié)合筆者的工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)這一過程進(jìn)行分析，雖然結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)情況基本相符，但是設(shè)計(jì)方需與船廠方事先進(jìn)行溝通與交流，根據(jù)船廠方的實(shí)際情況做好充分準(zhǔn)備。

［1］盛振邦，劉應(yīng)中.船舶原理（上）［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2003.

［2］中國(guó)船舶工業(yè)總公司.船舶實(shí)用設(shè)計(jì)手冊(cè)：舾裝分冊(cè)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2000.