蔣夢(mèng)嫣

(中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司 工程設(shè)備設(shè)計(jì)研究院，上海 200063)

0 引 言

在位于俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)的某大型造船廠總體規(guī)劃中，將建設(shè)大型新型干船塢，而塢門則是船塢的重要配套設(shè)備，俄方?jīng)Q定將其交給中方進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造。

國(guó)內(nèi)普遍采用方箱形浮式塢門，塢門直接靠至塢口。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，世界上已建成并投入使用的倒T型塢門僅有3座，國(guó)內(nèi)僅有1座，位于舟山地區(qū)，為英國(guó)人設(shè)計(jì)[1]。國(guó)內(nèi)承接的該型塢門為國(guó)內(nèi)自行設(shè)計(jì)并制造，可在極寒地區(qū)進(jìn)行正常開(kāi)關(guān)門作業(yè)，屬于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平。

1 項(xiàng)目背景

該型塢門長(zhǎng)度為114.85 m，屬于大型鋼質(zhì)浮式塢門。

倒T型塢門的優(yōu)點(diǎn)為：輕載排水量小、結(jié)構(gòu)輕、重心低，在作用于塢門門體結(jié)構(gòu)的額定荷載下可穩(wěn)定站立于塢檻上；在工作狀態(tài)時(shí)，一側(cè)止水橡膠處于壓縮止水狀態(tài)，另一側(cè)止水橡膠處于塢內(nèi)無(wú)水側(cè)，方便維護(hù)和更換；在關(guān)門狀態(tài)時(shí)，可排干壓載水艙內(nèi)的壓載水，減少內(nèi)部水艙的腐蝕和維護(hù)；壓載水艙總水量較方箱形塢門大幅減少，在應(yīng)用于極寒地區(qū)時(shí)，可大量減少內(nèi)部水艙防結(jié)冰設(shè)備；在關(guān)門狀態(tài)時(shí)，若遇斷電斷氣等能源緊缺的極端情況，可人工排空壓載水艙內(nèi)的水，減少冰害產(chǎn)生。其缺點(diǎn)為：關(guān)門對(duì)位間隙小，在旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)門時(shí)與塢墻的碰撞難以避免，操作對(duì)位難度較大，一次開(kāi)關(guān)門時(shí)間較長(zhǎng)；與同規(guī)格方箱形塢門相比吃水深，要求具有一定水深方可起??；在關(guān)門狀態(tài)時(shí)占用部分塢內(nèi)空間。

根據(jù)船塢所在地的氣象、水文水象和淤泥等情況和廠方使用與維護(hù)等條件，塢門型式種類多樣。浮式塢門由于其具有適應(yīng)性強(qiáng)、相對(duì)制造簡(jiǎn)單和操作與維修保養(yǎng)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，成為干船塢內(nèi)較常見(jiàn)的塢門型式。鋼質(zhì)浮式塢門是現(xiàn)代化修造船塢的重要配套設(shè)施：在開(kāi)啟時(shí)可使塢內(nèi)外水域相連，方便船舶進(jìn)出船塢；在關(guān)閉時(shí)可擋住塢外水，并利用與塢室配套的排水系統(tǒng)排凈塢內(nèi)水，使船塢內(nèi)修造船作業(yè)環(huán)境基本干燥。

俄方造船廠所在地區(qū)冬季極端低氣溫可達(dá)-30 ℃，要求塢門在海面形成極端厚度(70.0 cm)冰層時(shí)，開(kāi)關(guān)門作業(yè)不受影響，并根據(jù)環(huán)保要求，禁止采用化學(xué)藥劑融冰。這對(duì)塢門抵抗冰荷載、外部防冰凍、內(nèi)部水艙防結(jié)冰和內(nèi)部干艙供暖等提出嚴(yán)苛的要求。

根據(jù)對(duì)該型塢門使用工況和技術(shù)參數(shù)要求的分析，其主要功能包括：在極限工況條件下正常開(kāi)關(guān)門、冬季防冰害、外部防冰凍、內(nèi)部干艙供暖和消防與應(yīng)急情況下的保障措施等。

2 門體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

倒T型塢門不同于較常見(jiàn)的箱形浮式塢門，其結(jié)構(gòu)型式為：主長(zhǎng)大部分結(jié)構(gòu)為倒T字形截面，兩端為方箱形。塢門沿縱向中心線對(duì)稱，可雙面止水使用。與方箱形塢門矩形面積相比，倒T型塢門主要斷面面積減小較大，塢門總質(zhì)量得以減輕。塢門越長(zhǎng)，這種優(yōu)勢(shì)越明顯。

以往為國(guó)內(nèi)北方船廠設(shè)計(jì)塢門，最寒冷的地區(qū)為大連和葫蘆島等地。大連地區(qū)百年一遇的冰厚僅為33.8 cm，常年冬季冰厚為5.2 cm；葫蘆島地區(qū)百年一遇的冰厚為49.2 cm，常年冬季冰厚為13.1 cm[2]。國(guó)內(nèi)這種厚度的冰層較容易破裂，形成小面積浮冰，塢門冰荷載主要為風(fēng)和水流推動(dòng)流冰產(chǎn)生的沖擊力或摩擦力。由于塢門所在水域一般風(fēng)速和水流速均不大，因此冰作用力不大。國(guó)內(nèi)船廠在冬季最冷結(jié)冰期均無(wú)開(kāi)關(guān)塢門的要求，而在冰厚為70.0 cm時(shí)，一般為大面積冰層，無(wú)破冰船等強(qiáng)外力作用不會(huì)形成小面積浮冰。雖已設(shè)計(jì)塢門外部氣泡防冰裝置、塢門外部融冰系統(tǒng)和塢門外部射流防冰系統(tǒng)，在正常情況下塢門與水接觸的一段距離內(nèi)不會(huì)結(jié)冰，但為安全考慮，在計(jì)算時(shí)塢門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)須考慮冰荷載，主要為風(fēng)和水流的作用力對(duì)大面積冰層所產(chǎn)生的靜壓力。

在風(fēng)或水流的作用下，在大面積結(jié)冰層沿其運(yùn)動(dòng)方向的長(zhǎng)度l<1 200.00 m時(shí)，冰層對(duì)構(gòu)筑物產(chǎn)生的靜壓力為

(1)

式中：P為總壓力，N；b為冰層寬度，m；v為冰層移動(dòng)速度，m/s，在敞海中由于風(fēng)的作用，v可達(dá)1.000 m/s。根據(jù)式(1)計(jì)算得到大面積冰層產(chǎn)生的靜壓力為3 450 kN。

為保證該型塢門的安全性和可靠性，對(duì)塢門結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體有限元分析計(jì)算，通過(guò)結(jié)構(gòu)剛度和應(yīng)力控制指導(dǎo)塢門結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布基本均化，變形協(xié)調(diào)[3]。依據(jù)相關(guān)規(guī)定[4]，塢門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算采用容許應(yīng)力方法，結(jié)構(gòu)主體材料為EH36鋼。EH36鋼的彈性模量為206 800.0 MPa，泊松比為0.29，屈服強(qiáng)度為355.0 MPa，組合應(yīng)力容許值為227.8 MPa，剪切應(yīng)力容許值為132.4 MPa，區(qū)格板壓應(yīng)力容許值為260.1 MPa。常規(guī)倒T型塢門結(jié)構(gòu)，越靠近水面附近的結(jié)構(gòu)越薄弱，原因在于水壓力越接近水面越小。但由于該型塢門在水面附近存在大面積冰層產(chǎn)生的靜壓力，常規(guī)結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足要求，水面附近結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力和區(qū)格板壓應(yīng)力均超容許值，因此將塢門門體結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加強(qiáng)，包括局部板厚加大和增加T型結(jié)構(gòu)等措施，最終將應(yīng)力控制在容許值以內(nèi)。塢門有限元計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

圖1 塢門有限元計(jì)算結(jié)果示例

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 塢門管路系統(tǒng)

該型塢門管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)和技術(shù)改進(jìn)如下：

(1)增加船塢進(jìn)水管閥系統(tǒng)，成本微小，可解決船塢進(jìn)水問(wèn)題。國(guó)外的倒T型塢門無(wú)向塢內(nèi)注水的管閥系統(tǒng)，需要在船塢建立廊道向塢室注水，投資較大。

(2)增加壓載水艙分艙管閥系統(tǒng)，用于應(yīng)急狀態(tài)時(shí)的壓載水艙隔斷。增加固定壓載干艙的積水排水管路系統(tǒng)，用于應(yīng)急狀態(tài)時(shí)的干艙排水。國(guó)外的浮式塢門或浮船塢在遭遇意外撞擊受損時(shí)，曾由于干艙進(jìn)水過(guò)多而造成浮體沉沒(méi)，對(duì)此增加內(nèi)部水艙隔斷和應(yīng)急排水設(shè)計(jì)，可使塢門在遭遇意外時(shí)降低沉沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)。

(3)對(duì)整個(gè)塢門管路系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，動(dòng)力源以電能為主、柴油發(fā)電機(jī)為輔，簡(jiǎn)化部分管道，固定壓載采用固體壓載代替水壓載，取消固定水壓載相關(guān)管道，降低故障率。國(guó)外的倒T型塢門動(dòng)力源分為柴油發(fā)電機(jī)、空壓機(jī)和液壓泵站等，塢門管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，故障率相對(duì)較高。

(4)增加1套完整的報(bào)警和消防管路系統(tǒng)，可保證電氣控制室和設(shè)備房等艙室的安全。塢門消防系統(tǒng)平面布置如圖2所示。

圖2 塢門消防系統(tǒng)平面布置示例

3.2 塢門外部防冰凍系統(tǒng)

為保證該型塢門的正常使用，防止冰層凍結(jié)塢門、冰害破壞塢門結(jié)構(gòu)和塢門止水裝置與塢口止水面凍結(jié)，在塢門外沿和土建止水帶內(nèi)采取多種防冰凍措施，包括塢門外部氣泡防冰裝置、塢門外部融冰系統(tǒng)、塢門外部射流防冰系統(tǒng)和塢門止水帶防凍系統(tǒng)。塢門外部氣泡防冰裝置通過(guò)調(diào)節(jié)氣泡發(fā)生器生成的氣泡數(shù)量，利用氣泡破壞冰結(jié)晶可防結(jié)冰。塢門外部射流防冰系統(tǒng)通過(guò)潛水泵射流擾動(dòng)水體，可減少成冰可能。塢門外部融冰系統(tǒng)通過(guò)電加熱棒融化附近海冰可實(shí)現(xiàn)冰門脫離。塢門止水帶防凍系統(tǒng)通過(guò)在土建止水帶內(nèi)布置箱形梁結(jié)構(gòu)，內(nèi)部敷設(shè)供暖熱水管道加熱預(yù)埋鋼板，可防止橡膠在海水中與預(yù)埋鋼板凍結(jié)。上述4套塢門外部防冰凍系統(tǒng)可滿足不同氣溫和水溫下的防冰凍要求，塢門在結(jié)冰期可正常使用。

(1)塢門外部氣泡防冰裝置

該裝置包括吸入空氣過(guò)濾器、空氣干燥機(jī)、空氣壓縮機(jī)、壓縮氣體儲(chǔ)存罐、空氣壓力檢測(cè)儀、水下防冰凍工作模塊、集控閥組、上位機(jī)和氣泡發(fā)生器。通過(guò)研究氣泡理論，使用不銹鋼氣泡發(fā)生器，在水下生成連續(xù)氣泡，帶動(dòng)水體形成流場(chǎng)。氣泡獲得初始速度，在水浮力加速度作用下向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)周圍水體產(chǎn)生豎向流動(dòng)，形成局部環(huán)流水流場(chǎng)，流動(dòng)水不易生成冰結(jié)晶，或?qū)⒁焉傻谋Y(jié)晶破壞。無(wú)冰結(jié)晶的水處于過(guò)冷狀態(tài)不會(huì)結(jié)冰，即氣泡產(chǎn)生區(qū)域的水不會(huì)結(jié)冰，這樣可消除冰的靜壓力、冰對(duì)構(gòu)筑物產(chǎn)生的拔力和其他冰害破壞塢門結(jié)構(gòu)，確保塢門在極寒情況下安全使用。該裝置融冰范圍寬度較大，可達(dá)1.00～2.00 m。前期投資比塢門外部射流防冰系統(tǒng)稍大，后期運(yùn)行能耗較低，維護(hù)簡(jiǎn)單。塢門外部氣泡防冰裝置如圖3所示。

圖3 塢門外部氣泡防冰裝置安裝示例

(2)塢門外部融冰系統(tǒng)

該系統(tǒng)在塢門外側(cè)設(shè)置若干組電加熱棒，與塢門外部氣泡防冰裝置的出氣口相對(duì)應(yīng)。在打開(kāi)電加熱棒、冰層融出小洞后，打開(kāi)氣泡發(fā)生器，使氣泡持續(xù)冒出，逐漸擴(kuò)大融冰區(qū)域，最終實(shí)現(xiàn)冰門脫離。該系統(tǒng)能耗較大，僅作為應(yīng)急措施。塢門外部融冰系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 塢門外部融冰系統(tǒng)平面布置示例

(3)塢門外部射流防冰系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括潛水排污泵、射流管、射流口和電控裝置。通過(guò)在塢門臨水側(cè)的水面下方設(shè)置管路，管路與潛水泵和射流口相互連接，形成射流系統(tǒng)，在水下產(chǎn)生持續(xù)不斷的流體，破壞冰結(jié)晶形成，防止水面凍結(jié)。該系統(tǒng)前期投資較少，后期運(yùn)行能耗較大，可作為塢門外部氣泡防冰裝置的小范圍補(bǔ)充措施，融冰范圍寬度為1條窄縫，以保持冰層不連接為主。

(4)塢門止水帶防凍系統(tǒng)

該系統(tǒng)主體為防凍箱形腔和不凍熱載體管道。通過(guò)熱水系統(tǒng)向不凍熱載體管道內(nèi)注入80 ℃的含防凍液熱水，設(shè)計(jì)流量為1 720 kg/h，流速為0.222 m/s，比摩阻為14.211 Pa/m。防凍箱形腔內(nèi)始終保持一定溫度，防止由于預(yù)埋鋼板凍結(jié)而使塢門止水帶與其黏結(jié)。

3.3 塢門內(nèi)部水艙防結(jié)冰系統(tǒng)

在國(guó)內(nèi)北方船廠常規(guī)塢門設(shè)計(jì)中，由于冬季結(jié)冰厚度較低，薄冰對(duì)內(nèi)部水艙結(jié)構(gòu)影響較小，因此除適當(dāng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)外，無(wú)須進(jìn)行其他特殊處理。但該型塢門僅依靠結(jié)構(gòu)加強(qiáng)成本過(guò)高，需要增加塢門內(nèi)部水艙防結(jié)冰系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括內(nèi)部水艙保溫與加熱盤管管道和射流擾動(dòng)組件。采用熱水循環(huán)系統(tǒng)向盤管提供熱水，并在內(nèi)部水艙下部即水面以下設(shè)置一定管路，利用潛水泵在水下產(chǎn)生連續(xù)射流，破壞冰結(jié)晶，防止內(nèi)部水艙水體凍結(jié)。根據(jù)文獻(xiàn)[5]，可計(jì)算冰蓋下方水溫補(bǔ)給熱流量和水氣交界面熱流量損失強(qiáng)度等。內(nèi)部水艙保溫采用噴涂聚氨酯保溫材料和聚脲防水涂料的加工工藝，具有防水、耐磨、防腐和高效保溫的效果，使用壽命長(zhǎng)。內(nèi)部水艙保溫層在加工時(shí)采用人工噴涂方式，簡(jiǎn)易快捷，且便于修復(fù)。

3.4 塢門內(nèi)部干艙供暖系統(tǒng)

在國(guó)內(nèi)北方船廠常規(guī)塢門設(shè)計(jì)中，由于人員在冬季不進(jìn)入塢門內(nèi)部，因此無(wú)內(nèi)部供暖需求。但該型塢門須在極端氣候條件下可正常進(jìn)行開(kāi)關(guān)門作業(yè)，需要增加塢門內(nèi)部干艙供暖系統(tǒng)，提供舒適的工作環(huán)境，保證電氣設(shè)備正常運(yùn)行。該系統(tǒng)包括保溫壁板、供暖管道和散熱器等。在塢門各艙室內(nèi)敷設(shè)固定供熱管道，在低溫時(shí)可與岸上的熱水管道聯(lián)通，利用不凍熱載體循環(huán)對(duì)內(nèi)部干艙進(jìn)行加溫。內(nèi)部干艙供暖區(qū)域在鋼板內(nèi)側(cè)敷貼不燃型保溫材料，部分區(qū)域可使用小型移動(dòng)式電加熱設(shè)備進(jìn)行加溫。供暖負(fù)荷的計(jì)算傳熱系數(shù)按≤1.5 W/(m2·K)取值，考慮15%的安全因數(shù)，該系統(tǒng)負(fù)荷為185 kW。

3.5 塢門電控系統(tǒng)

塢門電控系統(tǒng)包括：塢門實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)、塢門外部融冰監(jiān)控系統(tǒng)、塢門外部防冰凍檢測(cè)裝置、塢門管路實(shí)時(shí)監(jiān)控應(yīng)急控制系統(tǒng)、塢門開(kāi)關(guān)門操作與監(jiān)控系統(tǒng)、塢門消防監(jiān)控系統(tǒng)、塢門傾斜自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)和塢門內(nèi)部干艙自動(dòng)檢測(cè)排水系統(tǒng)等。

(1)塢門實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控模塊、運(yùn)行參數(shù)回溯模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)控終端。通過(guò)預(yù)設(shè)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控模塊對(duì)塢門外部氣泡防冰裝置、塢門外部融冰系統(tǒng)、塢門內(nèi)部水艙防結(jié)冰系統(tǒng)、塢門內(nèi)部干艙供暖系統(tǒng)、塢門止水帶防凍系統(tǒng)和塢門各設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取，通過(guò)傳輸接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程終端實(shí)時(shí)顯示，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控各系統(tǒng)的運(yùn)行情況。使用運(yùn)行參數(shù)回溯模塊分析所獲數(shù)據(jù)，及時(shí)提取故障參數(shù)，通過(guò)傳輸路徑回溯故障參數(shù)源路徑，可快速分析查找故障點(diǎn)位，簡(jiǎn)化人工排查手續(xù)，并提高安全可靠度。塢門實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 塢門實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)

該型塢門采用人機(jī)界面(Human Machine Interface，HMI)代替?zhèn)鹘y(tǒng)模擬屏，可實(shí)時(shí)顯示塢門各主要泵閥的工作狀態(tài)、參數(shù)和故障示警等，并儲(chǔ)存相關(guān)數(shù)據(jù)，便于塢門的日常維護(hù)和管理。塢門主要電氣設(shè)備界面如圖6所示。

(2)塢門外部融冰監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括氣泡發(fā)生模塊、溫度監(jiān)測(cè)模塊、塢門外部融冰系統(tǒng)和總控模塊，其中：溫度監(jiān)測(cè)模塊由設(shè)置于塢門外部相應(yīng)位置的溫度傳感器(Temperature Sensor，TS)組成。在氣泡發(fā)生模塊運(yùn)行前，可使用塢門外部融冰系統(tǒng)進(jìn)行水體預(yù)加熱，避免塢門外部結(jié)冰，為氣泡發(fā)生模塊運(yùn)行提供足夠時(shí)間，保證氣量充足。通過(guò)總控模塊對(duì)氣泡發(fā)生模塊和塢門外部融冰系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一控制，可在氣泡發(fā)生模塊出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)使用電加熱融冰，為氣泡發(fā)生模塊的維護(hù)更換提供足夠時(shí)間。

(3)塢門外部防冰凍檢測(cè)裝置

該裝置包括中央處理器(CPU)、TS、液位儀(液位傳感器)和除冰裝置。TS分布于塢門內(nèi)外部，液位儀設(shè)置于塢門兩側(cè)，所有傳感器均與CPU進(jìn)行電性連接。除冰裝置設(shè)置于塢門下部，與CPU進(jìn)行電性連接。該裝置通過(guò)測(cè)溫判斷水域是否可能結(jié)冰，通過(guò)液位儀檢測(cè)塢門兩側(cè)并打開(kāi)有水側(cè)的除冰裝置，具有智能識(shí)別能力，準(zhǔn)確程度高。

(4)塢門管路實(shí)時(shí)監(jiān)控應(yīng)急控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括生物活動(dòng)監(jiān)控單元、海洋環(huán)境監(jiān)控單元、管道內(nèi)部監(jiān)控單元、信息處理單元和應(yīng)急控制單元。預(yù)先設(shè)置管路正常工作狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)值，通過(guò)接收各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比分析，判斷是否出現(xiàn)異常情況；若出現(xiàn)則報(bào)警提示，并啟動(dòng)自動(dòng)應(yīng)急操作，將兩側(cè)壓載水艙隔斷。采用2種可相互切換的供電方式：常規(guī)岸電和柴油發(fā)電機(jī)組，用于提供應(yīng)急電源，有效確保在岸電供電故障時(shí)塢門可正常使用。塢門管路實(shí)時(shí)監(jiān)控應(yīng)急控制系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 塢門管路實(shí)時(shí)監(jiān)控應(yīng)急控制系統(tǒng)

4 結(jié) 語(yǔ)

極寒地區(qū)大型倒T型塢門的設(shè)計(jì)、制造、傾斜試驗(yàn)和沉浮試驗(yàn)等均已順利完成。從使用情況看，滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)，適應(yīng)各類工況要求，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。今后，結(jié)合該型塢門實(shí)際使用情況，可對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化。