低潮位时某型船进出坞分析

2015-01-01尚朝阳郑向宇

船舶与海洋工程 2015年6期

尚朝阳，黄健，郑向宇

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

0 引言

进入21世纪以来，中国水面舰船因自身的需求获得巨大发展。随着种类和数量的增加，水面舰艇进、出坞日益频繁，由于水面舰艇水下附体较多（例如：球鼻首、螺旋桨、舭龙骨等），所以对潮位的要求特别高。目前在国内，大部分的水面舰船习惯于高潮位时进出坞，低潮位时只能延长舰船的保养周期，这极大地影响了舰船的坞修周期，舰船数量愈多，等候大潮高潮位进、出坞的周期越长。

为了最大限度地降低潮位的影响，对各类船舶的进、出坞从5个方面作出分析。

1 进、出坞方式

船舶进坞的方式分为两种，艏部先进艉部靠近坞门一侧的方式称之为艏进，而艉部先进艏部靠近坞门一侧的方式称之为艉进。一般情况下，相对于艏部的球鼻艏和舯部的减摇鳍、舭龙骨，艉部螺旋桨的下端往往是整个船体的最低点，所以艏进方式对潮位的要求小于艉进方式对潮位的要求，故水面舰艇优先选用艏进方式。

以某型船为例，其球鼻首距基线尺寸-0.66m，螺旋桨桨叶下缘距基线尺寸-1.45m，艉进方式对潮位的要求比艏进方式对潮位的要求高0.79m。

2 船舶配载

2.1 重量调整

船舶所受的浮力等于船舶自身的重力也等于船舶所排开水的重量[1]：

式中：W——船舶自身重力；F浮——船舶所受浮力；ω——水的重量密度；∇——船舶排水体积。

从式（1）可知，控制船舶重量就能减少船舶的排水体积，降低船舶的吃水，从而降低进、出坞对潮位的要求。

水面舰艇进、出坞前需在码头进行重量调整，除留少量的油和水进行状态调整外，尽可能地清空油舱和水舱。条件允许的话，船上工作人员的日常生活用品及可移动的大件物品均移至码头仓库安置。

2.2 配载调整

船舶的浮态有正浮、横倾、纵倾、横倾加纵倾四种。船舶进、出坞前需要把浮态调整到正浮（见图1）。在正浮状态下，船舶的艏吃水dF和艉吃水dA相对均衡，不会出现极限，一定程度上减少了对潮位的依赖。

调整浮态时，依据船舶艏、舯、艉3个区域的淡水舱、燃油舱、滑油舱等舱室分布制定船舶配载预案，然后通过NAPA软件调整配载方案，最终确定每个舱室的配载重量，从而使得调整后的船舶基本接近正浮状态。表1为某型船通过NAPA软件计算调到正浮状态时的配载。

图1 正浮

3 坞墩

3.1 坞墩高度

潮位与坞墩高度有着直接的关系，最小潮位值如公式（2）所示[2]：

式中：H潮位——船舶进出坞的最小潮位值；H吃水——船舶进出坞的吃水值；H附体——船舶水下附体距基线最大值；H坞墩——坞墩距基线最大值。

由式（2）可知，船舶进、出坞排墩时要尽可能地降低坞墩的高度，从而降低对潮位的要求。某型船的进、出坞方案设计的中墩高度是2.2m，其水下附体距基线的最大尺寸是1.55m，当潮位值不充裕时，可以将中墩的设计高度降低到1.85m，这样就节约潮位0.35m。

3.2 坞墩设计优化

船舶进、出坞时，坞墩高度超过一定值就不能满足潮位的要求，对于这些特殊的坞墩，可以设计成轨道式坞墩或者是可移动式坞墩。

轨道式坞墩就是给坞墩的4个角增设滑轮并铺设相应的轨道。此类坞墩在船舶进坞前先摆放在船舶行进路线的一侧以防止与水下附体相撞，待船舶进坞到位后，通过牵引装置将此类坞墩平移到相应位置，最终实现抽水后的坐墩（见图2）。入坞前坞墩摆放在A点，船舶到位后通过轨道平移到B点指定位置。

轨道式坞墩适合设置在船舶首尾部的坞墩，此区域的坞墩由于艏艉部线型上翘，所以坞墩的高度值都很大（见图3），某型船将艉部的最高中墩设计为轨道式坞墩，极大地降低了对潮位的要求，船舶按计划完成了进坞。

图2 轨道式坞墩

图3 艏艉部坞墩

可移动式坞墩就是将钢墩和钢墩上的木墩设计成相互独立的两部分，船舶出坞前先将钢墩和木墩之间的固定扁条拆除，待船舶浮起后通过牵引装置将木墩移开至两侧坞壁处，然后实施船舶出坞。当潮位不充裕时可以通过采用可移动式坞墩来降低出坞时坞墩的高度，避免船舶出坞时与水下附体发生碰撞或摩擦。为了方便移位，需要在木墩的一侧增设耳环（见图4），通过耳环可以将木墩移开，一般情况下木墩的高度为0.3～0.5m，移开木墩后的船舶对潮位要求就降低了0.3～0.5m。

可移动式坞墩适合于设置在船舶两侧的边墩，此区域的坞墩紧邻坞璧，方便牵引装置移开木墩。某型船出坞时，采用此方案对边墩进行了优化，从而使得潮位满足了船舶安全进、出坞的要求。

图4 可移动式坞墩

4 船坞优化设计

目前国内船企大多数的船坞都属于中、小型船坞，在这种情况下对船坞进行优化设计是经济可行的办法。坞内标高是反映船坞放水后水位高低的直观因素，坞内标高越高，此船坞对潮位的依赖就越低。

为了减少船坞对潮位的依赖，可以采取挖坞坑的方式局部增加坞内标高。坞坑是专门针对球鼻首、螺旋桨等水下附体设置的，以防止船舶坐墩后水下附体与坞底相撞（见图5），某船坞针对螺旋桨设置的坞坑。

坞坑一般的尺寸：深度0.3～0.5m，宽度3～4m，长度6～8m。目前国内已有3家船企的船坞设置了坞坑。为了使坞坑能够方便、迅速、安全地进行塞填及撤空，坞坑应配有带吊环的水泥块或者带有漏孔的钢板盖，钢板盖厚度一般为30mm，满足强度要求。当潮位充裕时，船舶在坞坑塞填状态下进出坞；当潮位不充分时，船舶在坞坑撤空状态下进出坞（见图6），塞填坞坑采用专用的水泥块和钢板盖。

图5 螺旋桨坞坑

图6 水泥块和钢板盖

5 钢浮箱

进出坞过程中，可以通过工装设备向船舶施加向上的外力从而减少其吃水，钢浮箱就能实现这一目标。制作钢浮箱之前利用有限元软件ANSYS建立模型进行结构强度计算，制作完成后进行水密性检验保证浮箱的水密性[3]。

钢浮箱3个为一组，相互之间用钢丝绳连接。限位装置通过肘板与船体钢性连接，用来约束浮箱，为了保护船体外板需在浮箱和船体之间放置松木（见图7）。

定位浮箱时，根据浮箱所在的位置向浮箱里注入一定量的水，使浮箱在此位置处于漂浮状态以便于浮箱的定位。定位结束后，利用气压机把空气压进浮箱内排出浮箱里的水，此时浮箱对船体的浮力降低了船舶的吃水。当船舶进、出坞到位后，向浮箱里注满水，浮箱就逐步脱离船体下沉到坞底。

浮箱的数量和外形尺寸依据需要来定，为了减少水对浮箱的阻力，浮箱前进方向的一侧设计成锥形，长度与宽度的比例一般为3～4，浮箱的自身重量与排水量的比例≤0.2[4]。

图7 水泥块和钢板盖

6 案例分析

表2为黄浦公园某年9月份的潮位表，从潮位表可以看出1～10日的最大潮位主要集中在8～10日，同时最大潮位的时间集中在夜间0：00～1：00。

表2 黄浦公园某年9月份潮位表

某型船进出坞需要的潮位是3.3m，依据潮位表可以看出满足进出坞条件的只有8～10日，其他7天不具备进、出坞条件。除此之外，进出坞只能在夜间进行，不利于现场的生产协调，增大了进出坞的风险和成本。

该船舶采取上述措施中的3项措施后进出坞需要的潮位降低到2.6m，比理论的潮位低0.7m。其中经调整配载降低了0.2m，采用可移动坞墩降低了0.3m，通过坞坑降低了0.2m。依据潮位表可知1～10日全部满足进出坞条件，此船舶可以安排在1～7日的白天实施进、出坞，大大增加了进、出坞的选择空间且降低了风险和成本。