浮船坞压载舱空气管长度计算方法研究

2020-08-29刘森林姜广煜

船舶 2020年4期

高慧刘森林姜广煜郭婷

（1.天海融合防务装备技术股份有限公司上海201612；2.上海中船船舶设计技术国家工程研究中心有限公司上海，200114）

引言

浮船坞（又称浮坞），是一种用于修船和造船的工程船舶。它不仅可用于修船和造船，还可用于打捞沉船、运送深水船舶通过浅水的航道等［1］。浮船坞体型通常很大，下潜作业若靠压载水泵往舱内注水，在时间和成本上无疑均不现实，所以浮船坞通常设计为压载排水而不设计为压载注水，即下沉仅靠自身重力灌水，在所有进水阀均开启的状态下，直至最大沉深处自主停止下沉。故浮坞实现自主控制下沉深度并保障浮船坞的安全，浮船坞内空气管的长度定位显得尤为重要［2］。本文着重研究了空气管的长度如何影响压载水量，如何对浮坞自主控制起着决定性作用，空气管长度如何精确定位，以及最终交付使用前如何进行试验以验证空气管的长度精确可靠等内容。

1 浮船坞体型概况

浮船坞是整体式，由底部浮箱与两舷坞墙组成，且连续不可分开［3］。本文以48 000 t举力浮船坞为例进行研究分析，该坞由华润大东建造，建造完工后用于泰国曼谷湾Leamchabang港Unithai Shipyard & Engineer Ltd 的水域。该浮船坞设计建造满足美国船级社浮船坞［4］及中国船级社浮船坞相关规范要求［5］。

该浮船坞主尺度见表1。

表1 48 000 t举力浮船坞主尺度 m

该浮船坞共有24个压载舱，艏、舯、艉各8个舱。图1为48 000 t举力浮船坞侧视图与俯视图。

图1 48 000 t举力浮船坞侧视图与俯视图

2 浮船坞沉深与空气管长度的关系

最大沉深吃水是浮坞下潜能力的体现，也是浮坞设计的一个重要指标［6］。浮船坞的下潜深度是通过压载舱内注入水量来实现，因此压载舱内的压载水量至关重要，而压载水舱中的空气管长度将直接影响压载舱中压载水量的多少：

（1）如果空气管伸入压载舱中较长，管口距舱底高度过低，随着压载水位的上升，压载水位逐渐淹没空气管口，空气管口一旦被淹没，压载舱内空气则无法排出，压载舱上部空气便处于密封状态，形成气垫；舱内部大气压强将会逐渐增大直至增大到浮坞外海水无法灌入舱内，这样将会导致浮船坞无法下潜到最大沉深处。

（2）如果空气管伸入压载舱内较短，空气管末端管口距舱底过高，在浮船坞下潜压水过程中舱内空气排出无障碍，可能造成压载水的注入量过大，使浮坞下潜深度可能超过最大下潜吃水而影响作业安全，甚至发生失控沉没等严重事故。

因此空气管长度的合理定位，是浮船坞正常、安全下潜的重要保证。在设计过程中，由于空船重量无法精确统计，因此设计时需防止空气管长度过短，以免发生完工测重试验后的空船重量与初步统计的空船重量差值导致空气管长度不足问题，因为一旦空气管路长度不足，现场再将管子接长则工作量巨大。当然，空气管在舱内的长度设计也不能过于保守，这样将导致无谓的浪费。因此在设计阶段就应合理设计空气管长度，在空船测重试验后，再根据浮坞的最终重量，便可精确计算各压载舱空气管长度。图2为典型横剖面示意图。

图2 典型横剖面示意图

3 空气管长度原理解析

浮坞准备下潜作业时，开启通海海水箱进水阀，靠自身重力自流进水至压载舱，根据需要可通过调节进水阀的开启大小来调节各舱进水速率和进水量，从而控制浮坞纵横倾角度。浮船坞能自流注水运用了连通管原理，通过浮坞内外水位压差，把水压进浮船坞内，水进入坞内压载舱后占据压载舱的容积，压载舱内相应容积的空气则从空气管排出。

当压载舱内透气管底端被水淹没时，随着浮坞下沉，压载舱继续进水，舱内空气将无法通过空气管排出。此时，舱内气体会被压缩而形成气垫，当内外水位压差等于舱内外压强差时，该舱便会停止进水，达到平衡状态。

图3为浮船坞压载水舱示意图。从图3可见，空气管的长度L分为两部分：L1为压载舱内的长度、L2为压载舱外伸出的长度，该长度为定值。L1为压载舱内空气管长度，该段长度可控制压载舱内的水量。由于压载水舱高度Hb为定值，因此也可用空气管下端距基线的高度H0表示空气管的位置。为方便起见，以下使用H0作为计算的参数。

图3 浮船坞压载水舱示意图

当浮船坞压载水舱中的压载水至空气管下端（即距离舱底H0处）时，此时舱内上部的空气被封闭；当压载水继续进入时，舱内封闭的空气将被压缩，此时气压P1将高于外部的大气压P0；当外部的大气压P0、水压和内部气压P1平衡时，压载水将不再升高，浮船坞可达到预期的吃水。

本文应用理想气体状态方程（也称理想气体定律、克拉培龙方程）计算空气管在压载舱内的长度：

式中：P为气体压强，Pa；V为气体体积，m3；n为气体物质的量，mol；T为气体绝对温度，K；R为常数，约为8.314。

该方程是描述理想气体在处于平衡态时，压强、体积、物质的量以及温度间关系的状态方程。

对于密闭舱室内的气体，物质的量n是常数，R也是常数，绝对温度通常在下潜过程中认为是不变的，因此式（1）可表示为：

假定压载舱为矩形舱，S底面积相同，则根据式（2）可推出：

并建立封闭舱内的压强P1与大气压P0的关系：

将式（4）代入式（3），获得H1和H0之间的关系式：

在式（3）至式（5）中：rho为海水密度，t/m3；g为重力加速度，9.81 N/kg；P0为标准大气压，Pa；P1为封闭舱内的气压，Pa；T为浮船坞外吃水，m；Hb为压载水舱高度，m；H1为压载水舱内压载水的高度，m；H0为空气管下端距舱底的高度，m。

由式（5）可知，式中的3个变量浮船坞吃水T、压载水舱内压载水的高度H1和空气管下端距舱底的高度H0，已知其中2个变量可以计算出另一个变量。在设计中通常需计算出最大吃水为Tmax时压载水舱内压载水的高度H1，然后通过式（5）求出空气管下端距舱底的高度H0，从而求出压载舱内空气管的长度L1，进而求出空气管总长度L。

4 48 000 t举力浮船坞空气管切割应用

依据上述理论，本节以48 000 t举力浮船坞空气管切割作为计算实例，阐述浮船坞空气管切割的应用。切割空气管的目的是为了保证浮船坞能够准确安全达到最大沉深位置。该坞最大沉深为16.0 m，初步设计估算空船重约23 762.8 t，重心纵向位置137.37 m、横向位置0.33 m、垂向位置9.79 m。根据CCS浮船坞规范，下潜作业时，燃油淡水装满，通过NAPA软件辅助配算出该浮船坞达到无纵倾无横倾最大沉深时的各压载舱水位，此时在浮箱甲板以下的压载舱均已装满。坞墙内各舱装载工况见表2。

表2 最大沉深处坞墙内各压载舱装载情况

从表2可知，舱内水位H1及压载水体积V1为已知量，以下以“第一压载舱（左2）”进行计算举例说明，设压载舱液位刚好封住空气管口时的压载水体积为V0，根据式（2）至式（5）：

根据式（4）：P1-P0=rho·g·（T-H1）

即空气管管口处下体积为2 973.126 m3，空气管口距舱底距离为5.372 m，舱顶距舱底高度为19 m，所以换算出空气管伸入舱内的长度为13.628 m。其他压载舱空气管切割方法计算与之相同。各压载舱空气管最终长度见表3。

表3 各压载舱空气管最终长度

浮船坞浮箱甲板下的压载舱是通过贴近浮箱甲板面纵舱壁上开小透气孔，从相邻的坞墙内压载舱排气，是不设空气管。

表3计算的精确程度完全取决于浮坞空船重量的精确性，与浮坞的空船重量、重心位置密切相关。考虑到预估的空船重量与完工测重试验［5］结果存在误差性，一般建议船厂在初步理论计算基础上每个空气管长度留有约0.3 m的余量，在测重试验后进行精确计算修正一次，最后浮船坞进行最大沉深试验时，通过坞外实际吃水、各舱压载液位以及目前空气管长度最后进行反算后再一次修正空气管长度，最后试验加以验证。