走出一條船舶柔性下水的新路

濟南昌林氣囊容器廠有限公司

走出一條船舶柔性下水的新路

濟南昌林氣囊容器廠有限公司

船舶下水是一個古老的命題，近千年來，人們追求簡易和安全的下水方式，為此付出了不懈的努力。重力式滑道下水傳承著經典的下水方式，我國建造的第一艘萬噸輪“東風號”就是采用這種方式下水的。

重力式滑道下水被廣泛采用就是因為它比較簡單，對于小型船舶來說，利用河灘的坡度，在簡易滑道上鋪上牛油和滑板，船只就能滑行下水了。但隨著船舶尺度和噸位的增長，船舶滑道下水的風險也增長了。首先是滑道上單位面積負載的增長，引起潤滑脂被擠壓出來、發熱甚至燃燒，產生難聞的焦臭味。其次是船底下需要設置一個承載船體重量的“船排”。它由縱橫桁材（木材或鋼材）組成，有的還需要首、尾支架，不僅浪費材料，而且構建的成本和消耗的人工也不少。再次是滑道必須延伸至水下相當長的一段距離，每次下水都必須清除淤泥，涂敷潤滑脂，不僅維護的成本高，而且下水過后廢棄的潤滑脂會污染水域。滑道的水下部分往往造成堤防的缺陷，礙航和減少河道過水泄洪的能力。盡管人們做出了許許多多的努力來改善大型船舶滑道下水的安全性，但其固有的缺陷和時有發生的失敗風險給大型船舶采用滑道下水蒙上了陰云。

對于大型船舶來說，漂浮下水方式被認為是最安全的。采用這種方式需要建造大型船塢，不僅建設投資大，而且運營費用高，增加了造船成本。機械化軌道下水方式也曾經風靡一段時間，但它的造價高昂，橫移區占用的廠區面積大，維護成本高，當代新建的船廠中已經很少采用。

1 柔性下水技術

氣囊下水是20世紀80年代由中國人發明創造的一種船舶下水方式。船舶采用氣囊下水時，利用氣囊的柔性、大面積承載能力以及變形后仍容易滾動的特點，先給氣囊充氣，頂起船舶，在卷揚機和鋼絲繩的牽引下，依賴于氣囊變形滾動的能力，使船舶向水面移動。當船舶移到水邊時，松開牽引的鋼絲繩，氣囊在船舶重力的作用下繼續滾動，帶動船舶入水，完成下水過程。

氣囊下水與滑道下水的原理有些相似，都是利用重力在傾斜的坡道上下水，唯獨不同的是以氣囊替代滑道下水中的“船排”和剛性的滑道，引起了一系列的變革：

（1）船舶下水坡度可以改小，目前最小坡度僅1%左右。船臺上沒有了滑道，可大大提高船臺的利用效率。

（2）船舶下水坡道延伸至水下相當短的距離，大大縮減了整個工程的造價且無需維護，對堤防和航道的通航能力影響微小。

（3）對水域不產生廢棄物污染；氣囊使用后立即回收，并可以反復使用。

（4）氣囊充氣后能夠將船抬起，拆除墩木很方便，整個下水工程一氣呵成，無需消耗滑板、潤滑脂和制作船排的材料，大大節省人工和材料的費用。

（5）船舶氣囊下水工程可以外包，形成了一種靈活而高效的造船生產模式，減少了固定投資成本、維護滑道的成本和人員配備，提高了設備的利用率，為采用先進便捷的造船模式創造了條件。

（6）氣囊的柔性（也可稱之為彈性）使得船舶在下水過程中能夠不斷調整自己的船姿（縱傾角），船體受力的分配更加均勻合理，對船體的損傷小，并且能夠吸收震動。它克服了滑道下水中常見的“尾下墮”和“尾上浮”等突變現象，使下水過程更加平穩和安全，因此又被稱為“柔性下水”技術。

2 氣囊開發創新路

氣囊下水從成功的那一天起，困擾其進展的就是載運船舶的氣囊強度。早期的氣囊因制作技術落后、耐壓強度差，以至于氣囊下水船舶的噸重在首個十年間進展不大，始終在500 t以下徘徊。

1993年，濟南昌林氣囊容器廠成立，這是一家以開發高強度船用下水氣囊及其應用技術推廣為宗旨的民營企業。在孫菊香廠長的領導下，昌林率先研制成功“環繞貼敷”整體制作橡膠氣囊的技術，加上采用優質的橡膠和高張力強度的簾子線，使氣囊的強度大幅度提高，為氣囊下水千噸級以上的船舶創造了條件。

1994年是我國船舶氣囊上下水歷史上發生轉折的一年。那一年的9月份，舟山船廠使用濟南昌林氣囊容器廠生產的新型高強度氣囊成功下水一艘長69.8m、寬14.8m、自重900 t的車客渡船。對此，《中國船舶報》給予高度評價，以“我國船舶氣囊下水有新突破”的標題在頭版頭條作醒目報道。該成果被評為當年船舶行業的十大科技成就之一，標志著我國船舶氣囊下水技術一個新的起點。從那時起，我國采用氣囊下水船舶的噸位節節攀升，實現一個又一個的飛躍。

氣囊下水技術在全國推廣之后，由于缺乏標準，導致市場上出售的氣囊良莠不齊，氣囊下水失敗的事故也接連發生。這使濟南昌林氣囊容器廠意識到必須建立行業共識的標準，以提升整個行業的水準。濟南昌林氣囊容器廠在制訂出企業自有標準的基礎上，與中國船舶工業綜合技術經濟研究院合作，著手起草、提出我國第一個下水氣囊產品標準。這就是1996年批準頒布的《船舶上排、下水用氣囊》（CB/T 3795-1996）船舶行業標準。該標準規定船舶上排、下水用氣囊的定義、結構尺寸、產品標記、技術要求、試驗方法、檢驗規則、標志、包裝、運輸和貯存等，這對船用氣囊行業來說，具有劃時代的意義。說它具有劃時代意義，是因為這項標準沒有對應的ISO國際標準，是完全由我國造船技師、企業家和標準化工程師通過千百次實踐和理論研究，總結經驗得來的，是由我國首創并制訂的一項船舶行業標準。此后，這項標準經過多次修訂，現已成為制訂船舶下水氣囊國際標準的藍本。2011年國際標準化組織正式頒布了“船舶下水用氣囊”國際標準（ISO 14409∶2011）。從此，船舶氣囊下水技術打上了“中國創造”的標志。

制訂標準的數據都是經過無數次實驗驗證和理論推導后得出來的。例如，為了驗證氣囊受壓后內部壓力的變化，首先建立氣囊囊壁受力模型（如圖1所示）；然后進行理論計算，得到垂向壓扁后的內部壓力變化規律以及強度變化規律，最后通過試驗來加以驗證。

試驗方法分成兩種。第一種稱為壓縮性能測試：氣囊先充以初始壓力，然后放在壓力機上進行垂向壓縮，每壓縮一段行程（5%D）測量一次內部壓力，得到一條內壓隨壓縮量變化的曲線。這項測試委托山東大學力學測試中心具體執行。

圖1 氣囊囊壁受力計算的模型

第二種是爆破試驗：爆破試驗的全過程通過攝像機記錄下來。這個試驗由濟南昌林氣囊容器廠獨立完成，并且在不同時期進行過多次，取得了極其寶貴的統計數據。

通過標準制訂過程中所做的理論研究和測試驗證，我們獲得了安全系數的第一手資料，實現了較高的安保信心，所以“昌林牌”氣囊在使用中從未發生因強度不足而產生爆破現象。

標準是一面鏡子，能夠檢驗我們對待產品質量的認真態度，從初創到建立科學的理論體系是一個重大飛躍，使濟南昌林氣囊容器廠獲得了這個領域權威的話語權。

自2000年起，濟南昌林氣囊容器廠開始新一輪高強度氣囊的研究與開發。經過3年的努力，終于研制成功新型氣囊。鑒于對氣囊工作機理有新的認識，新型氣囊最終定名為“高承載力多層揉壓氣囊”。經過實踐的檢驗，2005年12月通過省級科技成果鑒定并獲“山東省科學技術三等獎”。

該項成果融入了五大創新：

（1）機理創新。提出了揉壓氣囊新概念，把氣囊在船底下的運動描述為揉壓運動，是對氣囊受力機理的創新認識。根據這一機理，研制了新的橡膠配方，重點提高橡膠與骨架簾線的撕裂強度。

（2）優化簾線的布局結構。在弄清楚主應力方向的基礎上，根據氣囊工作特點優化簾線的布局，充分發揮簾線的抗爆能力。

（3）總結出一套嶄新的硫化模式，即“低溫－長時間”硫化模式，對氣囊這類層數多且較厚的特殊橡膠制品非常適用，能保證里外層橡膠硫化程度基本一致，大大提高了氣囊的強度和承載能力。

（4）創立氣囊整體壓合新工藝。在手工貼敷掛膠簾線的操作中，難免殘留空隙，這種空隙是非常危險的隱患，在橡膠硫化過程中極易造成脫層現象。對揉壓氣囊來說，提高層間剪切強度是生命力所在，比單純提高耐壓強度更重要。為了保證氣囊層與層之間更密實，經過長期的摸索，昌林創立了一套“整體雙面壓合新工藝”。采用這套新工藝后制作的氣囊不僅表面平整，層間基本無氣泡和脫層現象。

（5）采用頭部抗爆設計新結構。隨著氣囊工作壓力的提高，我們發現氣囊頭部鐵件與橡膠結合部產生的泄氣現象也增加了。這種泄氣現象如不加以杜絕，在壓力的作用下，氣囊頭部鐵件極易飛出傷人。在氣囊下水的事故中，此類由于采用一些生產質量不高的氣囊，而在氣囊下水過程發生氣囊頭部軟件飛出傷人的事故已發生數起，值得我們提高警惕。為了適應高壓的要求，昌林氣囊采用頭部抗爆設計新結構，其中囊嘴由原來的鋁合金部件改變為鑄鋼件，杜絕了安全隱患。

昌林新研制的高承載力多層揉壓氣囊的強度比原型氣囊提高48.6%，扣除增強纖維張力強度所提高33%的貢獻外，因工藝和優化結構的提高達15.6%，占整個貢獻值的32%，且這完全是屬于科技含量的貢獻值，實屬不易。新產品投放市場之后，氣囊下水船舶的噸位記錄正不斷被刷新。

3 柔性下水技術的進步

在氣囊制作技術取得突破性進展的基礎上，濟南昌林氣囊容器廠有限公司同時致力于高新船舶氣囊下水配套技術的開發與應用。2002年，第一艘萬噸級油輪“舟海油28”輪采用昌林研發的新型氣囊下水獲得成功，成為大型船舶采用柔性下水技術的起點（圖2）。

圖2 萬噸油船氣囊下水首獲成功

2010年12月，70 000噸級散貨船“新東莞1”號（圖3）在舟山市正和船廠采用昌林氣囊下水獲得成功更是錦上添花。該船總長222m、型寬32.26m、型深18m、下水質量達到13 000 t，使得大型船舶適用的氣囊下水技術取得了突破性進展。這艘船巧妙整合了昌林推出了多項氣囊下水新技術，其中有不等間距氣囊布置和氣囊拼接新方法，氣囊下水專用坡道設計以及氣囊下水的計算機程序等新舉措，從而將整個氣囊下水技術提升到新的高度。

圖3 70 000 t散貨船氣囊下水首獲成功

此處要特別提一下氣囊下水專用坡度的設計，這種稱為“雙折角變坡度”的氣囊專用坡道設計是昌林在氣囊下水實踐中總結出來的。該技術第一次正式應用于揚州國裕船舶制造有限公司新建的大型船臺和氣囊下水坡道。由于這種坡道建造要求低、投資省、施工周期短，因此該船廠僅在不到一年的時間就建成投產，這在大中型船廠建設史上堪稱奇跡。其制造的第一艘船就是載重45 000 t的“國裕海駁1號”，這是當時世界上載重噸位最大的ATB運輸船。2007年7月底，該船在昌林氣囊的支持下順利下水，創下當時氣囊下水質量突破9 000 t的記錄。后來，這種形式的坡道在采用氣囊下水的船臺改造中得到普遍推廣，成為一種創新的氣囊下水船臺和坡道形式。

氣囊下水的計算比滑道下水的計算復雜得多。由于氣囊的彈性，船體在氣囊的載運下沿著坡道滾動，每前進一小段距離，船體的縱傾角、離地的高度、船底下各個氣囊的內壓、與船底的接觸面積和排水體積都會發生變化，而且處于一種動態的平衡之中，其中大量數據的計算不依靠計算機程序是無法實現的。在理論與實踐相結合的基礎上，我們建立了大量的數學模型，于2009年開發完成第一個船舶氣囊下水計算的計算機程序。經過不斷的使用與改進，目前已經完成十幾個程序模塊的編制，其功能包括氣囊的自動配置、初始氣囊壓力的設定、氣囊下水過程中各個氣囊壓力的變化、船舶姿態的變化，以及各種運動參數、系船鋼纜的牽引力、船舶下水的速度、加速度、行程和沖程、船體結構的應力計算和強度校核等。

2011年11月20日，由我國自主研制的CP-300自升式海上石油鉆井平臺，在遼河石油裝備制造總公司由昌林承包氣囊下水首獲成功（圖4）。海洋鉆井平臺利用氣囊成功下水在當時屬國際首創，接著在2012年11月3日，我國自主研制的HTV海上風電設備安裝船“遼河一號”采用氣囊下水再次創造奇跡（圖5）。該船總長144m、型寬40m、型深10.75m，下水質量逾13 000 t，標志著裝有高端技術裝備、形狀各異的海工船舶得以利用氣囊安全下水。

圖4 海洋鉆井平臺氣囊下水首獲成功

圖5 “遼河一號”風電安裝船氣囊下水再創奇跡

在這20年中，昌林通過科技創新結出一系列豐碩成果：

·1999年5月19日，昌林在旅順采用氣囊橫向下水技術，將一艘工程船“海建3002”號順利送下水。

·2006年7月25日，昌林承包3 500m3液化氣運輸船“長能”號在湖北黃岡市利用氣囊順利下水，開創了V形底船舶氣囊下水新技術的應用。

·2008年5月，昌林協助完成了武漢“中山艦”陸上長途遷移的壯舉。氣囊遷馱全程達到625m，譜寫了一曲光輝的凱歌。

·2009年12月22日，國內自行設計、建造的首艘大噸位自航式半潛船“希望之路”號由昌林承包，并在天津濱海新區順利下水。

·2010年5月28日，昌林在天津濱海新區采用氣囊上下水技術，將一艘密擠砂樁船順利拉上船臺，進行修理后再送下水。該船樁架最大高度達75m，重逾3 000 t，為進一步研究大型特殊工程船舶氣囊上坡技術奠定了良好的基礎。

·2013年3月15日~17日，煙臺打撈局船廠建造的3 600 t打撈起重船“德浮3600”采用氣囊滾裝移位至半潛駁（圖6），再由半潛駁下潛使船舶自然漂浮的組合下水方式，開創了氣囊在平地造船下水技術中的應用。

每一次拓展，都包含著新的創意，融入了昌林人的智慧。

無限風光在險峰！昌林始終密切關注著世界造船下水技術前沿的發展，與時俱進、深入挖掘船舶氣囊下水技術潛力。公司的下一個目標是突破10萬噸級船舶的氣囊下水技術關，向更高的目標前進！

圖6 “德浮3600”打撈船利用氣囊滾裝移位至半潛駁

4 國際標準和國際應用

2011年9月1日，“船舶下水用氣囊”國際標準（ISO 14409∶2011）正式頒布；2013年5月1日，國際標準再譜新篇，第二項標準是由昌林公司主持起草編制的標準“船舶用氣囊下水的方法學（ISO 17682∶2013）”由國際標準化委員會正式發布。這兩個國際標準的頒布標志著我國創立的船舶氣囊下水新技術得到了國際認可，成為船舶下水領域中的一朵奇葩。它也標志著濟南昌林氣囊容器廠有限公司始終站在這一領域的前沿，經過20年的不懈努力，終于讓這朵創新之花燦爛綻放。

隨著氣囊國際標準的頒布，由我國發明的船舶氣囊下水技術加快了國際應用的步伐。自21世紀初，馬來西亞、新加坡、印度尼西亞、越南、日本等客商紛紛前來我國考察此項新工藝。我國通過承包國外氣囊下水工程、出售氣囊并承接技術咨詢服務等方式向國際上推廣船舶氣囊下水技術并取得了豐碩的成果。

2004年8月，馬來西亞林氏企業集團有限公司邀請昌林派遣專家組赴馬來西亞進行實地勘察，確認實施氣囊下水工藝的條件具備后，立即訂購了15只直徑1.5m的高承載力氣囊。采用氣囊下水的第一艘船下水成功后，該公司決定再添置一些氣囊，在馬來西亞東部海岸各船廠間開辟氣囊下水工程承包服務。

2007年，在地中海海濱，土耳其船廠一艘大型貨船在昌林派去的工程技術人員指導下，使用氣囊下水首獲成功。該船長120m、寬18.6m、自重3 660 t。同年，在波斯灣沿岸，伊朗的一家船廠采用氣囊，順利下水了一艘大型工程船舶，該船長110m、寬14m、自重1 800 t。

近幾年來，東南亞地區造船業方興未艾，新建的船廠大多廢棄傳統的滑道下水方式，而采用更為簡易的氣囊下水方式。這種高效、節能、環保的船舶下水方式正越來越受到國際造船界的歡迎，前景無限美好！

5 結論

濟南昌林氣囊容器廠有限公司自1993年成立以來，直至2013年第二個有關氣囊的國際標準頒布，已奮斗了二十余年，走出了一條船舶柔性下水的新路，創立了相當豐富理論和研究成果，從而使復雜的船舶下水作業變得省力、簡易和安全，為世界造船業做出了杰出貢獻。

昌林氣囊催發百舸千帆！

［作者：孫菊香 朱珉虎］