高 慧 劉森林 姜廣煜 郭 婷

（1.天海融合防務裝備技術股份有限公司 上海201612；2.上海中船船舶設計技術國家工程研究中心有限公司 上海，200114）

引 言

浮船塢（又稱浮塢），是一種用于修船和造船的工程船舶。它不僅可用于修船和造船，還可用于打撈沉船、運送深水船舶通過淺水的航道等［1］。浮船塢體型通常很大，下潛作業(yè)若靠壓載水泵往艙內(nèi)注水，在時間和成本上無疑均不現(xiàn)實，所以浮船塢通常設計為壓載排水而不設計為壓載注水，即下沉僅靠自身重力灌水，在所有進水閥均開啟的狀態(tài)下，直至最大沉深處自主停止下沉。故浮塢實現(xiàn)自主控制下沉深度并保障浮船塢的安全，浮船塢內(nèi)空氣管的長度定位顯得尤為重要［2］。本文著重研究了空氣管的長度如何影響壓載水量，如何對浮塢自主控制起著決定性作用，空氣管長度如何精確定位，以及最終交付使用前如何進行試驗以驗證空氣管的長度精確可靠等內(nèi)容。

1 浮船塢體型概況

浮船塢是整體式，由底部浮箱與兩舷塢墻組成，且連續(xù)不可分開［3］。本文以48 000 t舉力浮船塢為例進行研究分析，該塢由華潤大東建造，建造完工后用于泰國曼谷灣Leamchabang港Unithai Shipyard & Engineer Ltd 的水域。該浮船塢設計建造滿足美國船級社浮船塢［4］及中國船級社浮船塢相關規(guī)范要求［5］。

該浮船塢主尺度見表1。

表1 48 000 t舉力浮船塢主尺度 m

該浮船塢共有24個壓載艙，艏、舯、艉各8個艙。圖1為48 000 t舉力浮船塢側(cè)視圖與俯視圖。

圖1 48 000 t舉力浮船塢側(cè)視圖與俯視圖

2 浮船塢沉深與空氣管長度的關系

最大沉深吃水是浮塢下潛能力的體現(xiàn)，也是浮塢設計的一個重要指標［6］。浮船塢的下潛深度是通過壓載艙內(nèi)注入水量來實現(xiàn)，因此壓載艙內(nèi)的壓載水量至關重要，而壓載水艙中的空氣管長度將直接影響壓載艙中壓載水量的多少：

（1）如果空氣管伸入壓載艙中較長，管口距艙底高度過低，隨著壓載水位的上升，壓載水位逐漸淹沒空氣管口，空氣管口一旦被淹沒，壓載艙內(nèi)空氣則無法排出，壓載艙上部空氣便處于密封狀態(tài)，形成氣墊；艙內(nèi)部大氣壓強將會逐漸增大直至增大到浮塢外海水無法灌入艙內(nèi)，這樣將會導致浮船塢無法下潛到最大沉深處。

（2）如果空氣管伸入壓載艙內(nèi)較短，空氣管末端管口距艙底過高，在浮船塢下潛壓水過程中艙內(nèi)空氣排出無障礙，可能造成壓載水的注入量過大，使浮塢下潛深度可能超過最大下潛吃水而影響作業(yè)安全，甚至發(fā)生失控沉沒等嚴重事故。

因此空氣管長度的合理定位，是浮船塢正常、安全下潛的重要保證。在設計過程中，由于空船重量無法精確統(tǒng)計，因此設計時需防止空氣管長度過短，以免發(fā)生完工測重試驗后的空船重量與初步統(tǒng)計的空船重量差值導致空氣管長度不足問題，因為一旦空氣管路長度不足，現(xiàn)場再將管子接長則工作量巨大。當然，空氣管在艙內(nèi)的長度設計也不能過于保守，這樣將導致無謂的浪費。因此在設計階段就應合理設計空氣管長度，在空船測重試驗后，再根據(jù)浮塢的最終重量，便可精確計算各壓載艙空氣管長度。圖2為典型橫剖面示意圖。

圖2 典型橫剖面示意圖

3 空氣管長度原理解析

浮塢準備下潛作業(yè)時，開啟通海海水箱進水閥，靠自身重力自流進水至壓載艙，根據(jù)需要可通過調(diào)節(jié)進水閥的開啟大小來調(diào)節(jié)各艙進水速率和進水量，從而控制浮塢縱橫傾角度。浮船塢能自流注水運用了連通管原理，通過浮塢內(nèi)外水位壓差，把水壓進浮船塢內(nèi)，水進入塢內(nèi)壓載艙后占據(jù)壓載艙的容積，壓載艙內(nèi)相應容積的空氣則從空氣管排出。

當壓載艙內(nèi)透氣管底端被水淹沒時，隨著浮塢下沉，壓載艙繼續(xù)進水，艙內(nèi)空氣將無法通過空氣管排出。此時，艙內(nèi)氣體會被壓縮而形成氣墊，當內(nèi)外水位壓差等于艙內(nèi)外壓強差時，該艙便會停止進水，達到平衡狀態(tài)。

圖3為浮船塢壓載水艙示意圖。從圖3可見，空氣管的長度L分為兩部分：L1為壓載艙內(nèi)的長度、L2為壓載艙外伸出的長度，該長度為定值。L1為壓載艙內(nèi)空氣管長度，該段長度可控制壓載艙內(nèi)的水量。由于壓載水艙高度Hb為定值，因此也可用空氣管下端距基線的高度H0表示空氣管的位置。為方便起見，以下使用H0作為計算的參數(shù)。

圖3 浮船塢壓載水艙示意圖

當浮船塢壓載水艙中的壓載水至空氣管下端（即距離艙底H0處）時，此時艙內(nèi)上部的空氣被封閉；當壓載水繼續(xù)進入時，艙內(nèi)封閉的空氣將被壓縮，此時氣壓P1將高于外部的大氣壓P0；當外部的大氣壓P0、水壓和內(nèi)部氣壓P1平衡時，壓載水將不再升高，浮船塢可達到預期的吃水。

本文應用理想氣體狀態(tài)方程（也稱理想氣體定律、克拉培龍方程）計算空氣管在壓載艙內(nèi)的長度：

式中：P為氣體壓強，Pa；V為氣體體積，m3；n為氣體物質(zhì)的量，mol；T為氣體絕對溫度，K；R為常數(shù)，約為8.314。

該方程是描述理想氣體在處于平衡態(tài)時，壓強、體積、物質(zhì)的量以及溫度間關系的狀態(tài)方程。

對于密閉艙室內(nèi)的氣體，物質(zhì)的量n是常數(shù)，R也是常數(shù)，絕對溫度通常在下潛過程中認為是不變的，因此式（1）可表示為：

假定壓載艙為矩形艙，S底面積相同，則根據(jù)式（2）可推出：

并建立封閉艙內(nèi)的壓強P1與大氣壓P0的關系：

將式（4）代入式（3），獲得H1和H0之間的關系式：

在式（3）至式（5）中：rho為海水密度，t/m3；g為重力加速度，9.81 N/kg；P0為標準大氣壓，Pa；P1為封閉艙內(nèi)的氣壓，Pa；T為浮船塢外吃水，m；Hb為壓載水艙高度，m；H1為壓載水艙內(nèi)壓載水的高度，m；H0為空氣管下端距艙底的高度，m。

由式（5）可知，式中的3個變量浮船塢吃水T、壓載水艙內(nèi)壓載水的高度H1和空氣管下端距艙底的高度H0，已知其中2個變量可以計算出另一個變量。在設計中通常需計算出最大吃水為Tmax時壓載水艙內(nèi)壓載水的高度H1，然后通過式（5）求出空氣管下端距艙底的高度H0，從而求出壓載艙內(nèi)空氣管的長度L1，進而求出空氣管總長度L。

4 48 000 t舉力浮船塢空氣管切割應用

依據(jù)上述理論，本節(jié)以48 000 t舉力浮船塢空氣管切割作為計算實例，闡述浮船塢空氣管切割的應用。切割空氣管的目的是為了保證浮船塢能夠準確安全達到最大沉深位置。該塢最大沉深為16.0 m，初步設計估算空船重約23 762.8 t，重心縱向位置137.37 m、橫向位置0.33 m、垂向位置9.79 m。根據(jù)CCS浮船塢規(guī)范，下潛作業(yè)時，燃油淡水裝滿，通過NAPA軟件輔助配算出該浮船塢達到無縱傾無橫傾最大沉深時的各壓載艙水位，此時在浮箱甲板以下的壓載艙均已裝滿。塢墻內(nèi)各艙裝載工況見表2。

表2 最大沉深處塢墻內(nèi)各壓載艙裝載情況

從表2可知，艙內(nèi)水位H1及壓載水體積V1為已知量，以下以“第一壓載艙（左2）”進行計算舉例說明，設壓載艙液位剛好封住空氣管口時的壓載水體積為V0，根據(jù)式（2）至式（5）：

根據(jù)式（4）：P1-P0=rho·g·（T-H1）

即空氣管管口處下體積為2 973.126 m3，空氣管口距艙底距離為5.372 m，艙頂距艙底高度為19 m，所以換算出空氣管伸入艙內(nèi)的長度為13.628 m。其他壓載艙空氣管切割方法計算與之相同。各壓載艙空氣管最終長度見表3。

表3 各壓載艙空氣管最終長度

浮船塢浮箱甲板下的壓載艙是通過貼近浮箱甲板面縱艙壁上開小透氣孔，從相鄰的塢墻內(nèi)壓載艙排氣，是不設空氣管。

表3計算的精確程度完全取決于浮塢空船重量的精確性，與浮塢的空船重量、重心位置密切相關?？紤]到預估的空船重量與完工測重試驗［5］結(jié)果存在誤差性，一般建議船廠在初步理論計算基礎上每個空氣管長度留有約0.3 m的余量，在測重試驗后進行精確計算修正一次，最后浮船塢進行最大沉深試驗時，通過塢外實際吃水、各艙壓載液位以及目前空氣管長度最后進行反算后再一次修正空氣管長度，最后試驗加以驗證。

5 結(jié) 語

浮船塢空氣管切割是船廠一項很重要的工作，空氣管的長短直接影響著浮塢的下潛能力以及安全性。本文針對空氣管長度定位進行深入研究，且研究成果已成功運用到實船并通過沉浮試驗進行了驗證。本文的理論研究可用于指導船廠對浮船塢的空氣管精確切割，也能為后續(xù)浮船塢的設計提供有效參考。