中国国产浮船坞技术起步比国外要晚,上世纪60/70年代,当时世界主要海军和造船大国美国、俄罗斯和英国都已经拥有了完整的浮船坞船队的时候,中国才开始展开浮船坞技术的研究。随着改革开放的发展和上世纪末本世纪初中国造船工业的跨越式发展,国产浮船坞技术取得了长足的进步。目前已经能够生产多种类型、多种吨位级别、性能技术水平较高的大中型浮船坞。
“东风”号是我国自行设计建造的第一艘万吨级远洋货船,“东风”等一系列万吨船舶的出现,对中国发展浮船坞技术提出了客观要求
第一阶段:建造万吨级浮船坞
一般认为举重量3000~4000吨以下为小型浮船坞,举重量4000~15000吨为中型浮船坞,举重量15O00吨以上为大型浮船坞。中国最早的浮船坞,属于中小型浮船坞,主要属于修理浮船坞。当时之所以不搞大中型浮船坞,主要有两个原因,第一是当时我国还没有万吨级国产船舶,没有对举重量万吨级的中型甚至大型浮船坞的使用需求;第二是国内当时还未掌握浮船坞的一项关键技术,即水下合拢技术,因此不能通过建造分段再合拢的方式来建造吨位更大的浮船坞,浮船坞建造受到技术上的限制。
我国大中型浮船坞的设计建造, 起始于六十年代末七十年代初。当时, 我国自行设计建造的第一艘万吨级远洋货船“东风”号的诞生, 揭开了我国远洋船舶发展的帷幕。七十年代,又成批建造了13000吨级“阳”字号杂货船、15000吨级“风”字号干货船、16000吨级“长”字号矿煤船、25000吨级“州”字号散货船、24000吨级油船“大庆”号等万吨级船舶. 随着远洋船舶的发展,作为修船配套设施的万吨级浮船坞也随之有所发展。为此交通部委托上海船舶设计院,组织了一批万吨级浮船坞的研究设计工作,这是中国自行研制大中型浮船坞的开始。上海船舶设计院成立于1964年,现隶属于中国船舶工业集团公司,是我国一家具有国际影响力的重要民用船舶设计单位,也是我国国产浮船坞的主要设计单位,我国大多数浮船坞都由其设计研发。
由上海船舶设计院设计,最先投产的第一艘中型国产浮船坞,是举力6500吨的钢筋混凝土浮船坞“钟山”号。紧接着,1973年,由上海船舶设计院、上海海运局和立丰造船厂组成的三结合设计小组,利用两艘万吨级废钢船改建设计了举力4720吨的“7021”号浮船坞,直接用于立丰造船厂的船只建造和维修工作。此浮船坞不但是第一艘国产钢质浮船坞,也为我国利用废钢船改建大中型浮船坞开创了先河!
紧接着,便迎来了中国70年代建造浮船坞的第一个高潮。为了改变我国当时坞修设备落后的面貌,国务院同意增建一批浮船坞,设计工作全部由上海船舶设计院承担。在这期间,该院先后设计了举重量13000吨的“黄山”号浮船坞(利用五艘废钢船改建)、举重量9000吨的“华山”号浮船坞(我国第一艘浮箱式浮船坞)、举重量13000吨的“长山”号浮船坞(能够修理“郑州”号,属于三段式钢质浮船坞)和举重量6500吨的“庐山”号浮船坞(我国第二艘钢筋混凝土浮船坞,交由获港船厂使用),并先后成功投产使用,满足了当时我国船队中1~2万载重吨级运输船坞修的需要。这一阶段由于没有解决水下合拢技术,我国的浮船坞建造主要采用浮箱式和三段式结构,其中浮箱式及其水上定位合拢建造方式得到推广和发展,成为这一时期我国浮船坞的标志性设计和建造技术。
从建造类型来看,上世纪70年代中国国产浮船坞从材质上论,主要包括钢筋混凝土和钢质浮船坞两种;就型式论,则包括浮箱式、三段组合式和整体式三种。这一时期中国已经基本掌握了大部分大中型浮船坞类型的设计和建造技术。
在设计建造的同时,我国浮船坞技术的理论也建立并发展。结合设计任务,上海船舶设计院在上世纪70年代前期曾编译了《浮坞译文集》,介绍了国外浮船坞的设计状况和技术。70年代后期又组织编写了《浮船坞文集》,这是我们自己设计人员对国外资料的消化和对自己设计经验的总结。该文集几经修改于上世纪90年代出版,书中系统叙述了浮船坞的设计原理,是一本有价值的设计参考书。
从浮船坞具体技术和子系统角度讲,70年代我国已经系统掌握了相关子系统技术。如泊碇设计,70年代设计的国产中小型浮船坞采用了靠桩钢缆泊碇和锚泊两种型式,均很成功。又如主载压系统,由于浮船坞是通过重力自流进水而下沉,用排水泵排水而上浮抬船的。因此主压载系统是浮船坞最具特色的设计项目。70年代设计的国产浮船坞均采用闸阀,采用电动驱动和电液驱动两种方式。在浮船坞的沉浮遥控遥测系统方面,70年代由于受全部采用国产设备和当时国内技术水平的限制,浮船坞遥测遥控设备比较简陋。当时浮船坞的纵倾和横倾由自制的重锤式倾斜仪来指示,压载水舱水位采用自行设计的吹气式水位计。有的还在干泵舱上方外坞墙内壁设与水舱连通的塑料透明软管来指示水位。在供电系统方面,70年代由于备战和陆上供电的不足,当时设计的浮船坞均设立主发电机组或设动力船供电。而国外浮船坞为提高经济效益多尽量靠船厂码头并由岸上供应高压电。
中国浮船坞设计建造史上的里程碑之一——“钟山”号浮船坞
第二阶段:浮船坞越造越大
上世纪80、90年代是我国浮船坞技术跨越式大发展的阶段。改革开放后,我国大载重吨的船舶增加很多,加上承接大吨位外轮修理的要求和新建大吨位船舶坞的需要,我国大吨位修船坞明显不足。由于浮船坞比干船坞具有机动性好, 可按需要进行转移;建造周期短, 投资少见效快;不占船厂的场地;水位变化适应性强,只需满足最大深沉即可工作等优点。这样一来, 浮船坞作为一种水上修造船的重工设施, 更加受到航运部门和修造船厂的关注。
于是九十年代又出现了第二个建造浮船坞的高潮。
1991年,上海船舶设计院为广州海运局菠萝庙船厂设计了一座能够修理35000吨级散货船的举力16000吨整体式钢质浮船坞“飞龙山”号,该浮船坞由金陵造船厂建造。1992年,又为上海海运局立丰船厂设计了一座能够修理63000吨级油船,举力为22000吨的整体式钢质浮船坞“浦东”号,在江苏靖江造船厂建造。1993年,该院为澄西船厂利用26万吨旧VCLL船改建设计成10万吨级浮船坞“横山”号。1994年,受上海华润大东船务工程有限公司委托,上海船舶设计院为其利用一艘VLCC 油船改装设计一座10万吨钢质浮船坞“华东”号, 由沪东船厂建造。1995年,该院为青岛北海船厂设计了80000吨级整体式钢质浮船坞,举力为28000吨,主要修理80000吨级以下载重吨级的“泰山”号,由北海船厂自行建造。此外,该院还先后建造了举力22000吨的“长兴”号浮船坞,用废矿砂船改建了举力4000吨的“玉泉山”号浮船坞。
九十年代我国已掌握了大型浮船坞浮箱的水下合拢技术,故这一时期设计的都是整体式浮船坞,且多为大型浮船坞。从使用价值看,每增加1座10万吨级(举力超过3万吨)大型浮船坞,其年修船产值可增加一亿元左右,上述大型浮船坞的建造投产使我国坞修能力大幅度增长。与此同时, 通过实践磨炼和经验积累, 我国也培养出一支训练有素的浮船坞设计研究队伍, 掌握了先进的设计手段和丰富的设计资料。
随后的时间里,我国先后建造了30万吨级“大连”号、20万吨级“中海九华山”号、“中海峨眉山”等浮船坞,我国的浮船坞制造能力和技术水平日趋成熟。特别是我国还为美国设计建造了为上排下水坞的举重量为26000~30000吨级的超大型浮船坞,还建造了浮箱长度345米,举重量为80000万吨级的世界上最大的浮船坞。可以说我国浮船坞越造越大,浮船坞设计建造水平已经达到了世界先进水平。
从子系统技术角度来看,我国这一阶段取得了突飞猛进的发展。如泊碇设计,上世纪90年代设计的大型浮船坞,除锚泊外大多采用抱桩泊碇。至今抱桩泊碇的波浪力还需要通过模型试验来求得。加上风力和流力就是各种工况下作用于系坞卡环与系坞导柱上的外力。在导柱与卡环的设计中我国应用了先进的结构分析计算程序,使多艘大型浮船坞的抱桩泊旋设计获得圆满成功。我国第一艘大型海洋浮船坞“泰山”号泊旋于青岛北海船厂码头边,停
泊处与茫茫的黄海只隔一条不高的防波堤,如遇特大台风,巨大的海浪将越过防波堤作用于坞的侧壁。受停泊处水域的限制,“泰山”坞不可能采用锚泊,故设计出能抵御大台风的抱桩泊碇装置成了该坞设计的难点。通过波浪力的船模试验,系坞导柱的稳定性和应力的分析计算,卡环结构的有限元计算解决了这一难题。该坞投产的第二年就遭遇了特大台风与海浪的袭击,抱桩泊碇装置和坞体结构均安然无恙,受到用户的高度评价。同样“华东”号浮船坞投产后,抱桩泊碇装置也承受住了大台风的袭击。
在遥控遥测系统方面,90年代的浮船坞因为采用了国内外的最新成果,在遥测遥控上已有长足的进步。在中央控制室的控制台上可以指示各压载水舱的水位,坞的四角吃水,坞的纵倾和横倾值,坞的纵向挠度值,还有控制各进水阀和分配阀的开关及阀的开度指示。主排水泵可由控制台起动和停止,并有指示其工作状况的电流表。浮船坞的供电、用电情况也在控制台上显示。还设置了与各操作部位的通讯电话和对讲机、扩音器。总之,在中央控制室已能对坞的沉浮情况了如指掌和操纵指挥自如。必要时可以设置各种声光报警,如纵向挠度、横倾、纵倾到达某一值时发出报警,再增大到某一值时还可以使主排水泵停止工作等等。测量仪表中以采用进口压力传感器的压力式水舱水位仪最普遍;也有用价格较低廉的吹气式水舱水位仪。计算机蕊片已被使用于中央控制台的控制单元。其中上海船舶设计院还开发了浮船坞的沉浮抬船配载仪,可以根据进坞船的资料计算出浮船坞下沉与上浮各时刻各水舱合适的水位以减小进坞船及浮船坞承受的弯矩和切力,供操作人员使用。这对于一些难度较大的特殊进坞很有帮助。
在供电系统方面,上世纪90年代,我国设计的浮船坞应用户的不同要求,既有设主发电机组的,也有将岸上高压电源引上坞作主电源使用的。高压岸电上坞及配电的有关设计技术均成熟过关。
“黄山”号浮船坞对“郑州”号进行坞修
“华东”号浮船坞
“中海峨眉山”号浮船坞
我国新一代自航式浮船坞的代表——“华船一号”
不足和未来展望
我国浮船坞技术自上世纪90年代以来取得了长足的进步,已具备设计建造各种类型、各种大小浮船坞的能力,设计建造水平已接近国际先进水平。但与国际领先水平相比,我们还存在一定不足。
与国外的浮船坞相比,我国设计的浮船坞结构偏重。为此应继续进行结构优化研究,找出减轻钢料的新途径。应增加计算设计的范围,将能省的钢料省下来。同时对可能产生高应力的构件和区域进行精心设计,以提高结构的承载能力。降低坞体的钢料重量对增加浮船坞的出口竞争能力大有好处。
浮船坞泊碇外力计算也有待深入研究,如各种夹角风力和流力的研究,抱桩力和锚泊力理论计算、模型试验、实坞试验的研究。精确地确定外力使设计的泊碇装置既安全又经济。此外,抬船下浮船坞的墩木受力计算,国外已有计算机程序。国内科研院所、高校和厂家应通过合作开发或引进国外的计算程序,并用它来研究墩木的承载情况,以便更合理地设置墩木。目前我国设计的浮船坞龙骨墩和边墩,其形式基本上取自干船坞,在抬船状况下要卸去承载和拆墩较为困难。应借鉴国外的设计,开发便于拆卸的龙骨墩和边墩系列。
修船极易造成对停泊水域的污染。随着环保要求的提高,必然对防污染提出新的要求。国外浮船坞已在这方面作了一些努力。我国在这方面的经验不多,应进行必要的研究。
此外,目前我国研制的大部分民用和少量军用浮船坞,均属于无动力系统的浮船坞,自航式浮船坞设计建造数量还远远不够,使用时需拖船拖带到指定海域,使用非常不方便,特别是不太适用于军用船舶的及时维修和保障。“华船一号”自航式浮船坞的服役,填补了这一空白,以后我国还应该在其基础上,建造数量更多、功能更完善的大中型自航式浮船坞,为提高我国海军舰船的坞修和海上维修保障能力,做出新的更大的贡献。