کدام کیسه‌های هوای لاستیکی برای راه‌اندازی کشتی و همچنین نجات کشتی مناسب هستند؟

اصول اساسی استفاده از کیسه هوا لاستیکی در راه اندازی کشتی و نجات دریایی

مکانیک مشترک در عملیات راه اندازی کشتی و نجات با استفاده از کیسه هوا لاستیکی

اصل فیزیکی کیسه‌های هوا که از لاستیک ساخته شده‌اند، در هر دو مورد راه‌اندازی کشتی‌ها و انجام عملیات نجات دریایی تقریباً یکسان است. این دستگاه‌ها به شناوری کنترل‌شده ایجاد شده توسط غشای مقاوم لاستیکی خود متکی هستند. در هنگام راه‌اندازی کشتی‌ها، قرار دادن کیسه‌های هوا در زیر بدنه می‌تواند اصطکاک با زمین را تا حدود 68 درصد کاهش دهد، مطابق تحقیقات منتشر شده در نشریه فناوری دریایی در سال 2020. این موضوع باعث می‌شود حرکت دادن کشتی‌های بزرگ از داک خشک به آب‌های آزاد بسیار آسان‌تر شود. در مورد عملیات نجات، اصل کار همان است، اما نتیجه متفاوت است. کیسه‌های هوا با بیرون راندن آب دریا، نیروی بالابری ایجاد می‌کنند که می‌تواند از 250 تن در هر دستگاه فراتر رود. این سازه‌های مقاوم از بین شش تا هشت لایه پارچه سیمی ساخته شده‌اند که در فرآیند لاستیک‌کاری با یکدیگر به هم پیوسته‌اند و حتی در شرایط فشار بسیار زیاد در هر دو کاربرد، بسیار خوب عمل می‌کنند.

نیازمندی‌های کلیدی عملکردی کیسه‌های هوای لاستیکی در دو کاربرد

کیسه‌های هوا دو منظوره باید سه معیار اصلی را داشته باشند:

1. مقاومت در برابر فشار : تحمل فشار 0.08–0.12 MPa بدون تغییر شکل
2. پایداری زیست‌محیطی : مقاومت در برابر آب شور، تابش UV و سایش
3. انعطاف پذیری عملیاتی : عملکرد مطمئن در محدوده دمایی -4°F تا 140°F (-20°C تا 60°C)

ترکیب پیشرفته لاستیک، استحکام پارگی بیش از 45 kN/m را فراهم می‌کند در حالی که پس از 500 چرخه فشرده‌سازی، 92٪ الاستیسیته خود را حفظ می‌کند (گزارش مهندسی دریایی، 2022). مدل‌های دارای گواهی ISO 14409 کمتر از 3٪ حجم هوا را در هر 24 ساعت از دست می‌دهند و این امر عملکرد مداوم را در عملیات نجات طولانی‌مدت تضمین می‌کند.

نحوه تعیین مناسب‌بودن کیسه هوا بر اساس شناوری و توزیع بار

کارایی شناوری به نسبت دقیق حجم به تغییر مکان بستگی دارد. برای یک کشتی استاندارد 5000 تنی:

مهندسین دریایی توزیع بار 70/30 جلو-عقب را برای کشتی‌های زیر 55000 DWT توصیه می‌کنند تا از تغییر شکل سازه‌ای جلوگیری شود و در عین حال کنترل کشتی در هنگام راه‌اندازی و بازیابی حفظ شود، همان‌طور که در کاربردهای مهندسی دریایی .

مشخصات فنی مهم برای کیسه‌های هوا چند منظوره از جنس لاستیک

ترکیب مواد: ساختار لاستیکی با لایه‌هایی از تسمه تایر سنتزی

کیسه‌های هوا چند منظوره از کائوچو نیتریل هیدروژن‌دار ترکیب‌شده با رشته‌های مصنوعی تقویت‌کننده لاستیک تولید می‌شوند تا در برابر مواد شیمیایی مقاومت کنند و شکل خود را حفظ کنند. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که HNBR حدود 92 درصد از استحکام خود را حتی پس از 600 روز مداوم در آب دریا حفظ می‌کند. همچنین لایه‌های بافته‌شده از رشته‌های لاستیکی آن‌ها را بسیار مقاوم‌تر می‌کند؛ آنها می‌توانند فشارهای ناگهانی را بهتر از کیسه‌های معمولی تک‌لایه حدود 40 درصد تحمل کنند، مطابق تحقیقات منتشرشده در مجله پلیمرها در سال 2021. چیزی که این کیسه‌های هوا را بسیار خاص می‌کند، انعطاف‌پذیری آنهاست، با وجود این تقویت‌ها. این کیسه‌ها می‌توانند تا 35 درصد کشیده شوند قبل از پارگی، که به معنی عملکرد عالی آنها در هنگام استفاده در انتقال‌ها یا در عملیات بازیابی است که کنترل فشار بیشترین اهمیت را دارد.

استانداردهای مقاومت فشاری و دوام در محیط‌های دریایی

کیسه‌های هوا با کیفیت دریایی باید بتوانند فشار داخلی 10 مگاپاسکال را تحمل کنند و در هر سیکل کمتر از 0.5% تغییر شکل دهند. تولیدکنندگان برتر از فناوری سه لایه‌ای کردن لاستیک (وولکانیزاسیون) برای رسیدن به آستانه‌های عملکردی استفاده می‌کنند:

این استانداردها تضمین می‌کنند که محصول 5 تا 7 سال به‌طور مطمئن در شرایط جزر و مد و زیر آب کار کند.

محاسبات شناوری و نسبت حجم به بار در شرایط واقعی

ظرفیت بلند کردن با استفاده از فرمول زیر تعیین می‌شود B = V × Í × g , که در آن V حجم کیسه هوا، Í چگالی آب دریا و g نیروی گرانش است. برای یک کیسه هوا با قطر ۳ متر که ۱۲۰۰ تن وزن تحمل می‌کند:

• حجم مورد نیاز: ۱۱۰۰ متر مکعب
• حاشیه ایمنی: ۲۵٪ بیشتر از بار محاسبه شده
• فشار تزریق: ۰٫۲۵ تا ۰٫۳۵ مگاپاسکال

داده‌های میدانی از کارخانه‌های کشتی‌سازی جنوب شرق آسیا نشان می‌دهد که همبستگی ۹۸٪ بین مدل‌های نظری و عملکرد واقعی وجود دارد، هنگامی که از کیسه‌های هوا با گواهی استفاده می‌شود.

روتین‌های آزمون استاندارد شده برای کیسه‌های هوایی از جنس لاستیک قابل استفاده مجدد

ISO 22762-3 الزامات اعتبارسنجی شش مرحله‌ای را تعیین می‌کند:

1. پیری تسریع شده (دمای ۷۰ درجه سانتی‌گراد، شوری ۳۰٪، ۵۰۰ ساعت)
2. آزمون فشار چرخه‌ای (۱۰ هزار چرخه در فشار ۸ مگاپاسکال)
3. مقاومت در برابر گسترش پارگی (ASTM D624)
4. ترک خوردگی خمش سرد (ASTM D430)
5. غوطه‌وری در آب دریا (1,000 ساعت با اندازه‌گیری وزن)
6. شبیه‌سازی کامل میدانی

آزمایشگاه‌های سوم‌طرفه گزارش دادند که نرخ انطباق تولیدکنندگان در سال 2023، 89% بوده است، به‌طوری‌که 63% از شکست‌ها به دلیل یکپارچگی درزها و 28% به دلیل سیستم‌های نگه‌دارنده شیر بوده است.

تحلیل مقایسه‌ای سری Nanhai ES، S و P برای کاربردهای دوگانه

سری Nanhai ES: عملکرد در شات گذاشتن کشتی و تطبیق‌پذیری با عملیات بازیابی

در مورد راه‌اندازی کشتی‌ها، سری ES به‌خوبی برجسته می‌شود، این به خاطر سری انتهای فلزی تقویت‌شده است که وزن را به‌طور یکنواخت در سراسر بدنه پخش می‌کند و میزان تنش را در حدود 15% نگه می‌دارد. نکته جالب این است که همین مزایای ساختاری در عملیات نجات نیز دیده می‌شوند. سیستم فشار را در حدود 85% برای مدت سه روز کامل پایدار نگه می‌دارد، که در زمان برجا کردن یک کشتی غرقه و بیرون کشیدنش از آب، تفاوت ایجاد می‌کند. تمام این سازه دارای یک ساختار ترکیبی باهوش است که در برابر نیروهای پاراکننده مقاومت خوبی دارد (حدود 14 کیلونیوتون بر میلی‌متر مربع) و در عین حال قابلیت بالابری خوبی نسبت به وزن تغییر مکان داده‌شده دارد، این نسبت در حدود 1 به 2.3 است. اگر بپرسید، مهندسی بسیار قابل‌توجهی است.

کیسه‌های هوا سری S: تعادل بین انعطاف‌پذیری و استحکام برای راه‌اندازی و نجات سبک

کیسه‌های هوا سری S با رشته‌های تایر سنتتیک سه‌گانه تولید می‌شوند که باعث می‌شود استحکام خمشی آنها حدود 22 درصد بهتر از استاندارد صنعتی باشد. این امر باعث می‌شود این کیسه‌های هوا برای شرایطی که در آن کشتی‌ها باید به‌صورت مکرر از کارخانه‌های ساخت کشتی راه‌اندازی شوند، بسیار مناسب باشند. در عملیات نجات کشتی، این کیسه‌های هوا قادر به تحمل فشاری بین 300 تا 400 کیلونیوتون بر متر مربع هستند، بنابراین حتی زمانی که در زیر بدنه‌های غرق‌شده به کار گرفته می‌شوند نیز به خوبی کار می‌کنند. با این حال یک محدودیت وجود دارد - این کیسه‌ها تنها برای کشتی‌هایی با وزن کمتر از 5000 تن بارگیری مناسب هستند. آزمایش‌های انجام‌شده در شرایط واقعی نشان داده‌اند که در 85 درصد از ظرفیت بارگذاری حداکثری، این کیسه‌های هوا حتی در حالی که همزمان با سایر واحدها باد می‌کنند، بیشتر از 3 درصد تغییر شکل نمی‌دهند.

کیسه‌های هوا سری P: راهکارهای با ظرفیت بالا که برای نجات کشتی بهینه‌سازی شده‌اند

دستگاه‌های سری P به‌طور خاص برای کارهای نجات سنگین طراحی شده‌اند، با آرایش‌های طنابی دوگانه که باعث افزایش حدود 18٪‌ در فشار خروجی می‌شوند و به میزانی معادل 550 کیلونیوتون بر متر مربع می‌رسند. این مدل‌ها می‌توانند در انجام عملیات راه‌اندازی (launches) به خوبی عمل کنند، اما در موارد منحنی‌های تنگ دچار مشکل می‌شوند، چرا که شعاع خمش آن‌ها حدود 32٪ کوچک‌تر از نسخه‌های سری S است، که این امر باعث کاهش کارایی آن‌ها در کشتی‌هایی با اشکال بدنه پیچیده می‌شود. وقتی کاملاً در آب فرو روند، این دستگاه‌ها نسبت بارگذاری به شناوری بسیار خوبی دارند که به 1 به 3.1 می‌رسد. لایه‌های خارجی آن‌ها استانداردهای ISO 2230:2021 را رعایت می‌کنند و مقاومت خوبی در برابر سایش دارند، چیزی که در عملیات زیرآبی طولانی‌مدت که تجهیزات تحت فشار زیادی قرار می‌گیرند، اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.

کارایی در کاربردهای متقاطع: کدام مدل نانهای بهترین گزینه برای هر دو نقش است؟

یک مطالعه انجام‌شده در سال 2023 روی 47 پروژه دریایی، سری ES را به عنوان گزینه دو منظوره انعطاف‌پذیرتر شناسایی کرد:

با داشتن پورت‌های نظارت از راه دور از فشار و هندسه منعطف کابل، کیسه‌های هوا سری ES می‌توانند 83% از الزامات ترکیبی پرتاب و نجات را برآورده کنند که به طور قابل توجهی بالاتر از 67% برای سری S و 41% برای سری P است. سازندگان سری ES را برای پروژه‌هایی که نیازمند استفاده متقاطع بیش از 60% هستند، پیشنهاد می‌کنند.

بهترین روش‌ها در اجرای عملیاتی و استقرار

فرآیند گام‌به‌گام استقرار برای پرتاب کشتی با استفاده از کیسه‌های هوا لاستیکی

اجرای موفقیت‌آمیز استقرار شامل سه مرحله کلیدی است:

1. بازرسی‌های قبل از تزریق هوا – تأیید سلامت مصالح و هم‌راستایی آن با مرکز ثقل کشتی
2. تزریق هوا به صورت مراحلی – به تدریج فشار را با استفاده از پمپ‌های همگام به 80–85% ظرفیت افزایش دهید
3. خروج کنترل‌شده – حفظ تفاوت فشار 0.8–1.2 مگاپاسکال بین کیسه‌های هوا مجاور

تحلیل سال 2023 از 47 عملیات کشتی‌سازی نشان داد که استفاده از پروتکل‌های استاندارد منجر به کاهش 62% ای شکست‌های راه‌اندازی نسبت به روش‌های غیررسمی می‌شود.

قرار دادن استراتژیک کیسه‌های هوا برجسته کننده از جنس لاستیک در زیر کشتی‌های غرق شده

قرارگیری بهینه تعادل بین کارایی بلند کردن و ایمنی سازه‌ای را فراهم می‌کند:

اتحادیه بین‌المللی نجات دریایی پیشنهاد می‌کند که 25 تا 35 درصد از کل کیسه‌های هوا را در نقاط ضعیف کمی و عقب کشتی قرار دهید تا از شکستگی بدنه در هنگام بالا آوردن جلوگیری شود.

همگام‌سازی سیستم‌های تزریق و کنترل در عملیات بالا آوردن

در عملیات‌های مدرن از مانیفولدهای کنترل شده با PLC و دستگاه‌های اندازه‌گیری ضخامت اولتراسونیک استفاده می‌شود تا واریانس فشار در کیسه‌های هوا در محدوده 5 درصدی حفظ شود. داده‌ها نشان می‌دهند که سیستم‌های همگام‌سازی شده 92 درصد سریع‌تر از سایر روش‌ها در محیط‌های جزر و مدی سطح آب را به دست می‌آورند و خستگی ناشی از تنش را 78 درصد کاهش می‌دهند (انجمن فناوری دریایی، 2024). سیستم‌های ایمنی کلیدی شامل شیرهای تخلیه خودکار فشار و بازتوزیع بار محرک توسط هوش مصنوعی برای پاسخگویی به تغییرات بستر دریا هستند.

مطالعات موردی واقعی و روندهای صنعتی در مورد کیسه‌های هوا از نوع دوکاره لاستیکی

بالا آوردن یک کشتی باری خشک‌نشده با استفاده از کیسه‌های هوا در جنوب شرق آسیا

در سال 2023، تیم‌های نجات توانستند یک کشتی باری با وزن 12 هزار تن را که در اثر برخورد با یک سری مرجان‌های آسیب‌پذیر در آب دوباره فرو بریزد، با استفاده از کیسه‌های هوای استاندارد که برای راه‌اندازی کشتی‌ها به کار می‌روند، نجات دهند. تیم نجات 28 عدد از این کیسه‌ها را در طول سمت چپ کشتی قرار دادند و زمان تزریق هوا به آنها را با حرکت جزر و مد هماهنگ کردند. این کار به تدریج شناوری کشتی را افزایش داد و از آسیب بیشتر به مرجان‌ها جلوگیری کرد. نکته اصلی در این عملیات، نظارت دقیق بر روی افزایش‌های ناگهانی فشار بود که از 0.8 مگاپاسکال بیشتر می‌شد. این عدد به عنوان یک شاخص بسیار مهم در گزارش مواد نجات دریایی نسخه 2024 به عنوان یک معیار کلیدی برای موفقیت چنین عملیات‌هایی معرفی شده بود.

کاربرد دوگانه: راه‌اندازی یک کشتی جدید و بازیابی یک فِری‌بوت واژگون شده

در فیلیپین، یک کارخانه کشتی‌سازی محلی اخیراً از همان کیسه‌های هوا برای دو منظور مختلف استفاده کرد. ابتدا این کیسه‌ها در راه‌اندازی یک کشتی فِری بزرگ ۹۰ متری RoPAX کمک کردند و سپس ماه‌ها بعد دوباره برای نجات برادر واژگونه این کشتی از کف اقیانوس بازگشتند. چیزی که همه را وادار به تحسین کرد، مقاومت بسیار خوب تقویت‌کننده‌های الیافی ساخته شده از تایر در تمام این فرآیندها بود. این متریال دارای ۶ تا ۸ لایه بود که به اندازه کافی قوی بود نه تنها برای راه‌اندازی یک شیء با وزنی بیش از ۳۲۰۰ تن، بلکه برای تحمل هفته‌ها کشیده شدن روی رسوبات خشن کف دریا در طول عملیات نجات. پس از بازرسی کامل پس از این اتفاقات، مهندسان دریافتند که مجموع فرسایش مصالح کمتر از ۳ درصد بوده است. این یعنی این کیسه‌های هوا می‌توانند در واقع چندین عملکرد را ایفا کنند به شرطی که توزیع وزن در محدوده ایمن باقی بماند، به‌ویژه زمانی که بار از ۷۵ درصد ظرفیت مجاز سیستم تجاوز نکند.

درسهای آموخته‌شده از شکست‌های رخ‌داده در اجرای عملیات کیسه‌های نجات در محیط‌های دریایی

• کیسه‌های هوا با ظرفیت 150 تن در برابر شلیک در 80 تن به دلیل تماس نامساوی با بستر دریا دچار پارگی شدند
• کاهش کیفیت لاستیک بدون پوشش در اثر نفوذ آب شور در طول مدت زمان طولانی انجام عملیات
• عدم وجود نظارت در زمان واقعی، شناسایی نشتی را به تأخیر انداخت

این مشکلات منجر به بروزرسانی استاندارد ISO 23904-2023 شد که اکنون تقویت‌کننده‌های اختصاصی برای نجات و پوشش‌های مقاوم در برابر خوردگی را الزامی می‌کند.

پیشرفت‌های حاصله در دوام کیسه‌های هوا و سیستم‌های نظارتی هوشمند

مدل‌های جدید دارای لاینر لاستیکی 2 میلی‌متری کلروبوتیل و حسگرهای کرنش اینترنت اشیاء (IoT) یکپارچه هستند که عمر عملیاتی را در آب شور تا 40٪ افزایش داده‌اند. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که این حسگرها قادرند به پارگی‌های ریز 8 تا 12 ساعت قبل از بروز شکست قابل مشاهده پی ببرند و این امر خطرات اضطراری را تا 67٪ کاهش می‌دهد (شورای ایمنی دریایی، 2023). سازندگان اکنون طراحی‌های ماژولار ارائه می‌دهند که امکان ارتقاء کیسه‌های هوا قدیمی با قابلیت‌های نظارتی هوشمند را فراهم می‌کنند.