張晨晨

鋼制浮筒在“世越號(hào)”打撈工程中的應(yīng)用

張晨晨

鋼制浮筒在打撈工程中的應(yīng)用主要分為浮筒鋼纜的預(yù)埋、浮筒的沉放以及浮筒的充氣平衡三個(gè)階段。浮筒的充氣平衡是整個(gè)浮筒安裝過程中最為重要且難度較大的步驟，現(xiàn)有的浮筒充氣量與充氣時(shí)間的計(jì)算模型在工程實(shí)際中誤差很大，因此需要一套實(shí)用高效的浮筒充氣平衡方案來安全快速地完成浮筒安裝作業(yè)。

打撈工程；浮筒安裝；充氣平衡；方案

一、引言

“世越號(hào)”于2014年4月16日在航行中側(cè)翻沉沒，該船沉沒地點(diǎn)位于韓國西南方向海域，距離韓國全羅南道珍島郡觀梅島約1.5海里。難船沉沒海域水深約45米，沉船左傾90度，尾部上層建筑局部破損，左舷入泥深度約1米，泥面土質(zhì)較硬，多為碎石。對(duì)于該船決定采用將船頭起吊一定的高度，然后在沉船與泥面之間插入提升鋼梁并最終整體起吊放置于浮船塢的打撈方案。

浮筒一般布置在沉船船體首、尾線型變化較大的部位，以增加其力矩作用。[1]根據(jù)沉船的重量分布、現(xiàn)場(chǎng)浮吊船所能提供的吊力以及沉船的總縱強(qiáng)度和局部強(qiáng)度，需要在沉船首部位置安裝一對(duì)500噸的鋼制浮筒，一個(gè)在沉船甲板側(cè)，一個(gè)在沉船船底側(cè)，具體浮筒布置方式如圖1、圖2所示。

圖1 浮筒布置方式（俯視圖）

圖2 浮筒布置方式（前視圖）

浮筒的安裝主要分為3個(gè)部分：預(yù)埋浮筒鋼纜、浮筒的沉放以及浮筒的充氣平衡。沉船甲板側(cè)可安裝浮筒的空間十分有限，基本上前后誤差得控制在1.5米以內(nèi)，因此浮筒鋼纜預(yù)埋位置的準(zhǔn)確度，決定了浮筒是否能順利安裝到位；在浮筒安裝過程中，浮筒的充氣平衡階段是最為重要且難度較大的步驟。充氣起浮過程中，必須滿足兩個(gè)條件：（1）保證單個(gè)浮筒兩端的平衡；（2）保證兩個(gè)浮筒之間的相對(duì)平衡。如果這兩個(gè)條件中有一個(gè)不滿足且有較大的偏差，則有可能使浮筒有較大傾斜，抽動(dòng)浮筒鋼絲，浮筒達(dá)不到設(shè)計(jì)位置，更有可能在起吊船頭過程中發(fā)生危險(xiǎn)；另一方面，兩個(gè)浮筒設(shè)計(jì)位置高度不一致，這也就意味著采用相同的氣源對(duì)兩個(gè)浮筒進(jìn)行充氣，兩個(gè)浮筒達(dá)到相對(duì)平衡所需要的充氣時(shí)間也不一致。因此，在充氣平衡浮筒階段，需要一套實(shí)用高效的充氣方案，在充氣過程中，能夠兼顧上述的兩個(gè)條件，將浮筒安全精確地安裝到位。

二、500噸浮筒結(jié)構(gòu)及性能

打撈浮筒有硬殼和軟殼兩種，我國設(shè)計(jì)制造的鋼制浮筒有1 200噸、800噸、500噸、250噸、200噸、100噸和60噸抬浮力數(shù)種[2]，目前常用的是500噸和800噸打撈浮筒，本次打撈工程中采用的是一對(duì)500噸鋼制打撈浮筒。

1.500 噸浮筒結(jié)構(gòu)尺寸

500噸打撈浮筒長17米，直徑7.1米，浮筒主要由1個(gè)中艙、2個(gè)邊艙、空氣式內(nèi)膽、纜樁、纜孔、進(jìn)氣閥組、排氣閥、海底門、羊角、吊耳等組成，其中內(nèi)膽的主要作用是減輕浮筒的水下重量，500噸打撈浮筒空氣中全部重量約140噸，設(shè)置內(nèi)膽后在海水中僅2～3噸重[3]，這大大方便了浮筒的水下沉放及安裝作業(yè)。浮筒外殼在浮筒內(nèi)部充滿水后內(nèi)外壓差基本為零，而浮筒內(nèi)膽一般不充氣，除非在較深水域布置浮筒時(shí)需要在內(nèi)膽里充一定壓力的氣體以減少內(nèi)膽內(nèi)外壓差，因此內(nèi)膽鋼板的厚度一般比外殼鋼板的厚度要大。浮筒結(jié)構(gòu)尺寸及實(shí)體圖如圖3、圖4所示。

圖3 500噸浮筒結(jié)構(gòu)尺寸

圖4 500噸浮筒實(shí)體圖

2.500 噸浮筒性能

500噸浮筒浮力艙分為1個(gè)中艙和2個(gè)邊艙，其中中艙可提供250噸浮力，每個(gè)邊艙可提供125噸浮力，當(dāng)內(nèi)膽不充氣時(shí)，最大打撈深度為60米，當(dāng)內(nèi)膽充氣時(shí)，最大打撈深度可達(dá)140米。500噸浮筒的性能參數(shù)如表1所示。

表1 500噸浮筒性能參數(shù)

三、500噸浮筒沉放

浮筒沉放主要分為兩個(gè)步驟：一是沉放之前，按照浮筒沉放之后需要到達(dá)的設(shè)計(jì)位置進(jìn)行浮筒鋼纜的預(yù)埋作業(yè)；二是將浮筒沿著預(yù)埋的浮筒鋼纜沉放到位。

1.預(yù)埋浮筒鋼纜

浮筒鋼纜長度主要是由浮筒位置處的沉船橫剖面型線、浮筒就位后的高度以及浮筒計(jì)劃套的樁頭至纜孔的距離來確定的。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本次4根浮筒鋼纜分別處于沉船的141#、151#、165#、168#肋位，甲板側(cè)浮筒設(shè)計(jì)位置為頂端距離沉船左舷3.5米，船底側(cè)浮筒設(shè)計(jì)位置為頂端與沉船右舷齊平，鋼纜套在纜孔周圍的第四個(gè)樁頭上，經(jīng)計(jì)算4根浮筒鋼纜的長度如表2所示，浮筒鋼纜布置位置及橫剖面圖如圖5、圖6所示。

表2 浮筒鋼纜長度

圖5 浮筒鋼纜設(shè)計(jì)位置

圖6 浮筒鋼纜布置位置橫剖面圖

2.浮筒沉放

本次工程浮筒的沉放工作是由兩艘工程船首尾相對(duì)，配合完成，先放置沉船船底側(cè)的浮筒，再放置沉船甲板側(cè)的浮筒。浮筒鋼纜入水之前，先將4根尺寸小一些的鋼絲（本次工程用的是6寸的鋼絲，因?yàn)榭紤]到浮筒鋼纜設(shè)計(jì)位置沉船陷入海底泥面）分別穿過浮筒鋼纜的設(shè)計(jì)位置，然后在工程船船首和船尾留住，用以拖拉浮筒鋼纜至設(shè)計(jì)位置。

3.船底側(cè)浮筒沉放

將船底側(cè)浮筒吊放至工程船船尾，并用兩根鋼絲分別連接在浮筒兩端的吊耳上，另一端在工程船船尾留住。利用之前穿引到位的4根6寸鋼絲分別將4根浮筒鋼纜抽拉通過浮筒纜孔，并用浮筒卸扣將1#浮筒鋼纜與2#浮筒鋼纜、3#浮筒鋼纜與4#浮筒鋼纜連接在一起，然后繼續(xù)抽動(dòng)6寸鋼絲，當(dāng)2個(gè)浮筒卸扣進(jìn)入兩個(gè)邊纜孔內(nèi)部2米左右后停止抽動(dòng)。浮筒卸扣到位后，通過船尾的兩個(gè)絞車，連接兩根絞車鋼絲到浮筒令巴上作為提升鋼絲，將之前的兩根綁扎鋼絲拆除；提升鋼絲連接完成之后，工作人員連接浮筒3根浮筒充氣管線至浮筒充氣閥組上，并開啟海底閥，海水將從海底閥進(jìn)入浮筒內(nèi)，浮筒緩慢下沉，當(dāng)浮筒上表面到達(dá)接近海面的位置后，打開三個(gè)艙室的排氣閥（為了使浮筒能緩慢平穩(wěn)下沉，排氣閥開1/3左右），工作人員撤離，隨著浮筒的下沉，浮筒起吊鋼絲保持受力緩慢放松，另一側(cè)的工程船同步絞浮筒鋼纜，使浮筒逐漸沉坐在海底。船底側(cè)浮筒沉放方式如圖7所示。

4.甲板側(cè)浮筒沉放

船底側(cè)浮筒沉坐在海底之后，將甲板側(cè)浮筒吊至甲板側(cè)工程船船尾，跟之前一樣將浮筒暫時(shí)綁扎在船尾。通過浮筒內(nèi)預(yù)留的鋼絲將6寸拖拉鋼絲從浮筒4個(gè)纜孔內(nèi)抽出至工程船絞車上，使6寸拖拉鋼絲稍微受力張緊然后固定在工程船甲板上。通過船尾的兩個(gè)絞車，連接兩根絞車鋼絲到浮筒令巴上作為提升鋼絲，將之前的兩根綁扎鋼絲拆除；采用同樣的操作方式將甲板側(cè)的浮筒沿著6寸拖拉鋼絲滑至船底，整個(gè)過程中兩根提升鋼絲始終保持受力狀態(tài)。浮筒沉坐在海底之后，潛水員入水完成套樁頭作業(yè)。甲板側(cè)浮筒沉放方式如圖8所示。

圖7 船底側(cè)浮筒沉放方式

圖8 甲板側(cè)浮筒沉放方式

四、浮筒充氣

浮筒充氣是整個(gè)浮筒安裝過程中難度最大也是最為重要的階段，此階段的順利與否直接關(guān)系到浮筒安裝的成功與失敗，如果此階段出現(xiàn)問題，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的事故。[4]

實(shí)際打撈工程中計(jì)算浮筒充氣量與充氣時(shí)間所采取的方法之一，是根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程所需要的一定壓力下的氣體體積換算為常壓下的體積，再由空壓機(jī)的額定供氣量計(jì)算出所需要的充氣時(shí)間。[5]這種方法忽略了充氣過程中管路中氣體能量損失以及浮筒內(nèi)部壓力的變化，計(jì)算出的充氣時(shí)間偏短，誤差較大，有時(shí)能達(dá)到50%以上，不能滿足工程需要，因此需要設(shè)計(jì)一套安全具有工程實(shí)際的充氣方式。本次工程實(shí)際充氣過程中，采用了先將浮筒提升至設(shè)計(jì)位置，然后在充氣過程中不斷測(cè)取每個(gè)浮筒艙室的內(nèi)外壓差，計(jì)算出每個(gè)艙室內(nèi)部的氣體量，對(duì)氣體量少的艙室單獨(dú)補(bǔ)氣，從而使每個(gè)浮筒的兩端以及兩個(gè)浮筒之間相對(duì)達(dá)到平衡狀態(tài)，使浮筒平穩(wěn)的逐漸充滿。在此次工程中，多次采用這種方法完成浮筒的充氣作業(yè)，證實(shí)了其充氣的可靠性。

1.浮筒提升至設(shè)計(jì)位置

為了使沉船兩側(cè)的浮筒最終能夠處于設(shè)計(jì)位置的高度，可在對(duì)浮筒進(jìn)行充氣平衡之前，利用之前沉放浮筒的提升鋼絲將兩側(cè)的浮筒提升至設(shè)計(jì)位置。考慮到浮筒在水下的重量為4～5噸，為了減小提升鋼絲的提升力，可以預(yù)先給兩側(cè)的浮筒進(jìn)行少量的充氣。充氣時(shí)間可根據(jù)空壓機(jī)的排氣量、水深參數(shù)利用理想氣體狀態(tài)方程進(jìn)行計(jì)算，由于忽略了管路損失等影響，計(jì)算出的時(shí)間是偏短的也是偏安全的。本次預(yù)計(jì)先給每個(gè)浮筒充3立方米的氣體，空壓機(jī)排氣量為30立方米/分，浮筒上表面水深40米，計(jì)算出所需要的時(shí)間為30秒。因此，在提升兩個(gè)浮筒之前，同時(shí)對(duì)兩側(cè)浮筒的兩個(gè)邊艙充氣30秒，然后工程船利用絞車將浮筒提升至設(shè)計(jì)位置高度。浮筒提升至設(shè)計(jì)位置圖如圖9所示。

圖9 浮筒設(shè)計(jì)位置

2.浮筒充氣

當(dāng)浮筒提升至設(shè)計(jì)位置之后，即可對(duì)浮筒進(jìn)行充氣進(jìn)行平衡作業(yè)。浮筒充氣原則是先對(duì)兩個(gè)邊艙進(jìn)行充氣，然后再進(jìn)行中艙的充氣作業(yè)。為了滿足單個(gè)浮筒的平衡以及兩個(gè)浮筒之間的相對(duì)平衡，本次浮筒充氣期間在每個(gè)浮筒兩端的最高點(diǎn)安裝了測(cè)深管，測(cè)深管外接壓力表，通過測(cè)深管顯示出的壓力值，可以得知浮筒每一端的水深，從而可以判斷單個(gè)浮筒在水下的漂浮狀態(tài)。每個(gè)浮筒的3個(gè)艙室的充氣管連接至同一個(gè)氣體分配器上，氣體分配器上裝有壓力表，可以測(cè)得每個(gè)艙室的內(nèi)部壓力。浮筒充氣期間，充氣管及測(cè)深管連接方式如圖10所示。

圖10 浮筒充氣管線及測(cè)深管連接方式

在浮筒初始充氣階段，浮筒兩端的內(nèi)部氣體體積較小及兩端提供的浮力較小，且充入相同氣量的情況下，兩個(gè)邊艙內(nèi)部液面的水位下降較快，浮筒處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此最開始充氣階段，要每隔少量時(shí)間，停止對(duì)浮筒進(jìn)行充氣，通過浮筒充氣管氣體分配器以及測(cè)深管氣體分配器上的壓力表，測(cè)得每個(gè)浮筒兩個(gè)邊艙的內(nèi)部壓力以及外部壓力，從而求得每個(gè)邊艙所提供的浮力值。另外可直接根據(jù)浮筒兩端測(cè)深管測(cè)得的壓力值來判斷浮筒的漂浮狀態(tài)。如果單個(gè)浮筒中兩端高度差較為明顯，且內(nèi)部壓力不一致，則可單獨(dú)對(duì)浮筒低的一端進(jìn)行充氣，充氣一段時(shí)間后停止重新測(cè)量兩端的水深及內(nèi)部壓力，直至兩端浮力平衡，再進(jìn)行下一步同步充氣作業(yè)。如果兩個(gè)浮筒之間的浮力不平衡，即一邊浮筒的浮力大于另外一邊的浮力，則可以對(duì)浮力小的浮筒進(jìn)行單獨(dú)充氣，直至兩個(gè)浮筒浮力平衡之后再繼續(xù)進(jìn)行兩個(gè)浮筒同時(shí)充氣作業(yè)。浮筒兩個(gè)邊艙充滿之后，每個(gè)邊艙的內(nèi)外壓差應(yīng)該在7.1米左右，判斷邊艙充氣結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)是艙室有大量氣泡冒出。每個(gè)浮筒的邊艙充滿氣之后，可進(jìn)行浮筒中艙的充氣作業(yè)。由于中艙為通艙，且處于浮筒的中間位置，對(duì)單個(gè)浮筒的平衡沒有邊艙的影響大，充氣速度可以較邊艙快一些。另外兩個(gè)中艙充氣過程中也要隔一段時(shí)間進(jìn)行內(nèi)外壓差的測(cè)算，內(nèi)壓可通過充氣管線氣體分配器的壓力表測(cè)得，外壓可取邊艙的外壓或者取兩端邊艙外壓的平均值。通過比較兩個(gè)浮筒中艙的內(nèi)外壓差，來判斷是否同時(shí)充氣還是將氣體量少的浮筒先充一段時(shí)間，當(dāng)兩個(gè)中艙的內(nèi)外壓差一致后再同時(shí)對(duì)兩個(gè)浮筒的中艙進(jìn)行充氣作業(yè)，直至兩個(gè)浮筒的中艙充滿氣，此時(shí)浮筒充氣作業(yè)結(jié)束。潛水員水下關(guān)閉充氣閥組及海底門，連接浮筒鋼纜，至此，浮筒安裝作業(yè)結(jié)束。浮筒邊艙和中艙內(nèi)外壓差對(duì)應(yīng)的內(nèi)部氣體體積如圖11所示。

圖11 浮筒邊艙及中艙內(nèi)外壓差對(duì)應(yīng)艙內(nèi)氣體體積

由于本次工程兩個(gè)浮筒安裝的深度不一致，因此在充氣過程中，采用同樣規(guī)格的空壓機(jī)進(jìn)行供氣時(shí)，在相同的時(shí)間內(nèi)，甲板側(cè)浮筒的內(nèi)部氣體體積小于船底側(cè)浮筒的內(nèi)部氣體體積，即甲板側(cè)浮筒的內(nèi)外壓差小于船底側(cè)浮筒的內(nèi)外壓差。為了使充氣過程中兩個(gè)浮筒的艙室氣體體積相差在安全范圍內(nèi)，可以將甲板側(cè)浮筒空壓機(jī)的排氣閥開大一些，而船底側(cè)浮筒空壓機(jī)的排氣閥相應(yīng)開小一點(diǎn)，從而使甲板側(cè)空壓機(jī)在相同的時(shí)間內(nèi)提供的氣體量多一些，在進(jìn)入浮筒艙室內(nèi)部后，可以使兩個(gè)浮筒內(nèi)部的氣體體積相差變化在安全范圍內(nèi)。

五、結(jié)論

浮筒打撈是一種常用的打撈方法，它是快速清除水域障礙、疏通航道的有效手段。浮筒打撈在打撈工程中主要分為浮筒鋼纜的預(yù)埋、浮筒的沉放以及浮筒的充氣平衡三個(gè)階段。其中浮筒充氣平衡是最為重要也是難度較大的階段，現(xiàn)有的浮筒充氣量與充氣時(shí)間計(jì)算模型誤差較大，不能運(yùn)用于工程實(shí)際中。本文提出了一種實(shí)時(shí)對(duì)浮筒各個(gè)艙室氣體體積的測(cè)量的方法，保證了浮筒充氣過程中單個(gè)浮筒的平衡以及兩個(gè)浮筒之間的相對(duì)平衡，實(shí)踐證明，此種浮筒充氣平衡方法切實(shí)可行。

[1]劉漢明,臧海鵬.沉船打撈技術(shù)設(shè)計(jì)與分析[M].青島：中國海洋大學(xué)出版社,2011：108.

[2]孫樹民,李悅.鋼制沉船打撈方法綜述[J].廣東造船,2006(1)：22-27.

[3]弓永軍,張?jiān)雒?打撈工程[M].大連：大連海事大學(xué)出版社,2012：125-127.

[4]劉漢明,何明國,劉富友,等.浮筒充氣量與充氣時(shí)間計(jì)算方法研究[M]//救撈專業(yè)委員會(huì)2003年學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.2003：48-54.

[5]盧鎮(zhèn),黃祥科.浮筒充氣量計(jì)算模型研究[J].救撈與潛水,1999(1)：26-28.

10.16176/j.cnki.21-1284.2017.10.004

張晨晨（1990—），男，交通運(yùn)輸部上海打撈局，助理工程師，碩士研究生。