升沉補(bǔ)償系統(tǒng)應(yīng)用于沉船抬撬打撈設(shè)計(jì)與實(shí)施

金桐君　蔣巖　汪有軍　朱海榮

摘 要：將被動(dòng)式深沉補(bǔ)償系統(tǒng)應(yīng)用到沉船抬撬打撈方法當(dāng)中，能夠有效地降低施工過程中由于風(fēng)浪流對(duì)抬浮駁船的作用造成的動(dòng)態(tài)載荷，從而有效地控制所有抬吊索具處于安全載荷以內(nèi)，不至于發(fā)生索具斷裂現(xiàn)象而造成災(zāi)難性的后果。本文以采用加入了深沉補(bǔ)償系統(tǒng)的沉船抬撬法而成功完成世越號(hào)沉船的打撈作為案例，對(duì)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)如何應(yīng)用于沉船抬撬打撈中，如何進(jìn)行升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的靜態(tài)性能計(jì)算，如何實(shí)驗(yàn)測(cè)試升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力以及在實(shí)際抬撬作業(yè)當(dāng)中升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的實(shí)施要點(diǎn)均做了詳細(xì)的闡述。

關(guān)鍵詞：抬撬打撈；世越號(hào)打撈；深沉補(bǔ)償；動(dòng)態(tài)響應(yīng)

中圖分類號(hào)：U676.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2017）07-0016-03

船舶抬撬法（抬吊法）是一種傳統(tǒng)的沉船打撈方法，往往采用一對(duì)方形駁船并行對(duì)稱布置在沉船兩舷的水面上，把沉船夾在中間，然后分別在駁船的內(nèi)側(cè)那一舷用起吊鋼絲和沉船連接，最后利用提升系統(tǒng)把沉船抬浮出水。國內(nèi)外曾用本方法撈起大量沉船，有的國家在打撈浮筒推廣以前，曾用雙體式打撈船抬浮海中失事的潛艇或小型軍艦。比較有名的中山艦沉船打撈就是采用雙駁船抬吊法。近幾十年，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，沉船抬撬打撈法也有了長(zhǎng)足的改進(jìn)，主要的改進(jìn)點(diǎn)在于采用的提升系統(tǒng)方面。原始的提升系統(tǒng)采用絞車加多門滑車的方法。這種方法不僅提升力有限，而且系統(tǒng)不穩(wěn)定，容易發(fā)生斷裂和卡死現(xiàn)象。后來出現(xiàn)了大噸位液壓鋼絞線同步提升系統(tǒng)應(yīng)用到抬撬打撈方法上面。采用液壓鋼絞線提升系統(tǒng)能夠大大增加提升力?？梢哉f提升噸位已經(jīng)不是制約抬撬打撈法的瓶頸因素了。同時(shí)采用計(jì)算機(jī)同步控制，液壓系統(tǒng)傳動(dòng)加速度極小、且可控，能夠有效保證整個(gè)安裝過程的穩(wěn)定性和安全性。但是該方法還是沒有解決抬吊駁船在近遠(yuǎn)海海域，惡劣海況下面由于船舶運(yùn)動(dòng)帶來的動(dòng)載荷的沖擊影響。本文將介紹在鋼絞線提升系統(tǒng)中加入升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的抬撬打撈方法。該方法應(yīng)用于世越號(hào)打撈工程中取得了成功，在國內(nèi)還屬于首次應(yīng)用。該方法能很好的解決由于船舶運(yùn)動(dòng)造成沉船抬浮過程當(dāng)中動(dòng)載荷的影響，是對(duì)沉船抬撬打撈方法一種很好的改進(jìn)。

1 升沉補(bǔ)償系統(tǒng)應(yīng)用于抬吊系統(tǒng)介紹

下圖是本實(shí)施案列中升沉補(bǔ)償系統(tǒng)加入到雙駁船抬吊鋼絞線提升系統(tǒng)的總布置圖。

上述圖中的標(biāo)記分別為：1、抬浮駁；2、起吊鋼絲；3、導(dǎo)向滾輪；4、錨頭；5、鋼絞絲；6、蓄能器；7、緩沖油缸；8、鋼絞線提升油缸；9、托底鋼梁；10、沉船11、反力支架。

在常規(guī)的鋼絞線提升油缸8后面串聯(lián)兩個(gè)緩沖油缸，蓄能器通過高壓油管和緩沖油缸連接組成升沉補(bǔ)償系統(tǒng)。升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的作用原理如下所示：

（1）當(dāng)抬浮駁受到風(fēng)浪流作用向上抬升時(shí)，液壓油通過高壓油管回到蓄能器，緩沖油缸收縮。被吊沉船高度保持基本不變；同時(shí)每道索具的提升力保持基本不變。如下圖所示：

（2）當(dāng)抬浮駁受到到風(fēng)浪流作用向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，液壓油通過高壓油管回到緩沖油缸，緩沖油缸伸長(zhǎng)。被吊沉船高度保持基本不變；同時(shí)每道索具提升力保持基本不變。如下圖所示：

2 升沉補(bǔ)償系統(tǒng)靜態(tài)性能計(jì)算

雙駁船抬吊提升系統(tǒng)中的升沉補(bǔ)償單元是由連通的蓄能器和緩沖油缸組成的。

一個(gè)蓄能器內(nèi)氣體（氮?dú)猓┑膲嚎s和膨脹過程應(yīng)遵循氣體狀態(tài)多變的規(guī)律。理想的氣體為：

P0×V0n= P1×V1n= P2×V2n，

其中要考慮多變指數(shù)“n”對(duì)氣體特性隨時(shí)間的影響。

緩慢的膨脹和壓縮過程的狀態(tài)變化接近于等溫，多變指數(shù)可為n=1，而快速的膨脹和壓縮過程發(fā)生絕熱的狀態(tài)變化，多變指數(shù)n=k=1.4（適合于雙原子氣體的氮?dú)猓?。本?shí)施案例屬于后者。

升沉補(bǔ)償系統(tǒng)油壓在不同緩沖油缸活塞桿升縮量條件下的計(jì)算公式如下：

P3'=P1/（（P1/P2）0.714-⊿V/V1）1.4

P1=充氣壓力（根據(jù)工程需要設(shè)定）

P2=充油之后的壓力，系統(tǒng)最低壓力（也稱充油壓力）

D=緩沖油缸活塞桿直徑（m）（本案例中D=0.32m）

Y=緩沖油缸位移量（mm） （Y取值0mm～1100mm）

⊿V=緩沖油缸位移有效容積變化（L），⊿V==0.785*D2*Y

V1=蓄能器容積（L）（本案例中部分緩沖油缸配300L，部分配了400L）

P3'=緩沖油缸收縮之后壓力P3

F=對(duì)應(yīng)雙緩沖油缸的載荷（t）

以下是本實(shí)施案例中特定充氣壓力和充油壓力條件下的壓力（載荷）-行程計(jì)算樣表。

在使用過程當(dāng)中通過設(shè)定不同的P1，P2值來達(dá)到我們對(duì)整個(gè)緩沖系統(tǒng)的使用要求。

3 升沉補(bǔ)償系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能

升沉補(bǔ)償系統(tǒng)要應(yīng)用到雙駁抬吊提升系統(tǒng)之中真正起作用，還需要校核該升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速率。只有在該系統(tǒng)的響應(yīng)速率大于環(huán)境載荷的變化速率時(shí)才能夠百分之百發(fā)揮該升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的能力。

在本實(shí)施案列中，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)，測(cè)試該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速率。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿缦滤荆?/p>

采用4個(gè)緩沖油缸2個(gè)一組對(duì)頂?shù)姆绞竭M(jìn)行試驗(yàn)，在其中的一組緩沖油缸側(cè)布置兩個(gè)激震小油缸。保持兩組緩沖油缸油壓設(shè)置完全一致。通過控制激震油缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)推動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。測(cè)量記錄整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)性能。在該試驗(yàn)系統(tǒng)中，2組緩沖油缸分別模擬提升系統(tǒng)和重物。激震油缸則模擬了環(huán)境載荷。試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)如下：

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論：

（1）該試驗(yàn)已經(jīng)模擬出緩沖系統(tǒng)8s周期內(nèi)，±15cm的性能。實(shí)際緩沖能力在該性能之上。

（2）由于受限于激震油缸（模擬環(huán)境載荷）的能力：其本身的全行程運(yùn)動(dòng)周期在15秒以上，推力只有40t，還沒辦法試驗(yàn)出該系統(tǒng)的完整能力。后續(xù)可以改進(jìn)試驗(yàn)方法繼續(xù)進(jìn)行性能的試驗(yàn)。

4 升沉補(bǔ)償系統(tǒng)在抬撬打撈作業(yè)當(dāng)中的實(shí)施

4.1 加載離底階段

在加載離底之前，所有蓄能器充氣到初始?jí)毫?，在不補(bǔ)油階段充氣壓力即緩沖系統(tǒng)的最小壓力。在實(shí)際施工過程當(dāng)中蓄能器的充氣壓力值設(shè)定成該處1.2倍的計(jì)算離底載荷。但是同時(shí)這個(gè)初始?jí)毫χ祵?duì)應(yīng)載荷（最小載荷）還遠(yuǎn)小于安全載荷。沉船的離底過程是對(duì)所有吊索同步分步驟加載的過程。按照設(shè)計(jì)載荷的30%，50% ，60% ，80% ，90%，100%百分比同步分步驟加載。到載荷加到100%附近時(shí)，沉船部分點(diǎn)開始提升，部分點(diǎn)還是沒有動(dòng)。此時(shí)停止已動(dòng)吊索的加載，而繼續(xù)同步小幅增加不動(dòng)處的載荷，直至所有的吊索向上提升，沉船整體離底。

在提升油缸逐級(jí)加載過程當(dāng)中，緩沖油缸的狀態(tài)如下：

（1）在加載的初始階段，外部負(fù)載小于最小載荷，緩沖油缸內(nèi)壓力保持不變，緩沖油缸伸到頂；

（2）在離底過程當(dāng)中如果部分點(diǎn)載荷加大到超過緩沖油缸的最小載荷，那么該處的緩沖油缸開始被壓縮。

4.2 提升階段

離底之后，液壓鋼絞線同步提升，沉船慢慢上升，伴隨著沉船浮出水面，沉船的重量慢慢增加，索具的載荷也慢慢增加。此時(shí)根據(jù)需要對(duì)緩沖油缸進(jìn)行補(bǔ)油，整體提高緩沖油缸的負(fù)載變化區(qū)間。同時(shí)為了保證所有的索具不過載，溢流閥設(shè)置了最高壓力，保護(hù)最大負(fù)載。設(shè)置溢流閥保護(hù)最大負(fù)載具有以下特點(diǎn)。

（1）最大外負(fù)載值可以根據(jù)理論強(qiáng)度計(jì)算值設(shè)定，但該最大負(fù)載值還保留所有索具強(qiáng)度具有一定的安全余量。

（2）當(dāng)有些提升點(diǎn)超過這些值時(shí)自動(dòng)卸載，最大的卸載距離為當(dāng)時(shí)的活塞桿位置收縮到頂?shù)木嚯x，此時(shí)載荷在各吊索點(diǎn)之間自動(dòng)平衡，直至所有的點(diǎn)都小于這個(gè)值；

（3）當(dāng)提升點(diǎn)外負(fù)載小于這個(gè)設(shè)定的最大負(fù)載值時(shí)，提升負(fù)載值不變化。

（4）當(dāng)提升負(fù)載在充油載荷（最小載荷）與最大負(fù)載值之間時(shí)，油缸壓縮。

（5）處理好過載保護(hù)和緩沖距離的相互關(guān)系，在不過載的前提下適當(dāng)對(duì)系統(tǒng)充油使緩沖油缸活塞處于較大的伸長(zhǎng)量，這樣緩沖油缸具有較大的緩沖距離。

5 總結(jié)

帶升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的沉船抬撬打撈方法可適用于復(fù)雜海況、打撈噸位大、作業(yè)效率高、不受水深限制等優(yōu)點(diǎn)，成為大噸位大水深沉船打撈的核心技術(shù)之一。本方法在世越號(hào)打撈工程當(dāng)中得到了成功應(yīng)用，起到了關(guān)鍵的作用。其中的設(shè)計(jì)理念和方法可以為同類型的工程提供借鑒作用。同時(shí)后續(xù)可以在升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)償性能，適應(yīng)地極限惡劣海況方面做進(jìn)一步的研究，得到該系統(tǒng)更加精確的使用性能和應(yīng)用范圍。

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