橡膠頂升氣囊在水下工程中的應(yīng)用

楊鵬　汪有軍　蔣巖　王偉平

摘 要：2017年3月22日，在韓國珍島海域，交通運(yùn)輸部上海打撈局經(jīng)過590天的艱苦奮戰(zhàn)，在這一天成功將沉沒1077天的“世越號”成功打撈上岸。在 “世越號”打撈工程中，最艱難的工程為難船鋼梁的穿引工作，為了探索有效的鋼梁穿引方法， 打撈人員進(jìn)行了不懈的嘗試和探索。探索中積累的很多經(jīng)驗(yàn)值得探索和討論。其中一個(gè)嘗試為利用2只Φ3.5m x 9m助浮氣囊置于船底進(jìn)行海底頂升試驗(yàn)。經(jīng)過精心的準(zhǔn)備和嘗試，在橡膠氣囊充氣達(dá)到3bar壓力，高壓氣囊成功將難船船尾頂起20cm以上， 驗(yàn)證了高壓氣囊在水下施工中能夠起到一定的作用，產(chǎn)生一定的價(jià)值。 本文從應(yīng)用原理方面分析了這次試驗(yàn)，對橡膠氣囊頂升方法在難船打撈工程中的應(yīng)用進(jìn)行了探討和思考。

關(guān)鍵詞：世越號；打撈工程；橡膠氣囊；頂升；搬運(yùn)

中圖分類號：U676.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）07-0022-03

橡膠氣囊在我國的工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。其主要應(yīng)用有水中助浮、管道堵塞、制作混凝土構(gòu)件以及提升轉(zhuǎn)運(yùn)等。 其中高壓氣囊提升搬運(yùn)技術(shù)尤其是該技術(shù)在船舶下水領(lǐng)域的應(yīng)用自1981年試驗(yàn)成功以來，經(jīng)過了三十多年的發(fā)展已經(jīng)形成了比較成熟的工藝，相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)也較為全面。 迄今為止，我國已成功實(shí)現(xiàn)55000噸遠(yuǎn)洋散貨船利用氣囊技術(shù)順利下水。由此可見，氣囊在提供提升力方面具有很大的能力。在海洋工程和打撈項(xiàng)目中，橡膠氣囊主要是用來做船舶靠墊或是用于助浮和管道封堵，但在利用氣囊頂升力方面還有很大擴(kuò)展和開拓的空間。

本次“世越號”項(xiàng)目，首次使用3.5米直徑巨型氣囊作為助浮工具固定在船體結(jié)構(gòu)上，輔助船頭起吊作業(yè)，在整個(gè)打撈項(xiàng)目中起到了關(guān)鍵作用。 然而，相對于氣囊所提供的浮力，橡膠氣囊在頂升方面的巨大功能在岸上工程中也漸漸發(fā)揮。 利用氣囊的這種頂升能力在岸上大型結(jié)構(gòu)件搬運(yùn)和新船下水方面有很廣泛的應(yīng)用。 其中交通運(yùn)輸部廣州的打撈局在打撈“南海一號”古沉船中，成功使用了高壓氣囊轉(zhuǎn)運(yùn)打撈沉箱至水晶宮中的方案。 但是在國內(nèi)外以往的打撈和海洋工程施工中，還沒有任何在海底進(jìn)行沉船頂升和轉(zhuǎn)運(yùn)的應(yīng)用和嘗試。 這次由于韓方提供的地質(zhì)條件不準(zhǔn)確，在“世越號”船尾穿引高吊梁的過程中暫時(shí)遇到了困難，在這個(gè)背景下，利用橡膠氣囊的巨大頂升力將難船船尾頂起的嘗試成為可能。 如若能夠?qū)㈦y船頂?shù)筋A(yù)定高度，順利穿引鋼梁，對于項(xiàng)目而言，是最經(jīng)濟(jì)高效的。 即使效果有限，在方法探索過程中遇到的困難，積累的經(jīng)驗(yàn)和方法對我們探索新方法和新打撈工藝也是一個(gè)非常大的幫助。

1 氣囊頂升試驗(yàn)原理

1.1 氣囊頂升原理

氣囊能夠提供很大的頂升力主要是依靠氣囊的內(nèi)壓和接觸面積，接觸面積越大，內(nèi)壓越高，提供的頂升力就越大。單個(gè)氣囊的接觸面積與頂升起始高度、氣囊的直徑有關(guān)。

如圖1所示，在無限制的充氣狀態(tài)下， 氣囊的半徑為R， 若受到高度為S的空間限制，氣囊半徑為S/2， 假設(shè)不考慮橡膠的彈性伸長，氣囊的截面周長為定值，此時(shí)氣囊與重物之間的接觸長度的計(jì)算公式為：

這時(shí)單位長度氣囊能夠提供的頂升力為：

以“世越號”現(xiàn)場頂升試驗(yàn)所用氣囊為例，其直徑為3.5m，長度為9m， 爆破內(nèi)壓為5Bar?？紤]到一定的安全系數(shù)，最大試驗(yàn)相對內(nèi)壓取3Bar，通過計(jì)算不同的限制高度下氣囊可提供的頂升力，所得結(jié)果如圖2所示。 根據(jù)圖中所示， 如果船體與海底有0.2m的空間，此時(shí)放入氣囊，充氣到相對內(nèi)壓3Bar，則每米氣囊能夠提供165T左右的頂升力，9米的單個(gè)氣囊可提供1500T左右的頂升力。當(dāng)然，隨著氣囊的頂升，空間高度變大，接觸面積減小，氣囊的頂升能力會有一定的減弱。例如同樣的氣囊，在限制高度為1米時(shí)，充入相對內(nèi)壓3Bar的氣體，每米氣囊的頂升力為120T，9米單個(gè)氣囊可提供1080T的頂升力。實(shí)際試驗(yàn)中，在給氣囊充氣過程中，難船會隨著氣囊內(nèi)壓力的變化抬起。隨著限制高度的減小，接觸面積越來越小，同時(shí)，隨著難船支點(diǎn)的前移，抬浮變得越來越困難。

1.2 難船在頂升過程中的運(yùn)動

圖3為氣囊頂升的示意圖，在完成前端鋼梁組的安裝之后，難船尾部懸空翹起。根據(jù)初步估算，難船的重心位于鋼梁組靠船尾末端附近。 此時(shí)，設(shè)氣囊綜合作用力力臂為L1+L2， 重力的綜合作用力力臂為L2，此時(shí)杠桿的放大系數(shù)為1+L1/L2。若氣囊將難船頂起，支點(diǎn)前移S，此時(shí)，此時(shí)杠桿的放大系數(shù)為1+L1/（L2+S），杠桿放大系數(shù)減小 ，頂升作用效果會變得越來越差。 故如要成功將重物頂升到一定的高度，氣囊在初始階段需要儲備充足的冗余頂升力。 隨著空間的減小，氣囊的接觸面積減小，冗余的頂升力可以彌補(bǔ)頂升潛力的損失。

2 應(yīng)用試驗(yàn)

2016年10月，韓國“世越號打撈工程”現(xiàn)場，由于海底泥質(zhì)堅(jiān)硬，為了提高效率，尋找更有效的鋼梁穿引方法，考慮到橡膠氣囊在船舶下水以及重物轉(zhuǎn)移過程中的經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)人員結(jié)合現(xiàn)場用于助浮的大型橡膠氣囊以及難船頂升的具體需求，提出了氣囊頂升方案。 本方案通過在難船船底與海底之間的空隙安裝氣囊充氣將難船頂起一定高度以改善難船與海底的相對狀況，如果更為樂觀，甚至可以直接進(jìn)行鋼梁穿引作業(yè)。

如圖4—圖5所示的為橡膠氣囊安裝工裝示意圖。在安裝氣囊之前，需要將氣囊鋪平展開，并用方鋼夾緊。在方鋼的兩端與牽引工字鋼之間連上配重錨鏈，方鋼之間用鋼絲繩連接。待氣囊安裝到位后，潛水員入水將方鋼拆除。氣囊的端頭盲板與牽引工字鋼相連，保證在充氣初始階段，氣囊的端頭不會翹起，減小氣囊逸出水面的風(fēng)險(xiǎn)。為了保證氣囊的安裝空間，氣囊安裝位置船體距海底有60cm以上的空間；為了保證氣囊不被刺破，此安裝空間區(qū)域的所有尖銳的障礙物均被清除。 在安裝完畢之后，氣囊的兩端用鋼絲與船體之間進(jìn)行固定。之后潛水員潛水將充氣管線與氣囊對接，并開始充氣頂升。

2.1 限制因素

盡管思考了很多可能出現(xiàn)的問題，盡最大努力做了準(zhǔn)備。 由于是第一次嘗試，缺乏施工經(jīng)驗(yàn)，該方案在實(shí)施之前還是面臨如下限制和不確定性：

（1）難船的支點(diǎn)不確定，且隨著難船頂起，支點(diǎn)的移動情況不確定，對于頂升力的大小很難估算；若氣囊頂升作用位置距支點(diǎn)較近，則所需頂升力小，難船可以提升的空間較高。理想情況可以將限制空間擴(kuò)展到1m以上高度；若氣囊頂升作用位置距支點(diǎn)較遠(yuǎn)，則所需頂升力大，在內(nèi)壓限定的情況下，氣囊提升的高度較小，頂升效果有限。

（2）海底狀況復(fù)雜，橡膠氣囊的耐磨性和抗穿刺性不確定；

（3）氣囊硫化時(shí)由于是折疊狀態(tài)，在準(zhǔn)備安裝之前撐開時(shí)，氣囊肩部有很高的隆起。另外，用于充氣的組件尺寸較大。這些因素導(dǎo)致橡膠氣囊安裝高度提高到了0.6m，這大大減小了氣囊的頂升能力。

（4）氣囊的爆破壓力為5Bar，雖然氣囊在限制條件下，爆破壓力會有一定的提升，但考慮到安全，氣囊內(nèi)壓最大限制為3bar。這一定程度上限制了氣囊的頂升力。

（5）船體的強(qiáng)度尤其是上層建筑的鋼結(jié)構(gòu)較弱，為了保護(hù)難船結(jié)構(gòu)不致破壞，頂升位置只局限于主船體結(jié)構(gòu)，這大大縮小了氣囊的接觸面積。

（6）由于氣囊在海底充氣存在浮力，必須保證氣囊的頭部在船體以下且需固定。此時(shí)使用較長氣囊便存在氣囊兩端由于浮力牽引氣囊浮出水面的風(fēng)險(xiǎn)，只能采用端部能縮在船底的短氣囊。這使得氣囊的頂升能力進(jìn)一步縮小。

（7）單只氣囊安裝時(shí)所需的空間為5m，這占據(jù)了很大一部分鋼梁穿引的空間，對鋼梁的穿引起到了一定的妨礙作用。這限制了使用氣囊的個(gè)數(shù)，進(jìn)一步約束了頂升力。

2.2 頂升過程

在頂升之前，潛水員在難船兩側(cè)各安裝一個(gè)重錘，重錘接觸海底。之后，工程師在施工船甲板根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行充氣（見圖6），整個(gè)充氣過程中通過壓力表及測深表來監(jiān)控氣囊的參數(shù)。壓力表用來測量氣囊內(nèi)部壓力，測深表用來監(jiān)測氣囊充氣口深度，以確定氣囊狀態(tài)是否正常。

為了安全起見，在充氣達(dá)到預(yù)期的壓力值并停止充氣后。潛水員開始潛水測量重錘離底高度，兩次氣囊試驗(yàn)結(jié)果見表1。 由于其中一個(gè)氣囊的壓力下降較快保不住壓，表中所示數(shù)據(jù)為測量瞬間氣囊內(nèi)壓讀數(shù)。后經(jīng)過潛水檢查，泄壓氣囊充氣口出現(xiàn)破口并漏氣，無法保壓，其能夠提供的頂升力計(jì)算很難確定。

3 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

由于試驗(yàn)氣囊是按照助浮的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造的，很多設(shè)計(jì)如充氣組件等并不符合頂升氣囊的要求，綜合來看，氣囊頂升的效果在預(yù)期之內(nèi)，但很遺憾的是一只氣囊充氣口出現(xiàn)了破損無法保壓， 氣囊沒能將難船頂?shù)嚼硐氲母叨取?不過通過這次試驗(yàn)，我們對橡膠氣囊的水下施工遇到的問題有了深刻的思考和認(rèn)識，有助于我們對技術(shù)的應(yīng)用有更多的掌控和把握。

氣囊水下應(yīng)用會遇到很多異常復(fù)雜的困難，所以施工過程中遇到的挑戰(zhàn)很大，需要注意的問題也很多。但是如果能夠克服困難，全面思考，充分利用氣囊的能量，則可以花小力氣辦大事，提高施工效率，為水下施工借住浮力、吊機(jī)吊力之外尋找到新的借力。

就目前的問題，氣囊水下頂升還存在很大的問題：

（1）優(yōu)化大型氣囊硫化工藝，縮小氣囊鋪平的凈高，從而縮小可用的限制高度以充分利用氣囊充氣過程中的頂升力。

（2）加大氣囊的抗穿刺性和耐磨性，可以考慮外敷抗穿刺耐磨材料。面對復(fù)雜的海底情況，保證氣囊的可靠性十分重要。

（3）根據(jù)具體情況加大氣囊的爆破極限，確定氣囊的安全使用范圍。

（4）通過計(jì)算和理論試驗(yàn)了解在限制狀況下的氣囊的爆破能力的變化，盡最大可能提升氣囊的利用范圍。雖然通過理論計(jì)算，小曲率半徑氣囊的抗爆性能較大曲率半徑氣囊的抗爆性能會有所提高，但是在實(shí)際施工中仍缺乏相關(guān)的試驗(yàn)來驗(yàn)證。

（5）研究注入高壓水方式頂升的工藝，減小水下施工的風(fēng)險(xiǎn)。

（6）氣囊安裝工藝的優(yōu)化，進(jìn)一步減小氣囊安裝空間，提升接觸面積。

1981年在內(nèi)河船廠缺乏下水滑道這一困難的背景下，技術(shù)人員提出了氣囊置于船底下滾動下水的構(gòu)想并進(jìn)行了不懈的試驗(yàn)嘗試，最終試驗(yàn)成功。 經(jīng)過幾十年的發(fā)展，由于該技術(shù)成本低、效率高、可靠性好，目前這一技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟并在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 通過不斷的理論、實(shí)踐積累，水下氣囊頂升技術(shù)，甚至水下重物搬運(yùn)技術(shù)最終都能走向成熟，從而引起打撈技術(shù)的革新和突破。

參考文獻(xiàn)：

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