“世越”號打撈柔性氣囊設(shè)計方案

楊鵬　王偉平　蔣巖　汪有軍

摘要：2017年3月22日，沉沒1 077天的“世越”號在上海打撈局590天的緊張施工下緩緩浮出水面，舉世矚目。以側(cè)臥的姿態(tài)從44m水深整體打撈出水重達萬噸的沉船被稱作世界打撈史上的奇跡。在“世越”號打撈項目最關(guān)鍵的船頭起吊過程中，為了建立足夠的浮力，除了在難船外部安裝橡膠浮筒、鋼質(zhì)打撈浮筒等助浮設(shè)備外，新發(fā)明的內(nèi)置柔性氣囊發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。本文從試驗的角度對內(nèi)置氣囊的開發(fā)過程進行詳細介紹。

關(guān)鍵詞：“世越”號 整體打撈 柔性氣囊 浮力建立

1 概述

2014年4月16日，韓國載有476人的“世越”號客輪在全羅南道珍島郡海域發(fā)生浸水事故后沉沒。該事故造成304人死亡，142人受傷，9人下落不明。為尋找9名遇難者遺骸并調(diào)查客輪沉沒原因，2015年4月22日，韓國政府決定打撈“世越”號。通過激烈的國際競標(biāo)，上海打撈局和韓國海洋工程公司在全球25家頂級打撈公司組成的7個聯(lián)合體競標(biāo)中憑借鋼梁托底這一人性化施工方案脫穎而出。為了在難船船底安裝33根托底鋼梁，根據(jù)施工方案，需要將難船船首吊起到10m高度。由于難船在海底的凈重為7 000多噸，考慮到船體結(jié)構(gòu)較弱，為了盡可能減少集中受力和彎矩，在吊船首過程中必須想盡一切辦法來增加船首的自浮力和外部浮力。

除艙室充氣、外掛浮筒等常規(guī)助浮措施之外，為了充分利用船體內(nèi)部的空間，通過各種試驗和分析，我們開發(fā)出了一種柔性的內(nèi)置助浮氣囊，該氣囊在“世越”號打撈工程難船吊首過程中發(fā)揮了重大的作用。

2設(shè)計試驗

2.1理論設(shè)計

根據(jù)需要，內(nèi)置氣囊的內(nèi)外壓差上下限有兩個因素來決定：

（1）為了保證內(nèi)置氣囊充滿，能夠提供最大的浮力，內(nèi)外壓差必須大于某個閾值，該閾值即為氣囊上下方壓差的最大水頭壓差，這是氣囊內(nèi)外壓差的下限。

（2）由于氣囊的質(zhì)量輕，材料薄，氣囊本體有一定的強度限制，這決定了氣囊的內(nèi)外壓差不能超過某個閾值，這是氣囊內(nèi)外壓差的上限。設(shè)計的氣囊長度為10m，直徑為2m，為保證內(nèi)置氣囊始終充滿，氣囊的內(nèi)外最小壓差約為1bar?？紤]一定的余量，氣囊的材料要保證其材質(zhì)最少能夠承受1.5bar的內(nèi)外壓差。

參考氣囊蒙皮的相關(guān)理論，氣囊的計算適用蒙皮計算公式。

蒙皮計算公式：

其中P為氣囊內(nèi)向氣囊外的壓力；

和是蒙皮曲面在X、Z方向上的曲率半徑，單位為m；

和為蒙皮張力系數(shù)，單位為N/m。

假設(shè)氣囊為筒狀，，則

由此可見，氣囊的筒體部分橫向張力與氣囊的曲率半徑成正比。氣囊越大，承受同樣的內(nèi)外壓差P，對材料的強度要求越高。基于此公式，我們可以通過小樣試驗大致估算氣囊的爆破強度，從而大大提高氣囊試驗的效率，減小氣囊試驗的成本。

氣囊計劃安裝在“世越”號難船的船艙內(nèi)，舷側(cè)由于有很多結(jié)構(gòu)物而高低不平，因此要求氣囊具備一定的抗穿刺性能。考慮到需要潛水員進入船體安裝氣囊，要求氣囊重量輕且柔性好，便于在難船中安裝布放。另外，氣囊要有一定的強度，保證其不因囊體內(nèi)外差壓過大而破裂。針對以上的要求，我們進行了多方面的有針對性的試驗以保證最終設(shè)計方案的可靠。

2.2穿刺試驗

為了提高氣囊的穿刺性能，我們采用了一種新型高分子復(fù)合材料作為內(nèi)置氣囊制作本體材料，該材料為聚氨酯和改進型超高分子量聚乙烯纖維織物的復(fù)合材料，該材料具有極強的抗拉性能，普通的剪刀很難剪斷。此外，在材料外表噴涂一種得到成熟應(yīng)用的聚脲材料，從而大大增強本體的抗穿刺性能。針對穿刺試驗，我們做了若干個Φ40cm x80cm小樣（見圖2.1所示），在小樣的外表分別噴涂0.6mm、1.0mm厚度的聚脲。穿刺試驗方法：將氣囊小樣放入如圖2.2所示40cm x40cm的一個矩形鐵框中，框中的一側(cè)開孔并安裝固定螺桿，之后對氣囊小樣注水增壓，加壓過程為逐步加壓，每加壓一段時間，暫停加壓，觀察氣囊的狀態(tài)后，再進行加壓。加壓時除了查看氣囊螺桿頂壓處的狀況，也要注意氣囊的密封性能，觀察氣囊是否存在滲水、漏水的情況。

圖2.1試驗氣囊小樣尺寸圖

圖2.2試驗氣囊試驗框架

試驗通過鐵框上固定螺桿伸出的長度判斷氣囊抗穿刺能力。試驗的最大的壓力為0.4bar，選用的螺桿直徑為10mm，試驗的氣囊噴涂聚脲厚度分別為0.6mm，1mm。

試驗開始后，通過高壓水泵向試制的氣囊小樣里注水。氣囊慢慢變飽滿，螺桿端部開始接觸氣囊，隨著氣囊內(nèi)壓變大，氣囊螺桿接觸位置周邊的凹陷區(qū)域范圍越來越小，當(dāng)內(nèi)壓達到0.4bar時停止沖壓，查看氣囊破裂情況。如果氣囊破裂，則記錄此時螺桿長度；如果氣囊未破裂則卸掉氣囊的內(nèi)壓，加長螺桿長度，再次進行試驗。試驗測得的結(jié)果見表2.1，通過試驗可知，聚脲的厚度的增加能夠顯著改善氣囊的抗穿刺性能，在氣囊的外表噴涂一定厚度的聚脲材料，則可以復(fù)合出一種抗穿刺的高強度材料以滿足氣囊的設(shè)計需要。

2.3抗壓試驗

2.3.1 試驗1

氣囊的抗壓性能也是氣囊關(guān)注的特性之一。試驗時對氣囊進行持續(xù)沖壓，通過壓力表來測量氣囊爆破時的壓力值，觀察破裂形式便于后續(xù)研究。

試驗結(jié)果顯示爆破壓力為2.5bar，破裂形式為氣囊端部材料本體焊接位置出現(xiàn)撕裂。材料的熱合焊縫強度較弱，材料搭接焊縫需要進行改進。

由于我們希望能夠做直徑2m左右的氣囊，根據(jù)氣囊表面張力與曲率半徑的反比關(guān)系，要實現(xiàn)氣囊承受1.5bar的壓差，氣囊小樣最小能承受7.5bar的壓差。由此可知，氣囊的抗壓性能還需改進。

2.3.2 試驗2

總結(jié)試驗1的經(jīng)驗，我們改進了材料本體接口焊縫的焊接形式，加強了復(fù)合材料的材料強度，改變氣囊小樣的尺寸至110cm X Φ50cm，氣囊的結(jié)構(gòu)形式變?yōu)殡p層套裝形式。通過測試，氣囊的抗壓能力達到10.5bar。氣囊的破裂形式見圖2.5。

結(jié)合試驗小樣的尺寸及氣囊爆破的試驗壓力，3m氣囊的換算壓力為1.75bar。滿足1.5bar要求。在氣囊爆破之前，氣囊的水密性良好，不存在滲水、漏水的情況出現(xiàn)。

2.4綜合試驗

結(jié)合穿刺試驗和爆破試驗的測試結(jié)果，在內(nèi)置氣囊成品生產(chǎn)之前，我們做了尺寸為10mxΦ2.5m的雙層氣囊耐壓試驗。測試所用鋼框內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式按照“世越”號船體內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計。保證與內(nèi)置氣囊接觸的鋼結(jié)構(gòu)形式、尺寸與“世越”號內(nèi)部船體一致。從而較真實的模擬氣囊在船體內(nèi)的受壓狀況以檢測氣囊的抗穿刺性能和耐壓性能。如圖2.6所示，實尺寸氣囊的綜合試驗設(shè)施。氣囊置于一個大的鋼框內(nèi)，鋼框下四角各固定一個重塊，使鋼框與重塊的重力大于氣囊提供的浮力。實驗前將氣囊充滿并固定在鋼框上，并為氣囊接上充氣管。試驗時，將鐵框鋼絲掛鉤吊機上，并將氣囊內(nèi)壓加到0.5bar，之后將鐵框吊放入水，之后通過連接到氣囊充氣管上的壓力表檢測氣囊內(nèi)壓。由于氣囊端頭安裝有0.5bar的泄壓閥，當(dāng)氣囊內(nèi)外壓差超過0.5bar時，氣囊的泄氣閥開始泄氣，氣囊內(nèi)外壓差始終保持不變。

通過測試，氣囊的抗穿刺性能和耐壓性能得到了再次驗證，氣囊的工作性能良好，能夠滿足設(shè)計要求。之后，對氣囊的固定纜繩、充氣閥組進行了改進之后，氣囊的設(shè)計確定并投入生產(chǎn)。

2016年7月28日，交通運輸部上海打撈局成功實施將難船船首吊離海底10m并成功實施安裝18根鋼梁。在此過程中安裝在難船中的27只內(nèi)置氣囊成功提供了約800t浮力，該浮力沿著難船船體分布，有效地保護了難船船體受到大的集中載荷和集中彎矩。為保護難船結(jié)構(gòu)，減少船首吊力起到了關(guān)鍵的作用。

3 總結(jié)

高分子復(fù)合材料內(nèi)置柔性氣囊的設(shè)計是一個創(chuàng)新，該氣囊在打撈行業(yè)中的第一次使用比較成功，雖然在設(shè)計上還有考慮不周的情況，但是該氣囊的發(fā)明在打撈行業(yè)中為助浮開辟了第二戰(zhàn)場。該柔性氣囊重量輕、柔性大、材料強、抗穿刺，在相對復(fù)雜的難船船艙內(nèi)也可以保證完整性并提供較大的浮力。隨著該氣囊設(shè)計的不斷完善，工藝的成熟未來該高分子復(fù)合材料氣囊一定會在更多領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用。

參考文獻：

[1]飛艇氣囊壓力與蒙皮張力的估算，王文雋等，《宇航學(xué)報》第28卷第5期.