“世越號”打撈采用鏈式提升器進行船首系固方法

汪有軍 王偉平 陳世海

“世越號”打撈采用鏈式提升器進行船首系固方法

汪有軍 王偉平 陳世海

在“世越號”沉船打撈中，上海打撈局按照韓國方面保護遇難者遺體、不損壞船體的打撈要求，采用了鋼梁托底，整體打撈的施工方案，對“世越號”沉船進行整體打撈。為將托底鋼梁安裝到沉船底部，采用將船首吊起，再將托底鋼梁組整體拖絞移位到沉船底部的方案。在船首吊起過程中，為保證船體的穩(wěn)定，采用由重力錨、系泊錨鏈、鏈式提升器、系泊鋼絲繩等組成的一套船首系固系統(tǒng)，對船體進行系固，確保船體在起吊后不會由于水流作用發(fā)生較大的位置移動，而影響到后續(xù)的鋼梁就位。通過對這套水下系固系統(tǒng)的設計計算分析、施工安裝以及實際應用效果的描述，對該套水下系固系統(tǒng)進行詳細介紹，以利于在其他類似項目中推廣使用。

鏈式提升器；重力錨；沉船系固

對于在海底的沉船，在打撈施工作業(yè)過程中經常面臨著沉船受到水流作用力而發(fā)生位置移動，導致后續(xù)難以進行打撈作業(yè)的情況。為了保證船體在打撈過程中的穩(wěn)定，需要對沉船進行系固。通常采用為沉船拋錨作為系固沉船的方法，但由于該方法只能防止沉船進一步的移位，不能保證船體姿態(tài)的穩(wěn)定，對于進行打撈施工效果有限。為此，考慮采用水下張緊設備，將沉船系固在安裝在水下的重力錨上，可以確保船體在水流力作用下，不會發(fā)生大的移動，有利于后續(xù)的打撈施工作業(yè)。

一、背景介紹

在“世越號”打撈工程中，上海打撈局采用了鋼梁托底、整體抬浮打撈的施工方法。在托底鋼梁組的布放過程中，需要將船首部分吊起，使船底與海床之間出現(xiàn)空檔，再將拼接成整體的鋼梁組通過拖拉移動到船體下方，在鋼梁組到位后將船體下放，并落放在鋼梁組上。

由于打撈施工水域流速較快，在船體起吊后，整體受到較大的水流沖擊力，將會在水平方向發(fā)生偏移，如果不采取措施，船體將在水流作用下來回擺動，對于后續(xù)施工造成不利影響，為此，考慮設計一套水下系固系統(tǒng)，將船首位置固定住，限制其移動范圍和運動幅度，以便在落放過程中保持船體在較小的范圍內運動，不會對下放船體到托底鋼梁上造成影響。

二、船首系固系統(tǒng)設計

根據(jù)對韓國“世越號”沉沒現(xiàn)場的水文氣象資料分析，在進行吊船首的施工作業(yè)時，可能的施工作業(yè)窗口為：水流速度小于2節(jié)，風力小于5級風，10.8米/秒，有義浪高小于1.0米。在該氣象窗口下，可作業(yè)的時間窗口約有3天。在此期間，需要完成吊船首的打撈浮筒充氣、艙室充氣、內置氣囊充氣、外置橡膠浮筒充氣、起吊索具掛鉤、系固系統(tǒng)調節(jié)等各項工作。在這些工作完成后，進行船首起吊。船首吊起后，需要2～3天的時間完成鋼梁組就位工作。在此期間，輔助施工船舶將托底鋼梁從沉船底部拖拉穿過船底，并調整到合適的位置和角度，確保船體能按照預定的位置落放在托底鋼梁上。

根據(jù)施工時的氣象條件，對“世越號”在水下船首吊起后，整體的受力情況進行分析，初步估算在2節(jié)橫向水流的作用下，整體將受到約200噸的水流沖擊力。在系固系統(tǒng)作用下，船體需要保證在受到200噸水流沖擊力的作用下，不至于發(fā)生大的位移（控制在1米范圍以內）。在設計上，考慮一定的安全系數(shù)和設計的余量，設定系固裝置的最大受力為250噸，整個系統(tǒng)的安全負荷為250噸，按照此項條件進行船首系固系統(tǒng)的設計校核。

為保持“世越號”吊起后的沉船船體穩(wěn)固，用2個250噸的重力錨作為系固系統(tǒng)的根基，在重力錨上連接50米的鏈徑為102毫米的錨鏈，作為系固系統(tǒng)的基礎。一臺300噸拉力的水下鏈式提升器通過短纜與錨鏈連接。在沉船船體上，用直徑106毫米的鋼絲繩捆綁，作為船上的系固點。系固鋼絲繩直徑106毫米，破斷拉力到達500噸，大大增強了系固系統(tǒng)的安全系數(shù)。與船體連接的鋼絲繩末端連接150米的高強度錨鏈，一方面作為系固錨鏈增加系泊強度，另一方面，錨鏈穿過鏈式提升器，作為牽引提升用工作鏈條。

在“世越號”打撈的吊船首施工中，船首系固系統(tǒng)的布置如下：

重力錨—50米錨鏈—鏈式提升器—150米系固錨鏈—250米系固鋼絲繩—80米綁船體鋼絲繩—船體，在不同的組合之間采用卸扣和鋼絲繩等進行連接。

系統(tǒng)配置圖如圖1所示。

圖1 船首系固系統(tǒng)配置圖

三、系固系統(tǒng)的安裝

“世越號”打撈船首系固系統(tǒng)的安裝主要分成三個部分：一是重力錨的安裝；二是船體部分系固鋼纜的安裝；三是鏈式提升器的安裝和預張緊。

重力錨作為水下拉力點的基礎，對于船體系固系統(tǒng)非常重要。根據(jù)海底地質條件，計劃采用抓斗水下抓挖基坑的方式，在海底挖掘出一個10米長、8米寬、5米深的基坑，將重力錨布放在基坑里面，通過重力錨的重量和擋土力，為系固系統(tǒng)提供堅實的拉力基礎。

根據(jù)設計和安裝需要，在“世越號”打撈工程中，總共制作了4個250噸的重力錨。每個重力錨放在泥面以下深度為2米的基坑中，根據(jù)現(xiàn)場測試，單個250噸重力錨可以承受210噸以上的拉力，而不會被拖拉移位。實際重力錨可承受的拉力極限由于測試條件限制，未能測到更大的拉力值。單個重力錨為長度7米、寬度5米、高度3.6米左右的梯形楔塊，混凝土澆筑而成，原預計下放到泥面以下5米的深坑中，因實際開挖基坑發(fā)現(xiàn)，泥面以下2米就是巖石層，抓斗無法繼續(xù)下挖，只能挖到泥面以下2米深度。見圖2。

圖2 250 t重力錨設計圖（單位：mm）

與重力錨連接的有50米長鏈徑76毫米的R4級高強度錨鏈，通過銷軸與重力錨上的眼板連接起來。重力錨上布置4個吊點，采用浮吊進行重力錨吊放下水。

對于單側的兩個重力錨，由于采用并聯(lián)連接，而且兩個錨塊在預拉完成后會有前后錯位，導致連接錨鏈的終端可能不會在一個位置，為保證與鏈式提升器連接的同步，采用1根直徑106毫米、長度39米的鋼絲繩，對折使用，分別連接2個重力錨，鋼絲繩的中間連接一個400噸卸扣，這個卸扣再分別與連接鏈式提升器的2根直徑106毫米、長度6.5米的短鋼纜連接，形成如圖3所示的系統(tǒng)結構。

圖3 系泊系統(tǒng)配置圖

鏈式提升器下放到位后，由潛水員進行水下與鋼絲繩的連接。鏈式提升器設計圖如圖4所示。

在船體上的系固鋼絲繩，首先在船首下方穿過直徑48毫米的牽引鋼絲繩，然后將系固的直徑106毫米的鋼絲繩引過，用200噸卸扣鎖定在船首位置，再鋪設系泊纜和錨鏈等，直到錨鏈接近到鏈式提升器位置，最后將系泊錨鏈穿引過鏈式提升器，并盡量拉緊。

整個系統(tǒng)安裝完成后，采用鏈式提升器進行船首系固系統(tǒng)的收緊。鏈式提升器的油缸和兩個擋塊結構將錨鏈的鏈環(huán)逐漸從船首方向往外牽拉，拉出提升器的錨鏈利用施工船舶的甲板絞車進行拖拉移開。鏈式提升器由主提升油缸和前后兩個擋塊A、B組成，A是固定擋塊，B為移動擋塊。

圖4 鏈式提升器設計圖

進行鏈式提升器收緊施工的主要操作步驟如下：

（1）錨鏈穿過鏈式提升器后，拉到一定位置，將固定擋塊A放下，鎖住錨鏈；

（2）B擋塊打開，將拉伸油缸進行初步伸長，直到B擋塊可以下放卡住錨鏈；

（3）B擋塊下放，卡住錨鏈；

（4）油缸略微伸長，直到B擋塊與錨鏈貼緊，A擋塊與錨鏈脫離接觸；

（ 5）打開A擋塊；

（6）提升油缸繼續(xù)伸長，拉伸錨鏈，直到油缸行程接近到底；

（7）觀察此時A擋塊的位置，確保此時A擋塊下放后可以正好卡住錨鏈，A擋塊下放，卡住錨鏈；

（8）提升油缸略微收縮，將拉力轉移到A擋塊上承擔，B擋塊上不受力；

（9）打開B擋塊；

（10）拉伸油缸縮回，到接近最小行程位置，觀察B擋塊可以下放到卡住錨鏈的位置；

（11）下放B擋塊，卡住錨鏈；

（12）將拉伸油缸伸長，直到B擋塊受力，A擋塊松弛下來；

（13）打開A擋塊；

（14）提升油缸繼續(xù)伸長，重復步驟（6）—（13），將錨鏈拉伸；

（15）當錨鏈收緊到預定的預張拉力后，測量觀察系固錨纜的狀態(tài)。

通過以上操作，用鏈式提升器將船體系固系統(tǒng)預張到一定的拉力，保證了船體吊起后在水流作用下船體將只會在較小的范圍內水平移動。由于系固系統(tǒng)預張到一定的拉力，當船體發(fā)生水平位移時，系固系統(tǒng)的拉力將會隨著水平方向移動距離的增加而大大增加，從而提供給船體一個較大的回復力。

四、計算分析

在進行船首系固系統(tǒng)的設計和施工時，通過一系列計算分析確定了系固系統(tǒng)的各項參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)進行系統(tǒng)的設計。對系固系統(tǒng)設計的計算分析有下面幾點。

（1）沉船受力的計算分析：根據(jù)施工作業(yè)的海況條件和氣象分析，初步判斷，進行船首起吊的施工將選擇小汛期間進行，整個作業(yè)窗口期間，現(xiàn)場的最大水流速度為2.5節(jié)，起吊船首時，風浪條件限定為風速在6級以下，即風速小于10.8米/秒，有義浪高小于1米。同時，在施工作業(yè)期間，沒有長涌。根據(jù)以上情況，對沉船船首起吊后的整體受水流作用力進行了計算。計算采用經驗公式，將沉船船體分成若干個微段，每段在橫向的水流作用下將會受到一個水流的作用力。船體受力圖如圖5所示。

圖5 船體受力圖

對某個微段，水流作用力Fc分成三個部分：摩擦阻力Rf，形狀阻力Rx，附加阻力Ra。

總阻力Fc=Rf+Rx+Ra。

其中：Rf=0.5×Cf×ρ×v2×S，Rx=0.5×Cx×ρ×v2×A；Ra=0.1×（Rf+Rx）；v為流速；Cf為摩擦阻力系數(shù)；S為微段水下濕表面積；Cx為形狀阻力系數(shù)；A為微段受流作用橫截面積；ρ為海水密度。

根據(jù)對船體各微段的計算，最后得到在不同流速作用下，船體船首部分吊起后，船體受到的水流作用力大小如表1所示。

由此可見，在2.5節(jié)以上的水流作用下，當船首吊起后，船體將會受到較大的作用力，這個作用力將會導致船體繞著船尾部與海底的支撐點進行旋轉，而吊起船首的浮吊只能提供垂直方向的吊力，無法提供水平方向的力來平衡該水流作用力，只能通過水下系固措施來抵消水流作用力。

表1 沉船受水流力計算結果

（2）系固系統(tǒng)預張緊力分析：對于不同的系固系統(tǒng)預張緊拉力情況，分析在船體受到不同的水流作用力下，船體將發(fā)生的水平位移情況，由此評估如何來預緊這套系固系統(tǒng)，合理進行預緊拉力的設定。

首先對于系固系統(tǒng)的懸鏈線進行分析，了解系固系統(tǒng)在不同拉力情況下的狀態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)系統(tǒng)設計，可以計算在各種狀態(tài)下的懸鏈線形態(tài)。

圖6為系固系統(tǒng)的懸鏈線模型，L1為系固鋼絲繩，L2和L3為系固錨鏈，通過鏈式提升器對懸鏈線進行收緊，導致L2的長度發(fā)生變化。在初始狀態(tài)下，系固錨鏈L2和L3以及部分鋼絲繩躺在海底，當鏈式提升器逐漸收緊時，將部分錨鏈和鋼絲繩拉離海底。

圖6 系固系統(tǒng)懸鏈線模型

在不同的拉力情況下，可以計算得到拉起系泊錨鏈長度、總體水平距離、拉力大小等參數(shù)，如表2所示。

表2 系泊懸鏈線分析結果

實際懸鏈線數(shù)據(jù)為一個數(shù)組，這些數(shù)據(jù)根據(jù)不同的需要存儲在文件中，以便分析使用。對于一個具體的預緊力，假設預拉到60噸拉力，懸鏈線上端點處于某個位置，當該端點在水平方向前后發(fā)生位置偏移后，對應的懸鏈線拉力也會發(fā)生變化，如表3所示。

表3 預張系泊懸鏈線偏移受力分析結果

對于單根懸鏈線，在預張收緊后，當上系固點發(fā)生位置偏移后，收緊的拉力將會發(fā)生變化，這將導致系統(tǒng)的回復力發(fā)生變化。部分拉力變大，部分變小，總體將導致系統(tǒng)回復到原平衡位置。對于上例，在預緊60噸拉力情況下，上系固點水平位置偏移0.3米，一端拉力將增大到174噸，另一端減小為35噸，總的回復力為139噸，該回復力將可以抵抗一定的水流作用力，使船體不會在水流力作用下繼續(xù)偏移。

（3）系固系統(tǒng)受力情況分析：考慮到水流的方向會隨著時間、潮漲潮落而變化，需要系固系統(tǒng)能夠提供兩個方向的回復力。為此，在船首的兩側，分別布置一套系固系統(tǒng)。在兩套系固系統(tǒng)張緊后，當船首吊起，船體受到一定的水流力作用時，會由于力的不平衡而發(fā)生位移，導致一側的系固懸鏈線拉緊，回復力增大，另一側的系固懸鏈線松弛，回復力減小，兩者的差值即為總體的回復力，當該力小于水流作用力時，船體會在水平方向繼續(xù)移動，當該系固系統(tǒng)的回復力與外力相等時，船體將沒有移動的加速度，達到平衡狀態(tài)。當水流作用力減小時，系固系統(tǒng)的回復力將拉著船體向相反的方向移動，回復到平衡位置。由于在整個過程中，力與船體之間的作用力較小，對于船體的運動動態(tài)作用微乎其微，在此不考慮動態(tài)作用的影響。

根據(jù)系固系統(tǒng)的預張力分析，再結合兩端系固系統(tǒng)的位置姿態(tài)等，對于在2.5節(jié)水流力作用下的船體，在水平位置偏移大于0.3米時，回復力矩將大于偏移力矩，船體將在該范圍內保持平衡。計算表格如表4所示。

表4 系泊系統(tǒng)受水流力作用下受力校核結果

根據(jù)對于系固系統(tǒng)的計算分析，對于船首系固系統(tǒng)，當系固的預緊拉力達到一定程度后，在船首吊起，船體受到預計工況條件下的水流作用力時，整個船體的運動幅度會控制在±0.3米的范圍內，對于進行后續(xù)的底部托底鋼梁的安裝和就位幾乎不會造成影響。對于船首18根鋼梁的整體安裝和就位，這套船首系固系統(tǒng)發(fā)揮了很大的作用。

五、應用效果

在進行“世越號”打撈的船首起吊階段，由于船首系固系統(tǒng)初始進行了預緊，預緊拉力在70噸左右，在船首起吊約10米高度后，吊機上的負荷增加很小，幾乎沒有變化，這與計算情況比較符合。在系固系統(tǒng)預張一定拉力后，吊機對沉船的垂直提升，系固懸鏈線幾乎不對吊力產生影響，增加的吊力很有限，而提升后，船體的水平位移對于系固系統(tǒng)上的拉力增減非常明顯。在實際吊船首作業(yè)期間，天氣狀況較好，在吊船首期間，由于正值小汛，潮水的速度較慢，現(xiàn)場也沒有出現(xiàn)惡劣的氣象狀況，整體作業(yè)相當平穩(wěn)。船首部分在系固系統(tǒng)的作用下，在水流中只有微小幅度的移動，對于后續(xù)的鋼梁穿引和就位，該套系統(tǒng)起了相當大的作用。鋼梁拖拉到位后，再進行船體的下放，此時船體在水平方向基本沒有大的移動，平穩(wěn)地進入鋼梁組的預定位置。

六、總結

本文介紹了一套海底沉船和結構物的系固系統(tǒng)，該系統(tǒng)由重力錨、鏈式提升器、系泊錨鏈和系泊鋼纜等組成，通過使用水下鏈式提升器進行系固系統(tǒng)的收緊，可以將海底沉船沉物牢牢地固定住，解決了水下缺乏大噸位牽引設備，難以對系固錨纜進行收緊的問題。

該套水下系固系統(tǒng)也可以根據(jù)需要安裝在各種海洋結構物上，通過鏈式提升器的預拉收緊，進行海洋結構物的系固穩(wěn)定，對于海洋安裝和打撈施工都具有重要的意義。

征訂啟事

《世界海運》（World Shipping）雜志于1978年10月創(chuàng)刊，由交通運輸部主管、大連海事大學主辦，國際標準刊號ISSN 1006-7728，國內統(tǒng)一刊號CN 21-1284/U，面向國內外公開發(fā)行。

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10.16176/j.cnki.21-1284.2017.10.003

汪有軍（1978—），男，交通運輸部上海打撈局技術中心副總經理，高級工程師，碩士。

王偉平（1960—），男，交通運輸部上海打撈局工程船隊書記，高級工程師，碩士。

陳世海（1972—），男，交通運輸部上海打撈局技術中心總經理，高級工程師，碩士。