半潛船改裝及起浮“世越號”穩(wěn)性校核

唐繼蔚 陳世海 段明昕

半潛船改裝及起浮“世越號”穩(wěn)性校核

唐繼蔚 陳世海 段明昕

“世越號”客船沉沒于韓國全羅南道珍島郡附近海域，當(dāng)?shù)靥鞖舛嘧?，水深達到45米，打撈作業(yè)環(huán)境惡劣，為安全把“世越號”從海底打撈出水，首創(chuàng)雙抬浮駁提升、半潛船起浮出水打撈方案。由于沉船側(cè)傾在起浮過程中無法提供足夠的穩(wěn)性，根據(jù)半潛船靜水力曲線計算結(jié)果提出半潛船改裝方案。通過GHS專用軟件模擬半潛船起浮“世越號”完整過程，不僅對半潛船穩(wěn)性進行校核，對實際起浮作業(yè)也可以起到指導(dǎo)作用。

半潛船；“世越號”；沉船打撈；穩(wěn)性校核；船舶改裝

2014年4月16日，載有476人的韓國“世越號”客船在韓國全羅南道珍島郡屏風(fēng)島以北海域意外進水并最終沉沒，事故造成295人遇難、9人失蹤、142人受傷[1]。2015年8月上海打撈局獲得“世越號”打撈合同，經(jīng)過590天的日夜奮戰(zhàn)終于在2017年3月23日成功將“世越號”抬浮出水面，之后移船到半潛船上，由半潛船將其完全起浮出水運送至木浦新港，“世越號”打撈工程圓滿完成。半潛船起浮階段是打撈工程四大關(guān)鍵階段之一，由于沉船實際重量大小和重心位置不明確，要保證沉船以側(cè)傾狀態(tài)起浮出水，這些因素都增加了起浮階段的方案設(shè)計、模擬分析和施工作業(yè)的難度。

半潛船起浮過程的模擬計算，主要通過調(diào)整半潛船的壓載水，校核半潛船載貨狀態(tài)下的船舶穩(wěn)性和總縱強度是否滿足規(guī)范與施工要求。本文利用半潛船靜水力曲線、GHS軟件等計算船舶起浮過程中的船體穩(wěn)性。由吊船首階段測得的起吊重量，估算出“世越號”沉船出水重量超13 000噸，且由于“世越號”處于側(cè)傾狀態(tài)、主船體開孔受損，沉船自身的穩(wěn)性無法計入起浮過程的模擬計算。為了滿足船體穩(wěn)性的要求提出一套改裝方案，改善了半潛船出水時的穩(wěn)性，提高了施工作業(yè)的安全性。

一、計算參數(shù)

1.半潛船

由于沉船估算重量已經(jīng)達到萬噸級，再考慮到打撈工程的不確定因素，最終選擇了Dockwise公司的“White Marlin號”半潛船，該船長216.7米，船寬63米，型深13米，沉深吃水26米，甲板空間（L×B）177.6米×63米，載重量72 146噸，最大航速可達14.5節(jié)，如圖1為半潛船整體外觀。

圖1 “White Marlin號”半潛船

2.沉船

“世越號”沉船長145米，寬22米，型深14米，空船重量6 113噸，載重量3 794噸，排水量9 907噸，在韓國國內(nèi)屬于大型滾裝客輪，沉沒于水深45米處，船體呈90°左傾橫躺于海底。根據(jù)打撈方案由33根提升鋼梁穿過沉船左舷海底面與兩艘抬浮駁船上安裝的提升系統(tǒng)連接，將沉船抬出水面約13米，移至半潛船上后起浮出水。表1為起浮過程中的沉船重量及重心距離隨水深變化估算表。

表1 沉船重量及重心距離隨水深變化估算表

3.穩(wěn)性要求及規(guī)范

半潛船初穩(wěn)性校核需要滿足如下要求：

（1）船上燃料、消耗品和備件按照10%載重計算；

（2）在風(fēng)速不超過6級、有義波高不超過0.5米或者風(fēng)速不超過4級、有義波高不超過1米時船舶初穩(wěn)性高不小于0.15米；

（3）當(dāng)半潛船下潛到最大沉深時，自由液面修正后的穩(wěn)性高不能小于0.5米；

（4）半潛船在沒有裝載任何貨物的情況下，在下潛和起浮過程中穩(wěn)性高都不能小于0.15米。

二、半潛船改裝方案

1.改裝前穩(wěn)性計算

根據(jù)Dockwise公司SC9141-100-07 70 000噸半潛船靜水力數(shù)值表查表計算，表2為半潛船在沒有任何改裝的前提下裝載“世越號”起浮出水時刻的穩(wěn)性計算結(jié)果。

根據(jù)表2的計算結(jié)果可知半潛船在沒有改裝前修正后初穩(wěn)性高為0.09米，小于半潛船下潛起浮過程中穩(wěn)性高最小要求0.15米，因此需要對半潛船進行改裝，提升半潛船起浮“世越號”出水時刻的穩(wěn)性以達到施工及規(guī)范要求。

表2 半潛船起浮“世越號”穩(wěn)性計算結(jié)果

2.半潛船改裝方案

半潛船在起浮過程中保持一定角度的首傾使首樓兩側(cè)的浮力艙室結(jié)構(gòu)沒入水中，并在船尾安裝浮箱，可以增加半潛船在起浮過程中水線面面積，有效提高穩(wěn)性。因此將招商重工一號（ZSZG1）和三號（ZSZG3）駁船的尾浮箱對稱安裝到半潛船船尾左右，具體布置如圖2所示（只顯示左舷半邊）。原招商重工駁船浮箱的錨機朝船中方向放置，可以輔助沉船裝載作業(yè)。

圖2 半潛船增加尾浮箱布置圖

表3為招商重工一號和三號駁船尾浮箱尺寸和 艙容參數(shù)：

表3 加裝浮箱參數(shù)

在半潛船下沉過程中招商重工三號尾浮箱內(nèi)部保持空艙，而招商重工一號尾浮箱內(nèi)部需要注入壓載水，表4為尾浮箱內(nèi)部壓載艙艙容參數(shù)。

表4 加裝浮箱壓載艙艙容參數(shù)

三、半潛船起浮過程穩(wěn)性分析

1.力學(xué)模型

圖3為半潛船裝載“世越號”受力分析圖，計算時需要考慮改裝后的半潛船重力、浮力以及貨物重力（包括沉船、支撐軌道和托底鋼梁），其中“世越號”作為貨物不考慮其穩(wěn)性。

本文利用船舶專業(yè)計算軟件GHS進行穩(wěn)性計算，在GHS軟件中建立半潛船模型、各壓載艙參數(shù)，通過加載“世越號”重量、調(diào)整壓載水，控制半潛船狀態(tài)，計算不同起浮步驟下的船舶穩(wěn)性[2，3]，圖4為GHS軟件計算模型。半潛船在上浮過程中時刻保持一定的初穩(wěn)性，即修正后的初穩(wěn)性高GM大于規(guī)范要求值0.5米。

圖3 半潛船裝載“世越號”受力分析

2. 分析步驟

根據(jù)首尾吃水變化將半潛船起浮“世越號”過程分為20個分析步驟：0—1半潛船上浮與沉船接觸；2—3沉船重量轉(zhuǎn)移到半潛船上；4—10半潛船保持船首吃水不變、起浮船尾至甲板出水；11—19半潛船起浮船首至主甲板全部出水。表5為每個分析步驟對應(yīng)的船體吃水情況。

圖4 GHS軟件計算模型

表5 每步船體吃水情況

3.坐標(biāo)系

GHS軟件模型的坐標(biāo)系原點定在0號肋位、船體中心線（C.L.）和基線（B.L.）交點：X坐標(biāo)零點在0號肋位，朝船尾為正；Y坐標(biāo)零點在中心線（C.L.），朝右舷為正；Z坐標(biāo)零點在基線（B.L），朝上為正。橫傾原則：向船右舷橫傾角為正。縱傾原則：縱傾為尾柱吃水與首柱吃水之差，尾傾角為正、首傾角為負。

四、半潛船起浮過程穩(wěn)性計算結(jié)果

通過GHS軟件模擬半潛船起浮過程，主要分為三個階段：第一階段（步驟0—4）抬浮駁將沉船放置到半潛船支撐軌道上，沉船重量轉(zhuǎn)移至半潛船上，抬浮駁離開；第二階段（步驟5—11）半潛船排出壓載水讓船尾先起浮出水；第三階段（步驟11—19）半潛船繼續(xù)排載讓船首起浮出水，最終主甲板全部出水。圖5為GHS軟件模擬起浮過程階段示意圖，在第二階段起浮時船首大部分沉入水下，船首的浮力艙室對保持船體穩(wěn)性起到主要作用。

在半潛船排載起浮過程中，由于沉船的濕重隨著起浮高度和角度變化不斷增加，半潛船的載重也不斷增加，當(dāng)沉船全部出水后半潛船最大載重量將達到約14 000噸，圖6為半潛船載重變化曲線。

由于半潛船首樓浮力艙室體積較大可以大幅提高船舶穩(wěn)性，因此半潛船在起浮過程中基本保持在首傾狀態(tài)，最大縱傾吃水差達到11.91米。當(dāng)船尾甲板出水時，船舶最大橫傾達到1.5°，在起浮階段基本保持右傾狀態(tài)不變。圖7、圖8為半潛船起浮過程中的縱傾、橫傾變化曲線。

圖5 GHS模擬半潛船起浮過程

圖6 半潛船載重變化曲線

圖7 半潛船縱傾變化曲線

圖8 半潛船橫傾變化曲線

圖9 為改裝后的半潛船在起浮“世越號”過程的初穩(wěn)性高變化曲線，在第一階段和第二階段，半潛船的載重量逐步增加，船尾吃水減少，主甲板還未出水時初穩(wěn)性高（GM）逐步下降直至0.57米，即船尾主甲板出水時刻。之后隨著船首不斷上浮，船體水線面面積不斷增大，穩(wěn)性大幅提高，主甲板全部出水后GM值可達到27.44米。半潛船下沉到最大沉深26米時GM值為2.69米，大于0.5米，在整個起浮過程中，GM值都大于0.15米，能滿足規(guī)范及施工要求，并且留有足夠的設(shè)計余量。

五、結(jié)論

圖9 半潛船初穩(wěn)性高變化曲線

本文通過初步穩(wěn)性分析提出半潛船起浮“世越號”改裝方案，運用GHS專業(yè)船舶穩(wěn)性計算軟件對整個起浮過程進行模擬分析得到如下結(jié)論：（1）對于沉船之類自身無法提供穩(wěn)性的結(jié)構(gòu)物，半潛船自身的裝載能力并不能完全保證船舶穩(wěn)性及安全，必要時需要加裝浮箱等結(jié)構(gòu)增加穩(wěn)性。（2）半潛船首樓結(jié)構(gòu)具有較大的浮力艙室，在起浮過程中保持首傾可以有效提高船舶的穩(wěn)性。（3）半潛船船尾甲板出水時刻GM值達到最小即穩(wěn)性最差，是整個分析過程的關(guān)鍵點，必須滿足設(shè)計要求，保證工程的安全性。半潛船起浮“世越號”穩(wěn)性校核計算指導(dǎo)了半潛船“White Marlin號”的改裝工程和后續(xù)實際起浮作業(yè)，不僅為“世越號”的成功打撈奠定了基礎(chǔ)，還為以后類似大型沉船打撈提供了參考。

[1]王志堅.韓國“歲月”號客輪翻沉事故的教訓(xùn)和思考[J].中國應(yīng)急管理,2015(4):50-53.

[2]Creative Systems.GHS user’s manual[M].American, Greative Systems,Inc.2007.

[3]田拓,婁睿.GHS軟件在大件拖航穩(wěn)性計算中的應(yīng)用[J].航海技術(shù),2017(1):48-49.

10.16176/j.cnki.21-1284.2017.09.001

唐繼蔚（1988—），男，交通運輸部上海打撈局技術(shù)開發(fā)中心，工程師，碩士。

陳世海（1972—），男，交通運輸部上海打撈局技術(shù)開發(fā)中心，總經(jīng)理/高級工程師，碩士。

段明昕（1987—），男，交通運輸部上海打撈局技術(shù)開發(fā)中心，工程師，碩士。