《夏長》號沉船打撈過程中扳正駁船運動響應(yīng)分析

李軍

摘? ? 要：針對大型沉船整體打撈過程中的扳正駁船，以沉船《夏長》號打撈扳正過程為例，利用波浪輻射/衍射理論，結(jié)合水動力計算程序，建立風(fēng)浪流作用下扳正駁船船體、扳正張力索及系固張力索模型，模擬扳正駁船在不同繩索預(yù)張力、不同吃水、不同扳正角度下的運動響應(yīng)，據(jù)此得到最優(yōu)扳正駁船系統(tǒng)設(shè)計方案。《夏長》號打撈扳正過程運動響應(yīng)分析結(jié)果與工程數(shù)據(jù)高度吻合，驗證了分析方法的正確性，最終成功地完成了沉船《夏長》號的扳正。

關(guān)鍵詞：多點系泊;張力;運動響應(yīng);沉船打撈;扳正

中圖分類號：U676.62 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： In this paper， the theories of potential flow and diffraction/radiation are used to calculate the dynamic response of a righting barge， which provides the righting force for the integral wreck removal of the large-scale bulk carrier “Trans Summer”. The wave， wind， and current loads are considered to create the righting barge system model with the hydro dynamic calculation program， then the dynamic response results of the righting barge under different pre-tension forces， different draft conditions and different righting angles are obtained in the righting operation. With these results， the optimal righting barge system design scheme is obtained. The calculated result with this analysis method is in good agreement with the practical engineering data， and the righting operation of “Trans Summer” is finally achieved.

Key words： Multipoint mooring; Tension; dynamic response; Salvage; Righting

1? ? ?引言

大噸位、大傾斜度沉船扳正歷來是打撈工程技術(shù)上的難題[1]。沉船扳正過程載荷復(fù)雜且變化多樣，與扳正駁船的運動響應(yīng)有密切關(guān)系，因而對提供扳正力的扳正駁船進行動力響應(yīng)分析顯得十分重要。

對浮式結(jié)構(gòu)，目前常用的系泊定位方法有錨鏈系泊和張力纜系泊兩種[2]。本文重點分析扳正駁船在波浪中動力響應(yīng)，并以打撈沉船《夏長》號工程中的《重任1500》扳正駁船為例，利用勢流理論，結(jié)合水動力計算軟件并加入風(fēng)浪流作用，對該扳正駁船在扳正過程進行動力響應(yīng)模擬分析。分析不同繩索預(yù)張力、不同駁船吃水及不同扳正角度工況對運動響應(yīng)影響，以獲得最優(yōu)的扳正系統(tǒng)設(shè)計方案。

2? ? 扳正駁船運動響應(yīng)方程

根據(jù)靜力分析法和動力分析法，可以準(zhǔn)確地預(yù)報在不同海況下的動力響應(yīng)，得到扳正駁船及其張力系泊系統(tǒng)總體運動方程為：

式中：M、c、k分別為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣;

Fs、Fwf、Fsv、Fm分別為流體靜力、波頻力、波浪低頻慢漂力與系泊力。

根據(jù)公式（1），可以通過水動力程序計算，獲得扳正駁船的運動響應(yīng)。

3? ? 工程實例及計算模型

3.1? ?工程實例

因受臺風(fēng)影響，60 000 DWT的散貨船《夏長》號于2013年8月在珠海小萬山島偏南海域沉沒，沉船總長×型寬×型深=189.99×32.26×18.00 m;沉船沉態(tài)為左傾約104°、尾傾約2°;事故海域水深22 m，低潮時船舶右舷露出水面約2.5 m。

扳正駁船《重任1500》，其主甲板上安裝了14套液壓拉力千斤頂設(shè)備，每套設(shè)備由兩個反力架、兩個千斤頂及兩個導(dǎo)向輪組成，拉力千斤頂通過反力架和船體相連，單個千斤頂提供最大300 t的拉力：拉力千斤頂設(shè)備分別安裝在駁船左右舷，左舷14個千斤頂通過14根長度約108 m、直徑為110 mm的鋼絲繩（以下簡稱“系固絡(luò)”）及導(dǎo)向輪與安裝在海底的14個吸力錨相連，用于系固扳正駁船;右舷14個千斤頂通過14根長度約106 m、直徑為110 mm鋼絲繩（以下簡稱“扳正絡(luò)”）及導(dǎo)向輪與沉船上焊接好的14個眼板連接，用于扳正沉船。

沉船扳正原理是：當(dāng)液壓千斤頂開始工作，駁船與沉船間的“扳正絡(luò)”及駁船與吸力錨間“系固絡(luò)”變短，沉船便緩慢從原來的左傾104°回正。

沉船的扳正如圖1所示，千斤頂、固定反力架及導(dǎo)向輪等設(shè)備的布置如圖2所示。另外，在甲板駁船4個角分別配置了一個錨，用于控制扳正駁船的縱向運動。

3.2? ?計算模型

根據(jù)上述系泊布置及扳正駁船數(shù)據(jù)，建立扳正系統(tǒng)三維水動力模型，如圖3所示。

3.3? ?環(huán)境參數(shù)

由于扳正駁船需要根據(jù)沉船的首向及位置進行系泊布置，因此扳正駁船所處的海域與沉船海域相同。在沉船扳正過程中，為保證響應(yīng)的隨機性，同時更好地校核設(shè)計方案的可行性，選取以下海況（見表1）作為設(shè)計工況。

4? ? 扳正過程運動響應(yīng)分析

4.1? ?扳正過程

沉船扳正過程變量主要有：扳正力大小，扳正力方向，沉船回正旋轉(zhuǎn)點。其中，扳正方向受到“扳正絡(luò)”與“系固絡(luò)”角度直接影響，沉船扳正旋轉(zhuǎn)點與沉船橫傾及擱座點有關(guān)。

沉船扳正過程總體思路是：利用浮吊及扳正駁船進行扳正，其中扳正駁船提供大部分的扳正力。通過在扳正駁船上的液壓千斤頂作用，扳正駁船與沉船間的“扳正絡(luò)”及駁船與吸力錨間的“系固絡(luò)”開始縮短并受力，當(dāng)扳正力矩大于沉船傾斜力矩時，沉船開始緩慢回正，然后繼續(xù)收短扳正駁船與沉船之間鋼絲繩，直至沉船回正至較小的橫傾角度為止。

4.2? 不同初始預(yù)張力的影響

沉船扳正過程中，由于扳正駁船上“扳正絡(luò)”與“系固絡(luò)”張力會實時變化，因此進行扳正駁船的運動響應(yīng)分析必須考慮不同初始正力下的影響。由于扳正駁船的運動響應(yīng)對系泊張力比較敏感，所以在不斷增加“扳正絡(luò)”初始預(yù)張力時，利用上述的扳正系統(tǒng)三維水動力模型模擬其運動響應(yīng)，并選取工程較需要響應(yīng)時域的最大值，結(jié)果匯編見圖4 ～ 6。

由圖4～6可知：（1）在模擬沉船扳正過程中，不同預(yù)張力下扳正駁船橫搖在0°風(fēng)浪流同向作用時最小，在橫向時最大，且隨著預(yù)張力的不斷增大而增大;（2）不同預(yù)張力下扳正駁船的垂蕩在0°時最小，在橫向時最大，且隨著預(yù)張力的不斷增大而幾乎保持不變;（3）扳正駁船上“扳正絡(luò)”與“系固絡(luò)”最大張力同樣是在0°時最小，在橫浪時最大，且隨著預(yù)張力的不斷增大而增大。

4.3? ?不同壓載工況的影響

考慮到沉船在扳正過程中，如果扳正駁船排水量太小，因波浪產(chǎn)生的垂蕩太大，進而導(dǎo)致“扳正絡(luò)”與“系固絡(luò)”的張力發(fā)生較大的變化，因此考慮通過壓載水調(diào)整扳正駁船吃水，據(jù)此分析模擬扳正駁船在不同吃水下運動響應(yīng)。計算結(jié)果見圖7～9。

從圖7～9可知：（1）在不同駁船吃水下，扳正駁船的橫搖在0°時最小，且隨著駁船吃水的不斷增大而幾乎不變;在90°時最大，且隨著駁船吃水不斷增大而緩慢增大;（2）不同駁船吃水下，扳正駁船的垂蕩在0°時最小，在90°時最大，且隨著預(yù)張力的不斷增大而變化不明顯;（3）扳正駁船上“扳正絡(luò)”與“系固絡(luò)”最大張力，同樣是在0°時最小，在橫向時最大，且0°時隨著駁船吃水的不斷增大保持不變;45°、90°時隨著駁船吃水增加而增大，尤其是在吃水3.5 m ～ 4 m時。

4.4? 不同扳正角度的影響

隨著扳正不斷進行，沉船橫傾角也會不斷減小，因此“扳正絡(luò)”與水平面夾角會不斷減小，而“系固絡(luò)”與水平面夾角會不斷增大。但通過分別控制“扳正絡(luò)”與“系固絡(luò)”的長度，可以適當(dāng)調(diào)整上述的夾角，通過模擬不扳正角度下的駁船運動響應(yīng)，計算結(jié)果見圖10～12。

從圖10 ～圖12可知：（1）不同“系固絡(luò)”與水平夾角下，橫搖在0°時最小，在90°時最大，且隨著夾角的不斷增大而增大;（2）垂蕩在0°、45°風(fēng)浪流作用下時最小，且保持基本不變;在橫浪時最大，且隨著夾角的不斷增大而稍微減小;（3）扳正駁船上“扳正絡(luò)”與“系固絡(luò)”最大張力，同樣是在0°時最小，在橫向時最大，且隨著夾角不斷增大而增大;45°時隨著夾角不斷增大基本保持不變;90°時隨著夾角不斷增大而稍微減小。

5? ? ?結(jié)果驗證

實際響應(yīng)數(shù)據(jù)與模擬計算結(jié)果誤差在工程容許范圍內(nèi)，證明了模擬分析方法是合理可行的。

6? ? 結(jié)論

本文通過對扳正駁船扳正過程進行模擬分析，并根據(jù)分析結(jié)果獲得最優(yōu)扳正系統(tǒng)方案，結(jié)果表明：

（1）通過減少“扳正絡(luò)”預(yù)張力及“系固絡(luò)”與水平面夾角，可以有效減小橫搖;

（2）扳正駁船垂蕩隨駁船吃水、“扳正絡(luò)”預(yù)張力及“系固絡(luò)”與水平面夾角變化不大;

（3）“扳正絡(luò)”及“系固絡(luò)”的最大張力對船舶吃水及“系固絡(luò)”與水平面夾角不太敏感，但對初始預(yù)張力較敏感。

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