液壓千斤頂抬浮力打撈船設(shè)計

李 兵，劉玉坤

（1. 上海佳豪船海工程研究設(shè)計有限公司，上海 201612；2. 交通運輸部煙臺打撈局，山東 煙臺 264012）

0 引 言

隨著造船技術(shù)的不斷進步和航運市場的不斷發(fā)展，船舶的種類越來越多，主尺度越來越大，在海上遇險的船舶呈現(xiàn)出船體尺寸大型化、自重及載重量大、裝載的貨物品種繁多和自身油艙裝載的燃油多等特點，潛在的污染問題日趨嚴(yán)峻。另外，隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展和海洋資源開發(fā)力度的逐漸增大，海洋石油平臺和浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading, FPSO）等大型結(jié)構(gòu)物逐漸增多，沿海沿江港口建設(shè)越來越密集，海上運輸密度越來越大，水上交通事故隱患日漸增多[1]。

在此情況下，開發(fā)一種新型應(yīng)急搶險打撈技術(shù)，即液壓千斤頂拾浮打撈技術(shù)，以降低海上遇險船舶對海洋環(huán)境的污染。

1 傳統(tǒng)沉船打撈工藝介紹

當(dāng)前我國普遍采用的沉船打撈工藝或方法主要有以下幾種。

1.1 封艙抽水

封艙抽水即將破損的艙室密封之后抽出其中的海水，利用增大的浮力使船體起浮。采用封艙抽水打撈法打撈沉船，船的銹蝕問題不能太嚴(yán)重，否則會使船體的強度不夠，不能承受封艙抽水之后產(chǎn)生的水壓。一般應(yīng)對浮力大、易封補的大艙和貨油柜等艙柜進行封艙抽水。

與封艙壓氣排水、浮筒抬浮等打撈方法相比，該方法具有速度快、效果好、適應(yīng)性強和組合性強等特點，但該方法能實施的前提是沉船的大艙破損問題不是太嚴(yán)重。

1.2 封艙充氣排水

當(dāng)沉船甲板與水面的距離超過2m時，若用透氣管來封艙抽水，沉船的甲板可能會因抵擋不住水壓力而被壓跨。若在艙內(nèi)加撐柱，可能會因撐柱太多而無法施工。這時可先向艙內(nèi)充壓縮空氣，以增大甲板下的壓力，隨后再抽水。這種抽水起浮沉船的方法稱為封艙充氣排水法，不適用于破損問題嚴(yán)重的沉船打撈。

1.3 浮筒抬浮

利用打撈浮筒的浮力抬浮沉船的方法稱為浮筒抬浮法。打撈浮筒一般放于沉船兩舷，由潛水員將穿引好的船底千斤套于浮筒的纜樁上，充氣起浮。浮筒抬浮法主要有直接打撈法、逐步打撈法和折線打撈法等3種。

在采用浮筒抬浮法時，需在沉船的底部穿引一定數(shù)量的船底千斤，以連接浮筒。然而，小型沉船無法布置足夠多的船底千斤和浮筒，同時水深較淺會限制浮筒作用的發(fā)揮。

1.4 浮吊抬浮

浮吊抬浮是用浮吊船直接將沉船吊出水面的方法。與其他方法相比，該方法的優(yōu)點是速度快、效果好。浮吊一般采用平行雙主鉤吊鉤，由于距離較近，若沒有大的平衡力橫梁，有時不能發(fā)揮其最大吊力。平衡力橫梁較長，吊鉤吊在橫梁上，由橫梁吊重件。由于橫梁的長度有限，抬浮力不能在沉船上均衡分布，吊力較為集中，使得沉船無法承受如此大的縱向彎矩，因此這種方法只適用于小型沉船的打撈。有的浮吊采用雙人字架，其受力情況較好。對于較大的沉船或無吊攀的商船而言，要在沉船底部穿引一定數(shù)量的船底千斤，但通常當(dāng)?shù)踔啬芰_(dá)到6000t以上時，沉船底部很難穿引足夠多的船底千斤來實現(xiàn)浮吊起吊。

1.5 組合法打撈

對沉船進行分析，通過合理組合上述幾種打撈方法進行沉船打撈。

2 液壓千斤頂抬浮打撈原理和優(yōu)勢

液壓千斤頂抬浮打撈技術(shù)是將多組液壓千斤頂固定在2艘具有調(diào)載功能的大型打撈工程船上，利用船舶自有的壓載系統(tǒng)來調(diào)節(jié)船舶橫傾，配合液壓千斤頂實現(xiàn)起浮沉船的一種打撈工藝[2]。

液壓千斤頂抬浮打撈系統(tǒng)主要由計算機同步控制系統(tǒng)、液壓泵站集群、液壓千斤頂集群和鋼絞線組成，即采用柔性鋼絞線承重、液壓提升千斤頂集群、計算機控制和液壓同步提升新原理。計算機同步控制系統(tǒng)由主控計算機、現(xiàn)場控制器、傳感器、通信單元和相應(yīng)的數(shù)據(jù)線組成。單元通信和所有檢測及控制信號經(jīng)過通信單元傳送給主控計算機。主控計算機根據(jù)各傳感器采集到的位置信號、壓力信號和高差信號，按照一定的控制程序向液壓泵站傳遞指令。液壓泵站集群由多個液壓泵站組成，通常每個液壓泵站控制2個液壓千斤頂。液壓千斤頂固定在船的一側(cè)，與鋼絞絲相連，鋼絞絲通過連接器與打撈沉船的鋼絲繩相連。該系統(tǒng)的控制原理見圖1。

在打撈工程船上應(yīng)用液壓千斤頂時，液壓千斤頂固定在船舶一舷的甲板上，構(gòu)件夾持器自由放到另一舷的甲板上，2種構(gòu)件用柔性鋼絞線連接，沉船過底鋼絲與構(gòu)件夾持器連接。當(dāng)液壓千斤頂在緊錨狀態(tài)下伸缸時，液壓千斤頂伸缸就可帶著鋼絞線移動，鋼絞線帶著連接器和鋼絲繩移動，帶動沉船上移。構(gòu)件連接示意見圖2，抬浮打撈示意見圖3。

液壓千斤頂抬浮打撈技術(shù)是我國打撈技術(shù)領(lǐng)域的一項重大突破，是處理應(yīng)急打撈問題的有力保障，提高了我國的沉船打撈能力。這種技術(shù)的應(yīng)用能大大減少潛水員的工作量，從而大幅度降低潛水作業(yè)的安全風(fēng)險，縮短海上打撈作業(yè)工期。對于自身重量大、破損嚴(yán)重、尺寸小的沉船而言，液壓千斤頂抬浮打撈技術(shù)的優(yōu)勢更加明顯，甚至很難找到替代的方法。與常規(guī)的沉船打撈方法相比，液壓千斤頂抬浮打撈技術(shù)的快速性和穩(wěn)定性更優(yōu)，能最大限度地避免海洋環(huán)境遭受污染，保障航道的暢通。

圖1 液壓千斤頂胎浮打撈系統(tǒng)控制原理

圖2 構(gòu)件連接示意

圖3 抬浮打撈示意

3 總體布置設(shè)計

12000t抬浮力打撈船是具有調(diào)載功能的大噸位抬浮力自航打撈工程船，適于無限航區(qū)航行，近海作業(yè)。該船的總體布置需考慮以下幾點。

3.1 液壓千斤頂打撈設(shè)備布置

在主甲板上布置一套液壓千斤頂打撈設(shè)備，在進行抬浮打撈作業(yè)時，一舷承受 12000t的抬浮力，另一舷主要通過壓載水來與其保持平衡，因此在設(shè)計時主要考慮以下幾點：

3.1.1 作業(yè)甲板面積

需有足夠的甲板面積用于布置液壓千斤頂打撈設(shè)備。在船長方向，液壓千斤頂分組布置，相鄰2組的間距超過8m，因此作業(yè)甲板總長在120m左右；在船寬方向，除了要考慮鋼絞線的行程以外，還要考慮拉力千斤頂、反力架、導(dǎo)向輪和連接器所占的空間，因此作業(yè)甲板的寬度在38m左右。

3.1.2 調(diào)載能力

在進行抬浮打撈作業(yè)時，一舷承受 12000t的抬浮力，另一舷主要通過壓載水來與其保持平衡，因此需設(shè)置足夠的壓載艙來達(dá)到調(diào)平的目的，同時船體需具有足夠大的橫向強度來承受調(diào)載抬浮引起的橫向彎矩。另外，為提高打撈作業(yè)的效率，縮短作業(yè)周期，降低打撈風(fēng)險，還需配備足夠的橫傾水泵，從而實現(xiàn)快速調(diào)載。

3.1.3 橫剖面形狀

該船為自航船舶，應(yīng)具有較好的操縱性和快速性，具有較小的自航阻力，以達(dá)到更加節(jié)能的目的。另外，考慮到打撈設(shè)備的布置需求，對船寬有較高的要求。同時，要避免打撈作業(yè)時液壓千斤頂對舷側(cè)的磨損?；谶@些需求，最終選取水下部分窄、水上部分相對向外擴寬的橫剖面型式。

3.2 作業(yè)甲板布置優(yōu)化

該船為自航的抬浮力打撈船，在無打撈任務(wù)時可兼作特種大件、車輛的滾裝運輸船。該船的作業(yè)甲板布置需綜合考慮各功能的特點，最大程度地滿足各項需求。為滿足上述需求，作業(yè)甲板區(qū)需保持整體平整，無突出物，主要采取的措施有：甲板區(qū)域的欄桿做成可拆式欄桿；系泊絞車放置在甲板以下的艙室內(nèi)；帶纜樁嵌入甲板內(nèi)；燈桅桿做成可倒式桅桿；甲板上的所有艙蓋均做成嵌入式艙蓋。

除了上述措施以外，機艙通風(fēng)裝置和艙室透氣裝置均集中布置在艏部上層建筑后端壁處，從而確保整個作業(yè)甲板區(qū)的平整。

3.3 上層建筑布置優(yōu)化

上層建筑布置除了需考慮普通船員的居住需求以外，還需考慮打撈作業(yè)人員的居住需求，且需滿足《2006年海事勞工公約》的要求，因此需對上層建筑布置進行優(yōu)化，主要考慮以下幾點。

1) 功能分區(qū)：將餐廳、廚房和洗衣間等功能處所集中布置在底層。

2) 噪聲源、振源隔離：對這些區(qū)域和住艙進行隔離處理，必要時對其內(nèi)部鋪設(shè)絕緣層。

3) 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化：根據(jù)通風(fēng)量和距離優(yōu)化通風(fēng)管道布置，降低通風(fēng)口處的噪聲。

優(yōu)化之后，實測該船的振動和噪聲完全滿足ISO 6954和IMO.468 XII的要求，提升了居住的舒適度。該船的總布置圖見圖4。

圖4 打撈船總布置圖

4 定位系統(tǒng)設(shè)計

在進行打撈作業(yè)時，需首先依靠定位系統(tǒng)保持船舶的位置穩(wěn)定，再考慮采用液壓千斤頂抬浮打撈技術(shù)實現(xiàn)深水區(qū)的沉船打撈，因此該船配備有適用于淺水區(qū)的錨泊定位系統(tǒng)和適用于深水區(qū)的動力定位系統(tǒng)。

4.1 錨泊定位系統(tǒng)

該船配備有四點錨泊定位系統(tǒng)，艏部和艉部各布置2臺定位錨絞車，可實現(xiàn)80m水深以內(nèi)的指定環(huán)境下的錨泊定位作業(yè)。艉部的2臺錨絞車為可拆式錨絞車，打撈作業(yè)完成之后可移除，以保持作業(yè)甲板的平整。在選取錨泊系統(tǒng)參數(shù)時，利用水動力軟件HYDROSTAR，采用動態(tài)分析法進行錨泊受力分析計算，從而實現(xiàn)錨泊系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化[3]。

4.2 動力定位系統(tǒng)

該船配備有一級動力定位系統(tǒng)，艏部布置2臺側(cè)推器，艉部布置2臺全回轉(zhuǎn)推進器，可實現(xiàn)深水指定環(huán)境下的動力定位作業(yè)。根據(jù)動力定位分析蝶形圖優(yōu)化艏部和艉部推進器的功率，并對艏部推進器的布置位置進行合理的調(diào)整[4-5]。

5 結(jié) 語

液壓千斤頂抬浮打撈技術(shù)的成功應(yīng)用和該液壓千斤頂抬浮力打撈工程船的成功設(shè)計極大地提高了沉船打撈效率，突破了打撈水深的限制，保障了航道的通暢，同時使深水區(qū)的古船打撈成為可能，為后續(xù)同類型船舶的設(shè)計提供了參考依據(jù)。