升沉補償系統應用于沉船抬撬打撈設計與實施

金桐君　蔣巖　汪有軍　朱海榮

摘 要：將被動式深沉補償系統應用到沉船抬撬打撈方法當中，能夠有效地降低施工過程中由于風浪流對抬浮駁船的作用造成的動態載荷，從而有效地控制所有抬吊索具處于安全載荷以內，不至于發生索具斷裂現象而造成災難性的后果。本文以采用加入了深沉補償系統的沉船抬撬法而成功完成世越號沉船的打撈作為案例，對升沉補償系統如何應用于沉船抬撬打撈中，如何進行升沉補償系統的靜態性能計算，如何實驗測試升沉補償系統的動態響應能力以及在實際抬撬作業當中升沉補償系統的實施要點均做了詳細的闡述。

關鍵詞：抬撬打撈；世越號打撈；深沉補償；動態響應

中圖分類號：U676.6 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）07-0016-03

船舶抬撬法（抬吊法）是一種傳統的沉船打撈方法，往往采用一對方形駁船并行對稱布置在沉船兩舷的水面上，把沉船夾在中間，然后分別在駁船的內側那一舷用起吊鋼絲和沉船連接，最后利用提升系統把沉船抬浮出水。國內外曾用本方法撈起大量沉船，有的國家在打撈浮筒推廣以前，曾用雙體式打撈船抬浮海中失事的潛艇或小型軍艦。比較有名的中山艦沉船打撈就是采用雙駁船抬吊法。近幾十年，隨著科學技術的發展，沉船抬撬打撈法也有了長足的改進，主要的改進點在于采用的提升系統方面。原始的提升系統采用絞車加多門滑車的方法。這種方法不僅提升力有限，而且系統不穩定，容易發生斷裂和卡死現象。后來出現了大噸位液壓鋼絞線同步提升系統應用到抬撬打撈方法上面。采用液壓鋼絞線提升系統能夠大大增加提升力。可以說提升噸位已經不是制約抬撬打撈法的瓶頸因素了。同時采用計算機同步控制，液壓系統傳動加速度極小、且可控，能夠有效保證整個安裝過程的穩定性和安全性。但是該方法還是沒有解決抬吊駁船在近遠海海域，惡劣海況下面由于船舶運動帶來的動載荷的沖擊影響。本文將介紹在鋼絞線提升系統中加入升沉補償系統的抬撬打撈方法。該方法應用于世越號打撈工程中取得了成功，在國內還屬于首次應用。該方法能很好的解決由于船舶運動造成沉船抬浮過程當中動載荷的影響，是對沉船抬撬打撈方法一種很好的改進。

1 升沉補償系統應用于抬吊系統介紹

下圖是本實施案列中升沉補償系統加入到雙駁船抬吊鋼絞線提升系統的總布置圖。

上述圖中的標記分別為：1、抬浮駁；2、起吊鋼絲；3、導向滾輪；4、錨頭；5、鋼絞絲；6、蓄能器；7、緩沖油缸；8、鋼絞線提升油缸；9、托底鋼梁；10、沉船11、反力支架。

在常規的鋼絞線提升油缸8后面串聯兩個緩沖油缸，蓄能器通過高壓油管和緩沖油缸連接組成升沉補償系統。升沉補償系統的作用原理如下所示：

（1）當抬浮駁受到風浪流作用向上抬升時，液壓油通過高壓油管回到蓄能器，緩沖油缸收縮。被吊沉船高度保持基本不變；同時每道索具的提升力保持基本不變。如下圖所示：

（2）當抬浮駁受到到風浪流作用向下運動時，液壓油通過高壓油管回到緩沖油缸，緩沖油缸伸長。被吊沉船高度保持基本不變；同時每道索具提升力保持基本不變。如下圖所示：

2 升沉補償系統靜態性能計算

雙駁船抬吊提升系統中的升沉補償單元是由連通的蓄能器和緩沖油缸組成的。

一個蓄能器內氣體（氮氣）的壓縮和膨脹過程應遵循氣體狀態多變的規律。理想的氣體為：

P0×V0n= P1×V1n= P2×V2n，

其中要考慮多變指數“n”對氣體特性隨時間的影響。

緩慢的膨脹和壓縮過程的狀態變化接近于等溫，多變指數可為n=1，而快速的膨脹和壓縮過程發生絕熱的狀態變化，多變指數n=k=1.4（適合于雙原子氣體的氮氣）。本實施案例屬于后者。

升沉補償系統油壓在不同緩沖油缸活塞桿升縮量條件下的計算公式如下：

P3'=P1/（（P1/P2）0.714-⊿V/V1）1.4

P1=充氣壓力（根據工程需要設定）

P2=充油之后的壓力，系統最低壓力（也稱充油壓力）

D=緩沖油缸活塞桿直徑（m）（本案例中D=0.32m）

Y=緩沖油缸位移量（mm） （Y取值0mm～1100mm）

⊿V=緩沖油缸位移有效容積變化（L），⊿V==0.785*D2*Y

V1=蓄能器容積（L）（本案例中部分緩沖油缸配300L，部分配了400L）

P3'=緩沖油缸收縮之后壓力P3

F=對應雙緩沖油缸的載荷（t）

以下是本實施案例中特定充氣壓力和充油壓力條件下的壓力（載荷）-行程計算樣表。

在使用過程當中通過設定不同的P1，P2值來達到我們對整個緩沖系統的使用要求。

3 升沉補償系統動態性能

升沉補償系統要應用到雙駁抬吊提升系統之中真正起作用，還需要校核該升沉補償系統的動態響應速率。只有在該系統的響應速率大于環境載荷的變化速率時才能夠百分之百發揮該升沉補償系統的能力。

在本實施案列中，對該系統進行了實驗室模擬試驗，測試該系統的動態響應速率。試驗模型如下所示：

采用4個緩沖油缸2個一組對頂的方式進行試驗，在其中的一組緩沖油缸側布置兩個激震小油缸。保持兩組緩沖油缸油壓設置完全一致。通過控制激震油缸的往復運動推動整個系統往復運動。測量記錄整個系統的響應性能。在該試驗系統中，2組緩沖油缸分別模擬提升系統和重物。激震油缸則模擬了環境載荷。試驗記錄數據如下：

從試驗數據可以得到以下結論：

（1）該試驗已經模擬出緩沖系統8s周期內，±15cm的性能。實際緩沖能力在該性能之上。

（2）由于受限于激震油缸（模擬環境載荷）的能力：其本身的全行程運動周期在15秒以上，推力只有40t，還沒辦法試驗出該系統的完整能力。后續可以改進試驗方法繼續進行性能的試驗。

4 升沉補償系統在抬撬打撈作業當中的實施

4.1 加載離底階段

在加載離底之前，所有蓄能器充氣到初始壓力，在不補油階段充氣壓力即緩沖系統的最小壓力。在實際施工過程當中蓄能器的充氣壓力值設定成該處1.2倍的計算離底載荷。但是同時這個初始壓力值對應載荷（最小載荷）還遠小于安全載荷。沉船的離底過程是對所有吊索同步分步驟加載的過程。按照設計載荷的30%，50% ，60% ，80% ，90%，100%百分比同步分步驟加載。到載荷加到100%附近時，沉船部分點開始提升，部分點還是沒有動。此時停止已動吊索的加載，而繼續同步小幅增加不動處的載荷，直至所有的吊索向上提升，沉船整體離底。

在提升油缸逐級加載過程當中，緩沖油缸的狀態如下：

（1）在加載的初始階段，外部負載小于最小載荷，緩沖油缸內壓力保持不變，緩沖油缸伸到頂；

（2）在離底過程當中如果部分點載荷加大到超過緩沖油缸的最小載荷，那么該處的緩沖油缸開始被壓縮。

4.2 提升階段

離底之后，液壓鋼絞線同步提升，沉船慢慢上升，伴隨著沉船浮出水面，沉船的重量慢慢增加，索具的載荷也慢慢增加。此時根據需要對緩沖油缸進行補油，整體提高緩沖油缸的負載變化區間。同時為了保證所有的索具不過載，溢流閥設置了最高壓力，保護最大負載。設置溢流閥保護最大負載具有以下特點。

（1）最大外負載值可以根據理論強度計算值設定，但該最大負載值還保留所有索具強度具有一定的安全余量。

（2）當有些提升點超過這些值時自動卸載，最大的卸載距離為當時的活塞桿位置收縮到頂的距離，此時載荷在各吊索點之間自動平衡，直至所有的點都小于這個值；

（3）當提升點外負載小于這個設定的最大負載值時，提升負載值不變化。

（4）當提升負載在充油載荷（最小載荷）與最大負載值之間時，油缸壓縮。

（5）處理好過載保護和緩沖距離的相互關系，在不過載的前提下適當對系統充油使緩沖油缸活塞處于較大的伸長量，這樣緩沖油缸具有較大的緩沖距離。

5 總結

帶升沉補償系統的沉船抬撬打撈方法可適用于復雜海況、打撈噸位大、作業效率高、不受水深限制等優點，成為大噸位大水深沉船打撈的核心技術之一。本方法在世越號打撈工程當中得到了成功應用，起到了關鍵的作用。其中的設計理念和方法可以為同類型的工程提供借鑒作用。同時后續可以在升沉補償系統的補償性能，適應地極限惡劣海況方面做進一步的研究，得到該系統更加精確的使用性能和應用范圍。

參考文獻：

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