橡膠頂升氣囊在水下工程中的應用

楊鵬　汪有軍　蔣巖　王偉平

摘 要：2017年3月22日，在韓國珍島海域，交通運輸部上海打撈局經過590天的艱苦奮戰，在這一天成功將沉沒1077天的“世越號”成功打撈上岸。在 “世越號”打撈工程中，最艱難的工程為難船鋼梁的穿引工作，為了探索有效的鋼梁穿引方法， 打撈人員進行了不懈的嘗試和探索。探索中積累的很多經驗值得探索和討論。其中一個嘗試為利用2只Φ3.5m x 9m助浮氣囊置于船底進行海底頂升試驗。經過精心的準備和嘗試，在橡膠氣囊充氣達到3bar壓力，高壓氣囊成功將難船船尾頂起20cm以上， 驗證了高壓氣囊在水下施工中能夠起到一定的作用，產生一定的價值。 本文從應用原理方面分析了這次試驗，對橡膠氣囊頂升方法在難船打撈工程中的應用進行了探討和思考。

關鍵詞：世越號；打撈工程；橡膠氣囊；頂升；搬運

中圖分類號：U676.6 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）07-0022-03

橡膠氣囊在我國的工業生產中有著廣泛的應用。其主要應用有水中助浮、管道堵塞、制作混凝土構件以及提升轉運等。 其中高壓氣囊提升搬運技術尤其是該技術在船舶下水領域的應用自1981年試驗成功以來，經過了三十多年的發展已經形成了比較成熟的工藝，相關規范和標準也較為全面。 迄今為止，我國已成功實現55000噸遠洋散貨船利用氣囊技術順利下水。由此可見，氣囊在提供提升力方面具有很大的能力。在海洋工程和打撈項目中，橡膠氣囊主要是用來做船舶靠墊或是用于助浮和管道封堵，但在利用氣囊頂升力方面還有很大擴展和開拓的空間。

本次“世越號”項目，首次使用3.5米直徑巨型氣囊作為助浮工具固定在船體結構上，輔助船頭起吊作業，在整個打撈項目中起到了關鍵作用。 然而，相對于氣囊所提供的浮力，橡膠氣囊在頂升方面的巨大功能在岸上工程中也漸漸發揮。 利用氣囊的這種頂升能力在岸上大型結構件搬運和新船下水方面有很廣泛的應用。 其中交通運輸部廣州的打撈局在打撈“南海一號”古沉船中，成功使用了高壓氣囊轉運打撈沉箱至水晶宮中的方案。 但是在國內外以往的打撈和海洋工程施工中，還沒有任何在海底進行沉船頂升和轉運的應用和嘗試。 這次由于韓方提供的地質條件不準確，在“世越號”船尾穿引高吊梁的過程中暫時遇到了困難，在這個背景下，利用橡膠氣囊的巨大頂升力將難船船尾頂起的嘗試成為可能。 如若能夠將難船頂到預定高度，順利穿引鋼梁，對于項目而言，是最經濟高效的。 即使效果有限，在方法探索過程中遇到的困難，積累的經驗和方法對我們探索新方法和新打撈工藝也是一個非常大的幫助。

1 氣囊頂升試驗原理

1.1 氣囊頂升原理

氣囊能夠提供很大的頂升力主要是依靠氣囊的內壓和接觸面積，接觸面積越大，內壓越高，提供的頂升力就越大。單個氣囊的接觸面積與頂升起始高度、氣囊的直徑有關。

如圖1所示，在無限制的充氣狀態下， 氣囊的半徑為R， 若受到高度為S的空間限制，氣囊半徑為S/2， 假設不考慮橡膠的彈性伸長，氣囊的截面周長為定值，此時氣囊與重物之間的接觸長度的計算公式為：

這時單位長度氣囊能夠提供的頂升力為：

以“世越號”現場頂升試驗所用氣囊為例，其直徑為3.5m，長度為9m， 爆破內壓為5Bar。考慮到一定的安全系數，最大試驗相對內壓取3Bar，通過計算不同的限制高度下氣囊可提供的頂升力，所得結果如圖2所示。 根據圖中所示， 如果船體與海底有0.2m的空間，此時放入氣囊，充氣到相對內壓3Bar，則每米氣囊能夠提供165T左右的頂升力，9米的單個氣囊可提供1500T左右的頂升力。當然，隨著氣囊的頂升，空間高度變大，接觸面積減小，氣囊的頂升能力會有一定的減弱。例如同樣的氣囊，在限制高度為1米時，充入相對內壓3Bar的氣體，每米氣囊的頂升力為120T，9米單個氣囊可提供1080T的頂升力。實際試驗中，在給氣囊充氣過程中，難船會隨著氣囊內壓力的變化抬起。隨著限制高度的減小，接觸面積越來越小，同時，隨著難船支點的前移，抬浮變得越來越困難。

1.2 難船在頂升過程中的運動

圖3為氣囊頂升的示意圖，在完成前端鋼梁組的安裝之后，難船尾部懸空翹起。根據初步估算，難船的重心位于鋼梁組靠船尾末端附近。 此時，設氣囊綜合作用力力臂為L1+L2， 重力的綜合作用力力臂為L2，此時杠桿的放大系數為1+L1/L2。若氣囊將難船頂起，支點前移S，此時，此時杠桿的放大系數為1+L1/（L2+S），杠桿放大系數減小 ，頂升作用效果會變得越來越差。 故如要成功將重物頂升到一定的高度，氣囊在初始階段需要儲備充足的冗余頂升力。 隨著空間的減小，氣囊的接觸面積減小，冗余的頂升力可以彌補頂升潛力的損失。

2 應用試驗

2016年10月，韓國“世越號打撈工程”現場，由于海底泥質堅硬，為了提高效率，尋找更有效的鋼梁穿引方法，考慮到橡膠氣囊在船舶下水以及重物轉移過程中的經驗，技術人員結合現場用于助浮的大型橡膠氣囊以及難船頂升的具體需求，提出了氣囊頂升方案。 本方案通過在難船船底與海底之間的空隙安裝氣囊充氣將難船頂起一定高度以改善難船與海底的相對狀況，如果更為樂觀，甚至可以直接進行鋼梁穿引作業。

如圖4—圖5所示的為橡膠氣囊安裝工裝示意圖。在安裝氣囊之前，需要將氣囊鋪平展開，并用方鋼夾緊。在方鋼的兩端與牽引工字鋼之間連上配重錨鏈，方鋼之間用鋼絲繩連接。待氣囊安裝到位后，潛水員入水將方鋼拆除。氣囊的端頭盲板與牽引工字鋼相連，保證在充氣初始階段，氣囊的端頭不會翹起，減小氣囊逸出水面的風險。為了保證氣囊的安裝空間，氣囊安裝位置船體距海底有60cm以上的空間；為了保證氣囊不被刺破，此安裝空間區域的所有尖銳的障礙物均被清除。 在安裝完畢之后，氣囊的兩端用鋼絲與船體之間進行固定。之后潛水員潛水將充氣管線與氣囊對接，并開始充氣頂升。

2.1 限制因素

盡管思考了很多可能出現的問題，盡最大努力做了準備。 由于是第一次嘗試，缺乏施工經驗，該方案在實施之前還是面臨如下限制和不確定性：

（1）難船的支點不確定，且隨著難船頂起，支點的移動情況不確定，對于頂升力的大小很難估算；若氣囊頂升作用位置距支點較近，則所需頂升力小，難船可以提升的空間較高。理想情況可以將限制空間擴展到1m以上高度；若氣囊頂升作用位置距支點較遠，則所需頂升力大，在內壓限定的情況下，氣囊提升的高度較小，頂升效果有限。

（2）海底狀況復雜，橡膠氣囊的耐磨性和抗穿刺性不確定；

（3）氣囊硫化時由于是折疊狀態，在準備安裝之前撐開時，氣囊肩部有很高的隆起。另外，用于充氣的組件尺寸較大。這些因素導致橡膠氣囊安裝高度提高到了0.6m，這大大減小了氣囊的頂升能力。

（4）氣囊的爆破壓力為5Bar，雖然氣囊在限制條件下，爆破壓力會有一定的提升，但考慮到安全，氣囊內壓最大限制為3bar。這一定程度上限制了氣囊的頂升力。

（5）船體的強度尤其是上層建筑的鋼結構較弱，為了保護難船結構不致破壞，頂升位置只局限于主船體結構，這大大縮小了氣囊的接觸面積。

（6）由于氣囊在海底充氣存在浮力，必須保證氣囊的頭部在船體以下且需固定。此時使用較長氣囊便存在氣囊兩端由于浮力牽引氣囊浮出水面的風險，只能采用端部能縮在船底的短氣囊。這使得氣囊的頂升能力進一步縮小。

（7）單只氣囊安裝時所需的空間為5m，這占據了很大一部分鋼梁穿引的空間，對鋼梁的穿引起到了一定的妨礙作用。這限制了使用氣囊的個數，進一步約束了頂升力。

2.2 頂升過程

在頂升之前，潛水員在難船兩側各安裝一個重錘，重錘接觸海底。之后，工程師在施工船甲板根據實驗要求進行充氣（見圖6），整個充氣過程中通過壓力表及測深表來監控氣囊的參數。壓力表用來測量氣囊內部壓力，測深表用來監測氣囊充氣口深度，以確定氣囊狀態是否正常。

為了安全起見，在充氣達到預期的壓力值并停止充氣后。潛水員開始潛水測量重錘離底高度，兩次氣囊試驗結果見表1。 由于其中一個氣囊的壓力下降較快保不住壓，表中所示數據為測量瞬間氣囊內壓讀數。后經過潛水檢查，泄壓氣囊充氣口出現破口并漏氣，無法保壓，其能夠提供的頂升力計算很難確定。

3 經驗總結

由于試驗氣囊是按照助浮的標準設計制造的，很多設計如充氣組件等并不符合頂升氣囊的要求，綜合來看，氣囊頂升的效果在預期之內，但很遺憾的是一只氣囊充氣口出現了破損無法保壓， 氣囊沒能將難船頂到理想的高度。 不過通過這次試驗，我們對橡膠氣囊的水下施工遇到的問題有了深刻的思考和認識，有助于我們對技術的應用有更多的掌控和把握。

氣囊水下應用會遇到很多異常復雜的困難，所以施工過程中遇到的挑戰很大，需要注意的問題也很多。但是如果能夠克服困難，全面思考，充分利用氣囊的能量，則可以花小力氣辦大事，提高施工效率，為水下施工借住浮力、吊機吊力之外尋找到新的借力。

就目前的問題，氣囊水下頂升還存在很大的問題：

（1）優化大型氣囊硫化工藝，縮小氣囊鋪平的凈高，從而縮小可用的限制高度以充分利用氣囊充氣過程中的頂升力。

（2）加大氣囊的抗穿刺性和耐磨性，可以考慮外敷抗穿刺耐磨材料。面對復雜的海底情況，保證氣囊的可靠性十分重要。

（3）根據具體情況加大氣囊的爆破極限，確定氣囊的安全使用范圍。

（4）通過計算和理論試驗了解在限制狀況下的氣囊的爆破能力的變化，盡最大可能提升氣囊的利用范圍。雖然通過理論計算，小曲率半徑氣囊的抗爆性能較大曲率半徑氣囊的抗爆性能會有所提高，但是在實際施工中仍缺乏相關的試驗來驗證。

（5）研究注入高壓水方式頂升的工藝，減小水下施工的風險。

（6）氣囊安裝工藝的優化，進一步減小氣囊安裝空間，提升接觸面積。

1981年在內河船廠缺乏下水滑道這一困難的背景下，技術人員提出了氣囊置于船底下滾動下水的構想并進行了不懈的試驗嘗試，最終試驗成功。 經過幾十年的發展，由于該技術成本低、效率高、可靠性好，目前這一技術已經發展成熟并在各個領域得到廣泛應用。 通過不斷的理論、實踐積累，水下氣囊頂升技術，甚至水下重物搬運技術最終都能走向成熟，從而引起打撈技術的革新和突破。

參考文獻：

[1].馮剛.高壓氣囊搬運大型沉箱技術在港口工程中的研究和應用[D].上海， 同濟大學， 2009

[2].杜杰.船舶氣囊下水的力學計算及工藝優化[D].武漢，武漢理工大學， 2008