“世越號”打撈采用鏈式提升器進行船首系固方法

汪有軍 王偉平 陳世海

“世越號”打撈采用鏈式提升器進行船首系固方法

汪有軍 王偉平 陳世海

在“世越號”沉船打撈中，上海打撈局按照韓國方面保護遇難者遺體、不損壞船體的打撈要求，采用了鋼梁托底，整體打撈的施工方案，對“世越號”沉船進行整體打撈。為將托底鋼梁安裝到沉船底部，采用將船首吊起，再將托底鋼梁組整體拖絞移位到沉船底部的方案。在船首吊起過程中，為保證船體的穩(wěn)定，采用由重力錨、系泊錨鏈、鏈式提升器、系泊鋼絲繩等組成的一套船首系固系統(tǒng)，對船體進行系固，確保船體在起吊后不會由于水流作用發(fā)生較大的位置移動，而影響到后續(xù)的鋼梁就位。通過對這套水下系固系統(tǒng)的設計計算分析、施工安裝以及實際應用效果的描述，對該套水下系固系統(tǒng)進行詳細介紹，以利于在其他類似項目中推廣使用。

鏈式提升器；重力錨；沉船系固

對于在海底的沉船，在打撈施工作業(yè)過程中經(jīng)常面臨著沉船受到水流作用力而發(fā)生位置移動，導致后續(xù)難以進行打撈作業(yè)的情況。為了保證船體在打撈過程中的穩(wěn)定，需要對沉船進行系固。通常采用為沉船拋錨作為系固沉船的方法，但由于該方法只能防止沉船進一步的移位，不能保證船體姿態(tài)的穩(wěn)定，對于進行打撈施工效果有限。為此，考慮采用水下張緊設備，將沉船系固在安裝在水下的重力錨上，可以確保船體在水流力作用下，不會發(fā)生大的移動，有利于后續(xù)的打撈施工作業(yè)。

一、背景介紹

在“世越號”打撈工程中，上海打撈局采用了鋼梁托底、整體抬浮打撈的施工方法。在托底鋼梁組的布放過程中，需要將船首部分吊起，使船底與海床之間出現(xiàn)空檔，再將拼接成整體的鋼梁組通過拖拉移動到船體下方，在鋼梁組到位后將船體下放，并落放在鋼梁組上。

由于打撈施工水域流速較快，在船體起吊后，整體受到較大的水流沖擊力，將會在水平方向發(fā)生偏移，如果不采取措施，船體將在水流作用下來回擺動，對于后續(xù)施工造成不利影響，為此，考慮設計一套水下系固系統(tǒng)，將船首位置固定住，限制其移動范圍和運動幅度，以便在落放過程中保持船體在較小的范圍內(nèi)運動，不會對下放船體到托底鋼梁上造成影響。

二、船首系固系統(tǒng)設計

根據(jù)對韓國“世越號”沉沒現(xiàn)場的水文氣象資料分析，在進行吊船首的施工作業(yè)時，可能的施工作業(yè)窗口為：水流速度小于2節(jié)，風力小于5級風，10.8米/秒，有義浪高小于1.0米。在該氣象窗口下，可作業(yè)的時間窗口約有3天。在此期間，需要完成吊船首的打撈浮筒充氣、艙室充氣、內(nèi)置氣囊充氣、外置橡膠浮筒充氣、起吊索具掛鉤、系固系統(tǒng)調(diào)節(jié)等各項工作。在這些工作完成后，進行船首起吊。船首吊起后，需要2～3天的時間完成鋼梁組就位工作。在此期間，輔助施工船舶將托底鋼梁從沉船底部拖拉穿過船底，并調(diào)整到合適的位置和角度，確保船體能按照預定的位置落放在托底鋼梁上。

根據(jù)施工時的氣象條件，對“世越號”在水下船首吊起后，整體的受力情況進行分析，初步估算在2節(jié)橫向水流的作用下，整體將受到約200噸的水流沖擊力。在系固系統(tǒng)作用下，船體需要保證在受到200噸水流沖擊力的作用下，不至于發(fā)生大的位移（控制在1米范圍以內(nèi)）。在設計上，考慮一定的安全系數(shù)和設計的余量，設定系固裝置的最大受力為250噸，整個系統(tǒng)的安全負荷為250噸，按照此項條件進行船首系固系統(tǒng)的設計校核。

為保持“世越號”吊起后的沉船船體穩(wěn)固，用2個250噸的重力錨作為系固系統(tǒng)的根基，在重力錨上連接50米的鏈徑為102毫米的錨鏈，作為系固系統(tǒng)的基礎。一臺300噸拉力的水下鏈式提升器通過短纜與錨鏈連接。在沉船船體上，用直徑106毫米的鋼絲繩捆綁，作為船上的系固點。系固鋼絲繩直徑106毫米，破斷拉力到達500噸，大大增強了系固系統(tǒng)的安全系數(shù)。與船體連接的鋼絲繩末端連接150米的高強度錨鏈，一方面作為系固錨鏈增加系泊強度，另一方面，錨鏈穿過鏈式提升器，作為牽引提升用工作鏈條。

在“世越號”打撈的吊船首施工中，船首系固系統(tǒng)的布置如下：

重力錨—50米錨鏈—鏈式提升器—150米系固錨鏈—250米系固鋼絲繩—80米綁船體鋼絲繩—船體，在不同的組合之間采用卸扣和鋼絲繩等進行連接。

系統(tǒng)配置圖如圖1所示。

圖1 船首系固系統(tǒng)配置圖

三、系固系統(tǒng)的安裝

“世越號”打撈船首系固系統(tǒng)的安裝主要分成三個部分：一是重力錨的安裝；二是船體部分系固鋼纜的安裝；三是鏈式提升器的安裝和預張緊。

重力錨作為水下拉力點的基礎，對于船體系固系統(tǒng)非常重要。根據(jù)海底地質(zhì)條件，計劃采用抓斗水下抓挖基坑的方式，在海底挖掘出一個10米長、8米寬、5米深的基坑，將重力錨布放在基坑里面，通過重力錨的重量和擋土力，為系固系統(tǒng)提供堅實的拉力基礎。

根據(jù)設計和安裝需要，在“世越號”打撈工程中，總共制作了4個250噸的重力錨。每個重力錨放在泥面以下深度為2米的基坑中，根據(jù)現(xiàn)場測試，單個250噸重力錨可以承受210噸以上的拉力，而不會被拖拉移位。實際重力錨可承受的拉力極限由于測試條件限制，未能測到更大的拉力值。單個重力錨為長度7米、寬度5米、高度3.6米左右的梯形楔塊，混凝土澆筑而成，原預計下放到泥面以下5米的深坑中，因?qū)嶋H開挖基坑發(fā)現(xiàn)，泥面以下2米就是巖石層，抓斗無法繼續(xù)下挖，只能挖到泥面以下2米深度。見圖2。

圖2 250 t重力錨設計圖（單位：mm）

與重力錨連接的有50米長鏈徑76毫米的R4級高強度錨鏈，通過銷軸與重力錨上的眼板連接起來。重力錨上布置4個吊點，采用浮吊進行重力錨吊放下水。

對于單側(cè)的兩個重力錨，由于采用并聯(lián)連接，而且兩個錨塊在預拉完成后會有前后錯位，導致連接錨鏈的終端可能不會在一個位置，為保證與鏈式提升器連接的同步，采用1根直徑106毫米、長度39米的鋼絲繩，對折使用，分別連接2個重力錨，鋼絲繩的中間連接一個400噸卸扣，這個卸扣再分別與連接鏈式提升器的2根直徑106毫米、長度6.5米的短鋼纜連接，形成如圖3所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖3 系泊系統(tǒng)配置圖

鏈式提升器下放到位后，由潛水員進行水下與鋼絲繩的連接。鏈式提升器設計圖如圖4所示。

在船體上的系固鋼絲繩，首先在船首下方穿過直徑48毫米的牽引鋼絲繩，然后將系固的直徑106毫米的鋼絲繩引過，用200噸卸扣鎖定在船首位置，再鋪設系泊纜和錨鏈等，直到錨鏈接近到鏈式提升器位置，最后將系泊錨鏈穿引過鏈式提升器，并盡量拉緊。

整個系統(tǒng)安裝完成后，采用鏈式提升器進行船首系固系統(tǒng)的收緊。鏈式提升器的油缸和兩個擋塊結(jié)構(gòu)將錨鏈的鏈環(huán)逐漸從船首方向往外牽拉，拉出提升器的錨鏈利用施工船舶的甲板絞車進行拖拉移開。鏈式提升器由主提升油缸和前后兩個擋塊A、B組成，A是固定擋塊，B為移動擋塊。

圖4 鏈式提升器設計圖

進行鏈式提升器收緊施工的主要操作步驟如下：

（1）錨鏈穿過鏈式提升器后，拉到一定位置，將固定擋塊A放下，鎖住錨鏈；

（2）B擋塊打開，將拉伸油缸進行初步伸長，直到B擋塊可以下放卡住錨鏈；

（3）B擋塊下放，卡住錨鏈；

（4）油缸略微伸長，直到B擋塊與錨鏈貼緊，A擋塊與錨鏈脫離接觸；

（ 5）打開A擋塊；

（6）提升油缸繼續(xù)伸長，拉伸錨鏈，直到油缸行程接近到底；

（7）觀察此時A擋塊的位置，確保此時A擋塊下放后可以正好卡住錨鏈，A擋塊下放，卡住錨鏈；

（8）提升油缸略微收縮，將拉力轉(zhuǎn)移到A擋塊上承擔，B擋塊上不受力；

（9）打開B擋塊；

（10）拉伸油缸縮回，到接近最小行程位置，觀察B擋塊可以下放到卡住錨鏈的位置；

（11）下放B擋塊，卡住錨鏈；

（12）將拉伸油缸伸長，直到B擋塊受力，A擋塊松弛下來；

（13）打開A擋塊；

（14）提升油缸繼續(xù)伸長，重復步驟（6）—（13），將錨鏈拉伸；

（15）當錨鏈收緊到預定的預張拉力后，測量觀察系固錨纜的狀態(tài)。

通過以上操作，用鏈式提升器將船體系固系統(tǒng)預張到一定的拉力，保證了船體吊起后在水流作用下船體將只會在較小的范圍內(nèi)水平移動。由于系固系統(tǒng)預張到一定的拉力，當船體發(fā)生水平位移時，系固系統(tǒng)的拉力將會隨著水平方向移動距離的增加而大大增加，從而提供給船體一個較大的回復力。

四、計算分析

在進行船首系固系統(tǒng)的設計和施工時，通過一系列計算分析確定了系固系統(tǒng)的各項參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)進行系統(tǒng)的設計。對系固系統(tǒng)設計的計算分析有下面幾點。

（1）沉船受力的計算分析：根據(jù)施工作業(yè)的海況條件和氣象分析，初步判斷，進行船首起吊的施工將選擇小汛期間進行，整個作業(yè)窗口期間，現(xiàn)場的最大水流速度為2.5節(jié)，起吊船首時，風浪條件限定為風速在6級以下，即風速小于10.8米/秒，有義浪高小于1米。同時，在施工作業(yè)期間，沒有長涌。根據(jù)以上情況，對沉船船首起吊后的整體受水流作用力進行了計算。計算采用經(jīng)驗公式，將沉船船體分成若干個微段，每段在橫向的水流作用下將會受到一個水流的作用力。船體受力圖如圖5所示。

圖5 船體受力圖

對某個微段，水流作用力Fc分成三個部分：摩擦阻力Rf，形狀阻力Rx，附加阻力Ra。

總阻力Fc=Rf+Rx+Ra。

其中：Rf=0.5×Cf×ρ×v2×S，Rx=0.5×Cx×ρ×v2×A；Ra=0.1×（Rf+Rx）；v為流速；Cf為摩擦阻力系數(shù)；S為微段水下濕表面積；Cx為形狀阻力系數(shù)；A為微段受流作用橫截面積；ρ為海水密度。

根據(jù)對船體各微段的計算，最后得到在不同流速作用下，船體船首部分吊起后，船體受到的水流作用力大小如表1所示。

由此可見，在2.5節(jié)以上的水流作用下，當船首吊起后，船體將會受到較大的作用力，這個作用力將會導致船體繞著船尾部與海底的支撐點進行旋轉(zhuǎn)，而吊起船首的浮吊只能提供垂直方向的吊力，無法提供水平方向的力來平衡該水流作用力，只能通過水下系固措施來抵消水流作用力。

表1 沉船受水流力計算結(jié)果

（2）系固系統(tǒng)預張緊力分析：對于不同的系固系統(tǒng)預張緊拉力情況，分析在船體受到不同的水流作用力下，船體將發(fā)生的水平位移情況，由此評估如何來預緊這套系固系統(tǒng)，合理進行預緊拉力的設定。

首先對于系固系統(tǒng)的懸鏈線進行分析，了解系固系統(tǒng)在不同拉力情況下的狀態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)系統(tǒng)設計，可以計算在各種狀態(tài)下的懸鏈線形態(tài)。

圖6為系固系統(tǒng)的懸鏈線模型，L1為系固鋼絲繩，L2和L3為系固錨鏈，通過鏈式提升器對懸鏈線進行收緊，導致L2的長度發(fā)生變化。在初始狀態(tài)下，系固錨鏈L2和L3以及部分鋼絲繩躺在海底，當鏈式提升器逐漸收緊時，將部分錨鏈和鋼絲繩拉離海底。

圖6 系固系統(tǒng)懸鏈線模型

在不同的拉力情況下，可以計算得到拉起系泊錨鏈長度、總體水平距離、拉力大小等參數(shù)，如表2所示。

表2 系泊懸鏈線分析結(jié)果

實際懸鏈線數(shù)據(jù)為一個數(shù)組，這些數(shù)據(jù)根據(jù)不同的需要存儲在文件中，以便分析使用。對于一個具體的預緊力，假設預拉到60噸拉力，懸鏈線上端點處于某個位置，當該端點在水平方向前后發(fā)生位置偏移后，對應的懸鏈線拉力也會發(fā)生變化，如表3所示。

表3 預張系泊懸鏈線偏移受力分析結(jié)果

對于單根懸鏈線，在預張收緊后，當上系固點發(fā)生位置偏移后，收緊的拉力將會發(fā)生變化，這將導致系統(tǒng)的回復力發(fā)生變化。部分拉力變大，部分變小，總體將導致系統(tǒng)回復到原平衡位置。對于上例，在預緊60噸拉力情況下，上系固點水平位置偏移0.3米，一端拉力將增大到174噸，另一端減小為35噸，總的回復力為139噸，該回復力將可以抵抗一定的水流作用力，使船體不會在水流力作用下繼續(xù)偏移。

（3）系固系統(tǒng)受力情況分析：考慮到水流的方向會隨著時間、潮漲潮落而變化，需要系固系統(tǒng)能夠提供兩個方向的回復力。為此，在船首的兩側(cè)，分別布置一套系固系統(tǒng)。在兩套系固系統(tǒng)張緊后，當船首吊起，船體受到一定的水流力作用時，會由于力的不平衡而發(fā)生位移，導致一側(cè)的系固懸鏈線拉緊，回復力增大，另一側(cè)的系固懸鏈線松弛，回復力減小，兩者的差值即為總體的回復力，當該力小于水流作用力時，船體會在水平方向繼續(xù)移動，當該系固系統(tǒng)的回復力與外力相等時，船體將沒有移動的加速度，達到平衡狀態(tài)。當水流作用力減小時，系固系統(tǒng)的回復力將拉著船體向相反的方向移動，回復到平衡位置。由于在整個過程中，力與船體之間的作用力較小，對于船體的運動動態(tài)作用微乎其微，在此不考慮動態(tài)作用的影響。

根據(jù)系固系統(tǒng)的預張力分析，再結(jié)合兩端系固系統(tǒng)的位置姿態(tài)等，對于在2.5節(jié)水流力作用下的船體，在水平位置偏移大于0.3米時，回復力矩將大于偏移力矩，船體將在該范圍內(nèi)保持平衡。計算表格如表4所示。

表4 系泊系統(tǒng)受水流力作用下受力校核結(jié)果

根據(jù)對于系固系統(tǒng)的計算分析，對于船首系固系統(tǒng)，當系固的預緊拉力達到一定程度后，在船首吊起，船體受到預計工況條件下的水流作用力時，整個船體的運動幅度會控制在±0.3米的范圍內(nèi)，對于進行后續(xù)的底部托底鋼梁的安裝和就位幾乎不會造成影響。對于船首18根鋼梁的整體安裝和就位，這套船首系固系統(tǒng)發(fā)揮了很大的作用。

五、應用效果

在進行“世越號”打撈的船首起吊階段，由于船首系固系統(tǒng)初始進行了預緊，預緊拉力在70噸左右，在船首起吊約10米高度后，吊機上的負荷增加很小，幾乎沒有變化，這與計算情況比較符合。在系固系統(tǒng)預張一定拉力后，吊機對沉船的垂直提升，系固懸鏈線幾乎不對吊力產(chǎn)生影響，增加的吊力很有限，而提升后，船體的水平位移對于系固系統(tǒng)上的拉力增減非常明顯。在實際吊船首作業(yè)期間，天氣狀況較好，在吊船首期間，由于正值小汛，潮水的速度較慢，現(xiàn)場也沒有出現(xiàn)惡劣的氣象狀況，整體作業(yè)相當平穩(wěn)。船首部分在系固系統(tǒng)的作用下，在水流中只有微小幅度的移動，對于后續(xù)的鋼梁穿引和就位，該套系統(tǒng)起了相當大的作用。鋼梁拖拉到位后，再進行船體的下放，此時船體在水平方向基本沒有大的移動，平穩(wěn)地進入鋼梁組的預定位置。

六、總結(jié)

本文介紹了一套海底沉船和結(jié)構(gòu)物的系固系統(tǒng)，該系統(tǒng)由重力錨、鏈式提升器、系泊錨鏈和系泊鋼纜等組成，通過使用水下鏈式提升器進行系固系統(tǒng)的收緊，可以將海底沉船沉物牢牢地固定住，解決了水下缺乏大噸位牽引設備，難以對系固錨纜進行收緊的問題。

該套水下系固系統(tǒng)也可以根據(jù)需要安裝在各種海洋結(jié)構(gòu)物上，通過鏈式提升器的預拉收緊，進行海洋結(jié)構(gòu)物的系固穩(wěn)定，對于海洋安裝和打撈施工都具有重要的意義。

征訂啟事

《世界海運》（World Shipping）雜志于1978年10月創(chuàng)刊，由交通運輸部主管、大連海事大學主辦，國際標準刊號ISSN 1006-7728，國內(nèi)統(tǒng)一刊號CN 21-1284/U，面向國內(nèi)外公開發(fā)行。

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10.16176/j.cnki.21-1284.2017.10.003

汪有軍（1978—），男，交通運輸部上海打撈局技術中心副總經(jīng)理，高級工程師，碩士。

王偉平（1960—），男，交通運輸部上海打撈局工程船隊書記，高級工程師，碩士。

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