新型大噸位沉船打撈內(nèi)置雙層氣囊的設(shè)計(jì)與計(jì)算

蔣 哲 黃紫巖

（1.交通運(yùn)輸部上海打撈局，上海 200090 2.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804）

0 前 言

沉船救助打撈技術(shù)是水上交通安全、港口生產(chǎn)、航道治理及海上應(yīng)急救援的重要保證。隨著“一帶一路”倡議和“海洋強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的實(shí)施[1]，海上貿(mào)易不斷繁榮，通航范圍不斷擴(kuò)大，海洋資源開(kāi)發(fā)不斷向深海進(jìn)發(fā)。這導(dǎo)致船舶事故地多發(fā)于遠(yuǎn)洋深海領(lǐng)域，且事故船只通常為大噸位滿負(fù)荷狀態(tài)，傳統(tǒng)的近海域、低負(fù)載、單一救援打撈裝備與方法難以適應(yīng)。因此，研發(fā)高負(fù)載、耐高壓、靈活低成本的沉船救援打撈技術(shù)迫在眉睫。

針對(duì)不同的海上救援場(chǎng)景，主流海上救援和打撈設(shè)備主要包括[2]：

(1)救助船舶，擁有較強(qiáng)的抗風(fēng)浪性能、耐波性能和適航能力，作為海上救助任務(wù)的平臺(tái)，配備大量救生設(shè)備；

(2)救助飛機(jī)，飛行救助是快速生命救助的最佳手段，機(jī)動(dòng)靈活，視野廣；

(3)搜救設(shè)備，用于遇險(xiǎn)目標(biāo)的搜尋定位，常用設(shè)備有雷達(dá)、衛(wèi)星定位儀、紅外夜視儀等；

(4)打撈工程船，沉船打撈工程的施工平臺(tái)，常用類(lèi)型為浮吊船，特點(diǎn)為甲板寬大開(kāi)闊，型深較小，方便布置設(shè)備和潛水作業(yè)；

(5)攻千斤裝備，沉船打撈的重要工藝，使用設(shè)備將鋼纜穿引過(guò)沉船底部，從而抬浮沉船。

(6)起浮裝備，起浮是沉船打撈的關(guān)鍵步驟，設(shè)備分為內(nèi)浮力和外浮力兩種。其中，浮吊船常常與打撈浮筒配合使用，用于打撈大型沉船，以降低浮吊船的吊力需求。

基于不同的打撈設(shè)備以及沉船船體的完整性，沉船打撈方法分為整體起浮法，分段起浮法，解體起浮法。按照浮力性質(zhì)分為浮力打撈法和機(jī)械力打撈法，具體分類(lèi)如圖1所示[3]。

圖1 打撈方法分類(lèi)

機(jī)械力打撈法是目前最常用的打撈方法，根據(jù)打撈設(shè)備主要包括：抬撬打撈法、吊桿打撈法、機(jī)械手打撈法和起拖手打撈法。其中，抬撬打撈法因其打撈方法穩(wěn)定可靠、系統(tǒng)布置靈活方便，已廣泛用于近海沉船打撈作業(yè)中。如：?jiǎn)芜吳舜驌品ㄓ靡粚?duì)或數(shù)對(duì)打撈船只平行并列在沉船左右兩側(cè)，打撈船分別與沉船的船舷安裝滑車(chē)組，各打撈船同步協(xié)調(diào)起吊沉船，具有較好的打撈穩(wěn)定性和適應(yīng)性。但該方法負(fù)載能力有限，易受遠(yuǎn)洋深海洋流及海浪影響，難以滿足深海大噸位沉船打撈作業(yè)要求[4]。

金屬浮筒打撈法和橡膠浮筒打撈法是經(jīng)典的外浮力打撈方法[5]。在打撈大型沉船的過(guò)程中，打撈浮筒雖然可以降低吊力需求，但是浮力分配、浮力控制難以把控。尤其針對(duì)大噸位沉船打撈場(chǎng)景，沉船穩(wěn)定性隨著沉船載重量的提高而更加難以控制。因此，基于內(nèi)浮力的起浮打撈方法引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。采用排水系統(tǒng)抽離沉船艙內(nèi)海水，利用海水浮力將船體自主打撈，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、操控靈活、低成本等優(yōu)勢(shì)。具體方法包括封艙抽水打撈法、封艙抽水-充氣打撈法、泡沫塑料打撈法和填充浮物打撈法[6]。封艙抽水是較傳統(tǒng)的打撈方法，對(duì)于船體強(qiáng)度要求較高，而且更適用于淺水區(qū)的沉船打撈。封艙抽水—充氣打撈法利用高密度壓縮空氣壓入船艙柜，將海水?dāng)D壓排出船體，適于打撈氣密性好且有縱隔艙的沉船[7]。泡沫塑料打撈法和填充浮物打撈法是將橡膠浮筒、柴油桶、泡沫塊等有浮力的材料放入沉船，利用浮力材料的起浮特點(diǎn)抬升沉船。然而，傳統(tǒng)的浮力起浮技術(shù)，由于排水過(guò)程較復(fù)雜，多適用于淺水區(qū)的沉船打撈，難以適應(yīng)深海、大噸位沉船打撈場(chǎng)景。

基于封艙抽水—充氣打撈法和填充浮物打撈法的打撈思想，我們創(chuàng)新性的將氣囊作為新型填充物。將氣囊布置于艙內(nèi)并進(jìn)行高壓充氣，可將艙內(nèi)海水?dāng)D壓排出，即將艙內(nèi)海水替換成密度較小的空氣。該方法能夠充分利用船體結(jié)構(gòu)，合理根據(jù)需求和船體剛度進(jìn)行浮力分配，有效地提升船內(nèi)的局部浮力，降低整體打撈時(shí)的局部集中力，避免起浮過(guò)程中船體的損壞，適應(yīng)深海高壓作業(yè)環(huán)境。

本文研究了用于大噸位沉船打撈的雙層氣囊的設(shè)計(jì)與計(jì)算方法，主要包括：氣囊的承受能力的計(jì)算、內(nèi)置雙層氣囊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、雙層氣囊受力分析、雙層氣囊的爆破壓強(qiáng)以及氣囊使用的安全性問(wèn)題。

1 沉船打撈用內(nèi)置雙層氣囊概述

1.1 沉船打撈用內(nèi)置氣囊

在大噸位沉船打撈過(guò)程中，常用的增加沉船浮力的輔助打撈方法，包括艙室充氣、外掛浮筒等。該方法充分利用了船體內(nèi)部空間，有效地提升了船艏的自浮力，大幅度減小了集中力和船體所受彎矩，從而保護(hù)船體結(jié)構(gòu)，防止打撈過(guò)程中船身的破壞，為沉船打撈做出了很大貢獻(xiàn)。

首先由潛水員將真空氣囊?guī)е了麓撝校脷饽业耐獠拷墡Ч潭ㄔ诖撝校缓筮B接管路充氣，在氣囊內(nèi)部達(dá)到額定壓強(qiáng)后關(guān)閉充氣閥，停止充氣。此時(shí)氣囊體積膨脹，將海水排出船艙，為船體提供浮力。

沉船內(nèi)部可以同時(shí)布置多個(gè)氣囊，從而均勻地提供內(nèi)浮力，例如：“世越”號(hào)的打撈過(guò)程就在船艏布置了27只內(nèi)置氣囊，有效保護(hù)了船體結(jié)構(gòu)，如圖2所示[8]。

圖2 “世越”號(hào)內(nèi)置氣囊布置示意圖

1.2 內(nèi)置雙層氣囊的結(jié)構(gòu)

內(nèi)置雙層氣囊的基本結(jié)構(gòu)包括氣囊本體、綁帶以及法蘭盤(pán)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 氣囊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

氣囊囊體為主體結(jié)構(gòu)，根據(jù)工作方式應(yīng)具備以下特點(diǎn)。(1)為便于潛水員安裝，氣囊材料應(yīng)質(zhì)量低、柔性良好；(2)為適應(yīng)復(fù)雜深海作業(yè)環(huán)境，需具有較好的耐腐蝕性和抗拉壓強(qiáng)度；(3)為適應(yīng)表面可能存在尖銳突起的船艙內(nèi)部，氣囊材料應(yīng)具有良好的抗穿刺特性，雙層氣囊結(jié)構(gòu)可有效避免氣囊被刺穿；(4)為提供足夠的浮力，根據(jù)氣囊的上下方水頭壓差，氣囊的強(qiáng)度應(yīng)足夠承受至少1.5 bar的內(nèi)外壓差。

氣囊的綁帶用于在船艙中固定氣囊，一般采用繩網(wǎng)包裹氣囊囊體并焊接在加固片上，兩端留有織帶，可以捆綁固定。

氣囊的法蘭盤(pán)焊接在氣囊一端，用于安裝充氣閥組、測(cè)壓閥組、以及安全閥組。其中充氣閥組和測(cè)壓閥組各安裝一個(gè)，分別用于氣囊充氣以及內(nèi)部壓力監(jiān)測(cè)。安全閥用于維持氣囊內(nèi)外壓差不超過(guò)額定值，沉船上升過(guò)程中，氣囊外壓力減小，內(nèi)壓力基本不變，故需要及時(shí)放出氣體。通過(guò)安裝多個(gè)安全閥來(lái)保證放氣速度，避免氣囊因壓差過(guò)大破裂。安全閥組數(shù)量的確定過(guò)程，具體在第3節(jié)中展示。

1.3 內(nèi)置雙層氣囊的設(shè)計(jì)流程

氣囊的設(shè)計(jì)計(jì)算流程如下：

(1)選定氣囊囊體的材料。氣囊的主要破壞方式為，一是被尖銳物體頂破，二是因內(nèi)外壓差過(guò)大而脹裂。因此材料應(yīng)當(dāng)具備優(yōu)良的抗頂破強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、以及塑性。海格隆-1000 TPU膜材料經(jīng)過(guò)測(cè)試后，各項(xiàng)參數(shù)如表1所示，可見(jiàn)其各項(xiàng)性能良好，可以被用作氣囊囊體的制作。

表1 海格隆-1000性能參數(shù)

(2)確定氣囊的幾何尺寸，包括直徑和長(zhǎng)度。幾何尺寸主要是根據(jù)實(shí)際的打撈情況，如沉船內(nèi)部船艙空間尺寸等來(lái)確定。氣囊的幾何尺寸決定了單一氣囊所能提供的浮力大小，從而可以計(jì)算出實(shí)際打撈時(shí)所需的氣囊總數(shù)目。

(3)計(jì)算氣囊的工作壓強(qiáng)。氣囊充氣后存在內(nèi)外壓差，由氣囊囊體承受，為避免囊體被破壞，氣囊的充氣壓強(qiáng)不能超過(guò)許用的工作壓強(qiáng)。

(4)計(jì)算氣囊的安全閥個(gè)數(shù)。沉船上浮過(guò)程中，海水壓強(qiáng)會(huì)不斷下降，因此需要放氣來(lái)減小氣囊內(nèi)部壓強(qiáng)。單一安全閥放氣速度有限，需要安裝多個(gè)來(lái)提高放氣速度，從而與船體起浮速度配合，避免氣囊破裂。

2 雙層氣囊承壓能力的理論計(jì)算

雙層氣囊承壓能力是氣囊工作的核心指標(biāo)之一，直接關(guān)系著打撈系統(tǒng)的工作性能。為此，我們對(duì)氣囊開(kāi)展了受力分析及氣囊爆破壓強(qiáng)分析。

2.1 雙層氣囊受力分析

對(duì)微分小塊的氣囊囊體材料進(jìn)行受力分析，力分解如圖3所示[9-10]。

圖4 微分小塊囊體材料受力分析。(A)為在YZ平面內(nèi)的視圖與在XY平面內(nèi)的視圖完全一致；(B)為(A)在XY平面內(nèi)的視圖

圖中，P是氣囊內(nèi)向氣囊外的氣壓；Fx、F-x、Fz、F-z是沿蒙皮切向，大致沿X、Z方向上的蒙皮內(nèi)的張力；Rx、Rz是蒙皮曲面在X、Z方向上的曲率半徑；Θ、β是該矩形蒙皮在X、Z兩個(gè)方向上的張角；Fxx是Fx在X方向上的投影、Fxy是Fx在Y方向上的投影；lx、ly是蒙皮曲面在XZ平面內(nèi)投影的矩形邊長(zhǎng)。Y方向上蒙皮受到的力包括，氣囊內(nèi)壓P形成的壓力、張力Fx、F-x、Fz、F-z在Y方向上的投影。根據(jù)材料力學(xué)分析，氣囊內(nèi)壓P形成的壓力為

由于蒙皮張力Fx、F-x、Fz、F-z在Y方向上的投影足夠小，所以使用了弧度與正弦相等的近似簡(jiǎn)化公式：

根據(jù)蒙皮在X、Y、Z方向上的受力分析，構(gòu)建受力平衡方程，可得：

設(shè)σx、σz為X、Z方向上的張力系數(shù)，則得到Fx、Fz的計(jì)算公式：

將公式(7)和(8)帶入公式(6)中并整理，可得蒙皮內(nèi)壓與其曲率半徑的關(guān)系：

由此可見(jiàn)，氣囊的曲率半徑越大，相同強(qiáng)度的材料所能承受的內(nèi)壓越小，故除了考慮船艙尺寸外，還需綜合考慮蒙皮材料和所需提供浮力，合理地設(shè)計(jì)氣囊的幾何尺寸。

一般使用的柱形氣囊，可以認(rèn)為其Z方向上的曲率半徑Rz=∞，故公式(9)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

也就是說(shuō)一般的柱形氣囊，在確定材料的囊體周向抗拉強(qiáng)度和直徑后，就可以根據(jù)公式(10)計(jì)算其理論許用壓強(qiáng)。

2.2 雙層氣囊的爆破壓強(qiáng)

爆破壓強(qiáng)即氣囊充氣破裂的極限壓強(qiáng)，氣囊實(shí)際工作時(shí)，除通過(guò)公式(10)計(jì)算理論計(jì)算值以外，還要考慮氣囊與法蘭盤(pán)之間的焊縫強(qiáng)度。

使用超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)TPU膜材料制備雙層結(jié)構(gòu)的小氣囊進(jìn)行充水爆破試驗(yàn)，氣囊直徑為500 mm、長(zhǎng)度為1 000 mm、焊縫寬度80 mm。

根據(jù)公式(10)，計(jì)算爆破壓強(qiáng)的理論值為P=1.2 MPa。充水爆破實(shí)驗(yàn)的實(shí)際爆破值為P'=1.05 MPa。比較理論值和實(shí)際值，1.05÷1.2×100%=87.5%，即證明焊縫的強(qiáng)度應(yīng)大于本體強(qiáng)度的85%。

綜上所述，氣囊的爆破壓強(qiáng)可將材料抗拉強(qiáng)度和氣囊尺寸帶入公式(10)，再乘以85%計(jì)算得出。

3 安全閥數(shù)量理論分析

3.1 安全閥數(shù)量理論計(jì)算

打撈過(guò)程中，隨著船體上升氣囊外壓降低，氣囊體積不變的情況下，為防止氣囊破裂，需要通過(guò)安全閥及時(shí)放氣，使氣囊的內(nèi)外壓差不超過(guò)爆破壓強(qiáng)。

在沉船提升過(guò)程中，我們可以認(rèn)為氣囊內(nèi)溫度不變，且處于理想狀態(tài)。根據(jù)氣體壓力公式，可得到提升前后氣體體積變化：

其中P1、P2為提升前后氣囊內(nèi)部壓強(qiáng)；V1、V2為提升前后氣囊原有內(nèi)部氣體大小。

那么提升前后，氣囊應(yīng)當(dāng)排出氣體體積為V排=V2-V1。氣囊上升過(guò)程中，安全閥的排氣速度v2可以根據(jù)伯努利方程：

其中，P1、P2為提升前后氣囊內(nèi)部壓強(qiáng)；ρ1、ρ2為氣囊內(nèi)氣體密度；V1、V2為安全閥排氣速度，初始狀態(tài)下V1=0；H1、H2為提升前后水深。

安全閥孔徑為d、數(shù)量為N，則總排氣孔面積為S=(Nπd2)/4。船體提升速度為v，則提升時(shí)間t=(H2-H1)/v。根據(jù)氣體流量公式可得：

將前文所求V排、V2、t代入公式(13)，即可求得總排氣孔面積S，從而求得排氣所需安全閥的數(shù)量。

3.2 安全閥數(shù)量仿真分析

基于3.1節(jié)的安全閥數(shù)量理論計(jì)算，開(kāi)展了打撈上升速度、沉船深度、氣囊體積對(duì)安全閥數(shù)量的仿真分析研究。仿真參數(shù)分別設(shè)定為：空氣密度40 kg/m3，上升深度1 m，海水密度1 050 kg/m3，安全閥直徑5 mm。以上升速度、沉船深度為輸入?yún)?shù)，安全閥數(shù)量為響應(yīng)值，進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖5所示。

在氣囊體積一定條件下，在同一沉船深度，隨著上升速度的增加，安全閥數(shù)量不斷增加。在氣囊體積一定條件下，在同一上升速度，隨著沉船深度的增加，安全閥數(shù)量不斷減小。在上升速度和沉船深度二者耦合作用下，安全閥數(shù)量急劇增加。主要原因是上升速度的增加必然導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)上升的距離越大，外部海水壓力越小。為保持氣囊內(nèi)外氣壓平衡，需在單位時(shí)間內(nèi)排出更多氣體，必然需要更多的安全閥。在保持仿真參數(shù)不變的條件下，以上升速度、氣囊體積為輸入?yún)?shù)，安全閥數(shù)量為響應(yīng)值，進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 上升速度、氣囊體積對(duì)安全閥數(shù)量的影響

在沉船深度一定條件下，在同一氣囊體積下，隨著上升速度的增加，安全閥數(shù)量不斷增加。在沉船深度一定條件下，在同一上升速度，隨著氣囊體積的增加，安全閥數(shù)量不斷增加。在上升速度和氣囊體積二者耦合作用下，安全閥數(shù)量急劇增加。主要原因是氣囊體積的增加必然導(dǎo)致氣囊內(nèi)部承載更多體積的氣體，為保持氣囊內(nèi)外壓力平衡，單位時(shí)間需排泄更多的氣體，需更多的安全閥。在保持仿真參數(shù)不變的條件下，以沉船深度、氣囊體積為輸入?yún)?shù)，安全閥數(shù)量為響應(yīng)值，進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 氣囊體積、打撈深度對(duì)安全閥數(shù)量的影響

在上升速度一定條件下，在同一氣囊體積下，隨著沉船深度的增加，安全閥數(shù)量不斷減小。在上升速度一定條件下，在同一沉船深度，隨著氣囊體積的增加，安全閥數(shù)量不斷增加。在氣囊體積和沉船深度二者耦合作用下，安全閥數(shù)量急劇增加。

4 計(jì)算實(shí)例

以50 t打撈氣囊為例，進(jìn)行氣囊的設(shè)計(jì)計(jì)算。已知，氣囊的設(shè)計(jì)浮力不小于50 t，采用雙層膜結(jié)構(gòu)。根據(jù)公式(14)，假設(shè)海水密度為ρ海=1 050 kg/m3，可得氣囊體積不應(yīng)小于 50 m3。

綜合打撈船體的實(shí)際情況，可以設(shè)計(jì)氣囊的直徑為2.5 m，長(zhǎng)度為10.5 m。

氣囊選用的材料為海格隆-1000，安全起見(jiàn)認(rèn)為氣囊的周向抗拉強(qiáng)度σx=7 500 N/5 cm。

4.1 雙層氣囊的承壓計(jì)算

雙層氣囊的直徑為2.5 m。選用材料為海格隆-1000，其抗拉強(qiáng)度不小于7 500 N/5cm，由于采用雙層結(jié)構(gòu)，則氣囊體的抗拉強(qiáng)度不小于15 000 N/5cm。焊接采用寬8 cm的搭接焊縫，強(qiáng)度不小于本體的85%。將以上數(shù)值代入公式(10)，可得：

取安全系數(shù)為5倍以上，則建議氣囊的正常充氣內(nèi)外壓強(qiáng)差為0.4 bar。

4.2 雙層氣囊的安全閥個(gè)數(shù)計(jì)算

假設(shè)安全閥孔徑為d=5 mm，水深為h=300 m，沉船提升速度為v=2 m/min。氣囊長(zhǎng)度為10.5 m，體積約為51.5 m3。

根據(jù)公式(15)可以計(jì)算得，初始位置海水壓強(qiáng)為P海=3.09 MPa，則氣囊內(nèi)壓強(qiáng)為P1=3.13 MPa，提升2 m之后，氣囊內(nèi)壓強(qiáng)為P2=3.11 MPa，將數(shù)據(jù)代入公式(11)，可計(jì)算得V排=0.33 m3。

初始狀態(tài)下空氣密度為ρ1=40 kg/m3，提升過(guò)程中假設(shè)空氣密度不變，代入公式(12)可計(jì)算得安全閥排氣速度為v2=32.2 m/s。總安全閥排氣孔面積為S=N*1.96×10-5m2，提升時(shí)間t=60 s，將以上數(shù)值代入公式(13)中可以求得，N=8.71≈9個(gè)，即安全閥不少于9個(gè)。

綜上所述，50 t雙層氣囊使用海格隆-1000作為囊體材料，直徑2.5 m，長(zhǎng)度10.5 m，法蘭盤(pán)與囊體之間焊接接縫寬度為8 cm。使用過(guò)程中充氣壓強(qiáng)與外部海水壓強(qiáng)差不超過(guò)0.4 bar，法蘭盤(pán)上安裝安全閥個(gè)數(shù)為9個(gè)。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)沉船打撈實(shí)際需求，分析氣囊材料力學(xué)性能，設(shè)計(jì)了內(nèi)置雙層氣囊結(jié)構(gòu)。結(jié)合氣囊工作狀態(tài)，開(kāi)展了受力分析及氣囊爆破壓強(qiáng)分析。基于氣囊內(nèi)外壓平衡條件，對(duì)安全閥數(shù)量進(jìn)行了理論計(jì)算。采用控制變量法，分析了沉船深度、氣囊體積及上升速度對(duì)安全閥數(shù)量的影響。仿真結(jié)果表明，隨著沉船深度，安全閥數(shù)量不斷減小；隨著氣囊體積和上升速度的增加，安全閥數(shù)量不斷增加。最后，針對(duì)50 t打撈氣囊，進(jìn)行了氣囊的設(shè)計(jì)計(jì)算。設(shè)計(jì)結(jié)果為：囊體材料為海格隆-1000，直徑2.5 m，長(zhǎng)度10.5 m，法蘭盤(pán)與囊體的焊縫寬度為8 cm。內(nèi)外壓差不超過(guò)0.4 bar，安全閥為9個(gè)。本文提出了一種用于大噸位沉船打撈的雙層氣囊的設(shè)計(jì)與計(jì)算方法，能夠充分利用船體結(jié)構(gòu)，合理根據(jù)需求和船體剛度進(jìn)行浮力分配，避免起浮過(guò)程中船體的損壞，適應(yīng)深海高壓作業(yè)環(huán)境，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。