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青島永泰長榮

標題: 新型大噸位沉船打撈內(nèi)置海格隆雙層氣囊的設計與計算 [打印本頁]

作者: 永泰長榮 時間: 2023-12-30 17:40
標題: 新型大噸位沉船打撈內(nèi)置海格隆雙層氣囊的設計與計算

大噸位沉船打撈技術是水上交通安全、港口生產(chǎn)、航道治理及海上應急救援的重要保證。本文提出了內(nèi)置雙層氣囊的打撈方法，能夠充分利用船體結構，避免起浮過程中船體的損壞，滿足深海大噸位沉船打撈需求。根據(jù)沉船打撈實際作業(yè)條件及需求，分析氣囊材料力學性能，設計內(nèi)置雙層氣囊結構。結合氣囊水下受力狀態(tài)，開展氣囊受力分析及氣囊爆破壓強分析?；跉饽覂?nèi)外壓平衡條件，對安全閥數(shù)量進行理論計算。采用控制變量法，分析上升速度、氣囊體積及沉船深度對安全閥數(shù)量的影響。最后，以 50 t 打撈氣囊為實例，展示具體計算及設計過程。
關鍵詞：沉船打撈；內(nèi)置雙層氣囊；氣囊結構設計

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

針對不同的海上救援場景，主流海上救援和打撈設備
主要包括 [2]：
(1) 救助船舶，擁有較強的抗風浪性能、耐波性能和適航能力，作為海上救助任務的平臺，配備大量救生設備；
(2) 救助飛機，飛行救助是快速生命救助的最佳手段，機動靈活，視野廣；
(3) 搜救設備，用于遇險目標的搜尋定位，常用設備有雷達、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，常用類型為浮吊船，特點為甲板寬大開闊，型深較小，方便布置設備和潛水作業(yè)；
(5) 攻千斤裝備，沉船打撈的重要工藝，使用設備將鋼纜穿引過沉船底部，從而抬浮沉船。
(6) 起浮裝備，起浮是沉船打撈的關鍵步驟，設備分為內(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械力打撈法，

打撈方法分類
機械力打撈法是目前最常用的打撈方法，根據(jù)打撈設備主要包括：抬撬打撈法、吊桿打撈法、機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：單邊撬打撈法用一對或數(shù)對打撈船只平行并列在沉船左右兩側，打撈船分別與沉船的船舷安裝滑車組，各打撈船同步協(xié)調(diào)起吊沉船，具有較好的打撈穩(wěn)定性和適應性。但該方法負載能力有限，易受遠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

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。在打撈大型沉船的過程中，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。尤其針對大噸位沉船打撈場景，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內(nèi)外學者的廣泛關注。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)簡單、操控靈活、低成本等優(yōu)勢。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。封艙抽水是較傳統(tǒng)的打撈方法，對于船體強度要求較高，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，將海水擠壓排出船體，適于打撈氣密性好且有縱隔艙的沉船。

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抬升沉船。然而，傳統(tǒng)的浮力起浮技術，由于排水過程較復雜，多適用于淺水區(qū)的沉船打撈，難以適應深海、大噸位沉船打撈場景?；诜馀摮樗錃獯驌品ê吞畛涓∥锎驌品ǖ拇驌扑枷?，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)并進行高壓充氣，可將艙內(nèi)海水擠壓排出，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構，合理根據(jù)需求和船體剛度進行浮力分配，有效地提升船內(nèi)的局部浮力，降低整體打撈時的局部集中力，避免起浮過程中船體的損壞，適應深海高壓作業(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計與計算方法，主要包括：氣囊的承受能力的計算、內(nèi)置雙層氣囊的結構設計、雙層氣囊受力分析、雙層氣囊的爆破壓強以及氣囊使用的安全性問題。

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，從而保護船體結構，防止打撈過程中船身的破壞，為沉船打撈做出了很大貢獻。首先由潛水員將真空氣囊?guī)е了麓撝?，用氣囊的外部綁帶固定在船艙中，然后連接管路充氣，在氣囊內(nèi)部達到額定壓強后關閉充氣閥，停止充氣。此時氣囊體積膨脹，將海水排出船艙，為船體提供浮力。沉船內(nèi)部可以同時布置多個氣囊，從而均勻地提供內(nèi)浮力，例如：“世越”號的打撈過程就在船艏布置了 27 只內(nèi)置氣囊，有效保護了船體結構，如下圖所示。
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1.2　內(nèi)置雙層氣囊的結構
內(nèi)置雙層氣囊的基本結構包括氣囊本體、綁帶以及法蘭盤，結構簡圖如圖 3 所示。
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圖 3　氣囊結構簡圖
氣囊囊體為主體結構，根據(jù)工作方式應具備以下特點。
(1) 為便于潛水員安裝，氣囊材料應質(zhì)量低、柔性良好；
(2)為適應復雜深海作業(yè)環(huán)境，需具有較好的耐腐蝕性和抗拉壓強度；
(3) 為適應表面可能存在尖銳突起的船艙內(nèi)部，氣囊材料應具有良好的抗穿刺特性，雙層氣囊結構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，氣囊的強度應足夠承受至少 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。氣囊的法蘭盤焊接在氣囊一端，用于安裝充氣閥組、測壓閥組、以及安全閥組。其中充氣閥組和測壓閥組各安裝一個，分別用于氣囊充氣以及內(nèi)部壓力監(jiān)測。安全閥用于維持氣囊內(nèi)外壓差不超過額定值，沉船上升過程中，氣囊外壓力減小，內(nèi)壓力基本不變，故需要及時放出氣體。通過安裝多個安全閥來保證放氣速度，避免氣囊因壓差過大破裂。安全閥組數(shù)量的確定過程，具體在第 3 節(jié)中展示。
1.3　內(nèi)置雙層氣囊的設計流程
氣囊的設計計算流程如下：
(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)外壓差過大而脹裂。因此材料應當具備優(yōu)良的抗頂破強度、拉伸強度、以及塑性。海格隆 -1000 TPU 膜材料經(jīng)過測試后，各項參數(shù)如表 1 所示，可見其各項性能良好，可以被用作氣囊囊體的制作。

(2) 確定氣囊的幾何尺寸，包括直徑和長度。幾何尺寸主要是根據(jù)實際的打撈情況，如沉船內(nèi)部船艙空間尺寸等來確定。氣囊的幾何尺寸決定了單一氣囊所能提供的浮力大小，從而可以計算出實際打撈時所需的氣囊總數(shù)目。
(3) 計算氣囊的工作壓強。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，氣囊的充氣壓強不能超過許用的工作壓強。
(4) 計算氣囊的安全閥個數(shù)。沉船上浮過程中，海水壓強會不斷下降，因此需要放氣來減小氣囊內(nèi)部壓強。單一安全閥放氣速度有限，需要安裝多個來提高放氣速度，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算
雙層氣囊承壓能力是氣囊工作的核心指標之一，直接關系著打撈系統(tǒng)的工作性能。為此，我們對氣囊開展了受力分析及氣囊爆破壓強分析。

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聲明：以上有關船用氣囊和橡膠護舷的資料部分會青島永泰長榮工廠技術資料，也有網(wǎng)絡上搜集下載所得，本著氣囊護舷行業(yè)資料共享的精神，我們拿出來分享，如有侵權，請聯(lián)系0532-84592888刪除，謝謝

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