橡膠頂升氣囊在水下工程中的應(yīng)用

jimosea

2017年3月22日，在韓國珍島海域，交通運(yùn)輸部上海打撈局經(jīng)過590天的艱苦奮戰(zhàn)，在這一天成功將沉沒1077天的“世越號(hào)”成功打撈上岸。在 “世越號(hào)”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(jìn)行了不懈的嘗試和探索。探索中積累的很多經(jīng)驗(yàn)值得探索和討論。其中一個(gè)嘗試為利用2只Φ3.5m x 9m助浮氣囊置于船底進(jìn)行海底頂升試驗(yàn)。經(jīng)過精心的準(zhǔn)備和嘗試，在橡膠氣囊充氣達(dá)到3bar壓力，高壓氣囊成功將難船船尾頂起20cm以上， 驗(yàn)證了高壓氣囊在水下施工中能夠起到一定的作用，產(chǎn)生一定的價(jià)值。 該方法也為我局在難船打撈及海工施工領(lǐng)域的新方法進(jìn)行了嘗試和探索，并積累了一定的施工經(jīng)驗(yàn)，為該方法在以后工程中的應(yīng)用提供了借鑒。 本文從應(yīng)用原理方面分析了這次試驗(yàn)，對橡膠氣囊頂升方法在難船打撈工程中的應(yīng)用進(jìn)行了探討和思考。

　　關(guān)鍵詞：世越號(hào);打撈工程;橡膠氣囊;頂升;搬運(yùn)

　　圖1.1 某船舶氣囊下水實(shí)例

　　橡膠氣囊在我國的工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。其主要應(yīng)用有水中助浮、管道堵塞、制作混凝土構(gòu)件以及提升轉(zhuǎn)運(yùn)等。 其中高壓氣囊提升搬運(yùn)技術(shù)尤其是該技術(shù)在船舶下水領(lǐng)域的應(yīng)用自1981年試驗(yàn)成功以來，經(jīng)過了三十多年的發(fā)展已經(jīng)形成了比較成熟的工藝，相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)也較為全面。 迄今為止，我國已成功實(shí)現(xiàn)55000噸遠(yuǎn)洋散貨船利用氣囊技術(shù)順利下水[1],[2]。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(xiàng)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(kuò)展和開拓的空間。

　　本次“世越號(hào)”項(xiàng)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(jié)構(gòu)上，輔助船頭起吊作業(yè)，在整個(gè)打撈項(xiàng)目中起到了關(guān)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(fā)揮。 利用氣囊的這種頂升能力在岸上大型結(jié)構(gòu)件搬運(yùn)和新船下水方面有很廣泛的應(yīng)用。 其中交通運(yùn)輸部廣州的打撈局在打撈“南海一號(hào)”古沉船中，成功使用了高壓氣囊轉(zhuǎn)運(yùn)打撈沉箱至水晶宮中的方案。 但是在國內(nèi)外以往的打撈和海洋工程施工中，還沒有任何在海底進(jìn)行沉船頂升和轉(zhuǎn)運(yùn)的應(yīng)用和嘗試。 這次由于韓方提供的地質(zhì)條件不準(zhǔn)確，在“世越號(hào)”船尾穿引高吊梁的過程中暫時(shí)遇到了困難，在這個(gè)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?qū)㈦y船頂?shù)筋A(yù)定高度，順利穿引鋼梁，對于項(xiàng)目而言，是最經(jīng)濟(jì)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(jīng)驗(yàn)和方法對我們探索新方法和新打撈工藝也是一個(gè)非常大的幫助。

　　1 氣囊頂升試驗(yàn)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(nèi)壓和接觸面積，接觸面積越大，內(nèi)壓越高，提供的頂升力就越大。單個(gè)氣囊的接觸面積與頂升起始高度、氣囊的直徑有關(guān)。

圖1 氣囊受壓截面圖

　　如圖1所示，在無限制的充氣狀態(tài)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(shè)不考慮橡膠的彈性伸長，氣囊的截面周長為定值，此時(shí)氣囊與重物之間的接觸長度的計(jì)算公式為：

　　這時(shí)單位長度氣囊能夠提供的頂升力為：

　　以“世越號(hào)”現(xiàn)場頂升試驗(yàn)所用氣囊為例，其直徑為3.5m，長度為9m， 爆破內(nèi)壓為5Bar?？紤]到一定的安全系數(shù)，最大試驗(yàn)相對內(nèi)壓取3Bar，通過計(jì)算不同的限制高度下氣囊可提供的頂升力，所得結(jié)果如圖2.2所示。 根據(jù)圖中所示， 如果船體與海底有0.2m的空間，此時(shí)放入氣囊，充氣到相對內(nèi)壓3Bar，則每米氣囊能夠提供165T左右的頂升力，9米的單個(gè)氣囊可提供1500T左右的頂升力。當(dāng)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(huì)有一定的減弱。例如同樣的氣囊，在限制高度為1米時(shí)，充入相對內(nèi)壓3Bar的氣體，每米氣囊的頂升力為120T，9米單個(gè)氣囊可提供1080T的頂升力。實(shí)際試驗(yàn)中，在給氣囊充氣過程中，難船會(huì)隨著氣囊內(nèi)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(shí)，隨著難船支點(diǎn)的前移，抬浮變得越來越困難。

　　圖2 氣囊頂升力對照

　　1.2 難船在頂升過程中的運(yùn)動(dòng)

　　圖3 氣囊頂升試驗(yàn)示意圖

　　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(jù)初步估算，難船的重心位于鋼梁組靠船尾末端附近。 此時(shí)，設(shè)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(shí)杠桿的放大系數(shù)為1+L1/L2。若氣囊將難船頂起，支點(diǎn)前移S，此時(shí)，此時(shí)杠桿的放大系數(shù)為1+L1/(L2+S), 杠桿放大系數(shù)減小

，頂升作用效果會(huì)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(chǔ)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(bǔ)頂升潛力的損失。