新型大噸位沉船打撈內(nèi)置海格隆雙層氣囊的設(shè)計與計算

永泰長榮

大噸位沉船打撈技術(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(jié)構(gòu)，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(shè)計內(nèi)置雙層氣囊結(jié)構(gòu)。結(jié)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(shè)計過程。
關(guān)鍵詞：沉船打撈；內(nèi)置雙層氣囊；氣囊結(jié)構(gòu)設(shè)計



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(lǐng)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(shù)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(shè)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(shè)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(shè)備，用于遇險目標的搜尋定位，常用設(shè)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(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(shè)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(cè)，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(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(shù)，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拇驌扑枷耄覀儎?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(jié)構(gòu)，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(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)，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(guān)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(jié)構(gòu)，如下圖 所示。



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，結(jié)構(gòu)簡圖如圖 3 所示。


圖 3　氣囊結(jié)構(gòu)簡圖
氣囊囊體為主體結(jié)構(gòu)，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(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(shè)計流程
氣囊的設(shè)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(guān)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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