橡膠頂升氣囊在水下工程中的應用

jimosea

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

　　關鍵詞：世越號;打撈工程;橡膠氣囊;頂升;搬運

　　圖1.1 某船舶氣囊下水實例

　　橡膠氣囊在我國的工業(yè)生產中有著廣泛的應用。其主要應用有水中助浮、管道堵塞、制作混凝土構件以及提升轉運等。 其中高壓氣囊提升搬運技術尤其是該技術在船舶下水領域的應用自1981年試驗成功以來，經過了三十多年的發(fā)展已經形成了比較成熟的工藝，相關規(guī)范和標準也較為全面。 迄今為止，我國已成功實現(xiàn)55000噸遠洋散貨船利用氣囊技術順利下水[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展和開拓的空間。

　　本次“世越號”項目，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構上，輔助船頭起吊作業(yè)，在整個打撈項目中起到了關鍵作用。 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構件搬運和新船下水方面有很廣泛的應用。 其中交通運輸部廣州的打撈局在打撈“南海一號”古沉船中，成功使用了高壓氣囊轉運打撈沉箱至水晶宮中的方案。 但是在國內外以往的打撈和海洋工程施工中，還沒有任何在海底進行沉船頂升和轉運的應用和嘗試。 這次由于韓方提供的地質條件不準確，在“世越號”船尾穿引高吊梁的過程中暫時遇到了困難，在這個背景下，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。 如若能夠將難船頂?shù)筋A定高度，順利穿引鋼梁，對于項目而言，是最經濟高效的。 即使效果有限，在方法探索過程中遇到的困難，積累的經驗和方法對我們探索新方法和新打撈工藝也是一個非常大的幫助。

　　1 氣囊頂升試驗原理

　　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壓和接觸面積，接觸面積越大，內壓越高，提供的頂升力就越大。單個氣囊的接觸面積與頂升起始高度、氣囊的直徑有關。

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, 假設不考慮橡膠的彈性伸長，氣囊的截面周長為定值，此時氣囊與重物之間的接觸長度的計算公式為：

　　這時單位長度氣囊能夠提供的頂升力為：

　　以“世越號”現(xiàn)場頂升試驗所用氣囊為例，其直徑為3.5m，長度為9m， 爆破內壓為5Bar?？紤]到一定的安全系數(shù)，最大試驗相對內壓取3Bar，通過計算不同的限制高度下氣囊可提供的頂升力，所得結果如圖2.2所示。 根據(jù)圖中所示， 如果船體與海底有0.2m的空間，此時放入氣囊，充氣到相對內壓3Bar，則每米氣囊能夠提供165T左右的頂升力，9米的單個氣囊可提供1500T左右的頂升力。當然，隨著氣囊的頂升，空間高度變大，接觸面積減小，氣囊的頂升能力會有一定的減弱。例如同樣的氣囊，在限制高度為1米時，充入相對內壓3Bar的氣體，每米氣囊的頂升力為120T，9米單個氣囊可提供1080T的頂升力。實際試驗中，在給氣囊充氣過程中，難船會隨著氣囊內壓力的變化抬起。隨著限制高度的減小，接觸面積越來越小，同時，隨著難船支點的前移，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動

　　圖3 氣囊頂升試驗示意圖

　　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，設氣囊綜合作用力力臂為L1+L2， 重力的綜合作用力力臂為L2，此時杠桿的放大系數(shù)為1+L1/L2。若氣囊將難船頂起，支點前移S，此時，此時杠桿的放大系數(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頂升潛力的損失。