船舶破損應急封堵技術與發展趨勢

侯恕萍，張　俊，王欽政，黃衛聯，王立權（. 哈爾濱工程大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 5000；.天津神封科技發展有限公司，天津 300308）

船舶破損應急封堵技術與發展趨勢

侯恕萍1，張俊1，王欽政1，黃衛聯2，王立權1
（1. 哈爾濱工程大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.天津神封科技發展有限公司，天津 300308）

針對國內外船舶破損應急封堵技術的研究成果，通過對比不同封堵裝置的結構及技術特征，總結封堵技術的發展和研究現狀，明確船舶破損封堵技術的未來發展趨勢，提出模塊化、標準化、一體化、應急性等發展方向，為更好地滿足當前對船舶封堵裝置的性能要求，以及今后船舶應急封堵技術的研究發展提供參考。

船舶破損；應急封堵；電永磁聯合；防污染

0　引　言

船舶在航行中因碰撞、觸礁、擱淺、風暴或船殼腐蝕等原因，導致船體破損進水，致使船體自身的工作性能受到破壞，影響船道航行。為保證船舶的浮力和穩性，最大限度地減少船貨損失，同時減輕由于船體破損導致的漏油、貨物漂散等造成的環境污染，保障旅客和船員的生命安全而施用各種封堵裝置進行應急堵漏。所以，船舶破損封堵裝置一直以來都是海上突發事件現場救助應急裝備研究的一項重要內容。本文分析船舶封堵技術研究領域存在的問題，并預測未來的發展趨勢［1-2］。

1　船舶破損封堵技術

早期的封堵技術是在船體破損后，通過在破損位置塞棉麻布團及釘木板等方法對破損位置進行封堵，沒有專門的針對船舶破損封堵技術的研究，當船體發生較大面積的破損狀況時，更沒有有效的封堵措施。工業革命后，由于新技術的產生，船殼的材質開始向鐵質型轉變，很大程度上改變了航海事業的局面，船體強度和其他性能都有突飛猛進的提高。但鐵質船殼同樣要面對突發事故導致的船舶破損，需要進行破損位置的封堵，這些早期的破損封堵措施多以小孔進行填塞、大孔洞和裂縫進行封堵毯封堵為主。20 世紀末期到 21 世紀初期以來，船舶破損封堵技術的研究有了很大程度的改進，加之新技術的不斷創新發展，已經有一套較完整的封堵技術體系，滿足了大部分船舶破損狀況的需求。隨著技術的發展，對封堵裝置工作性能的要求會不斷上升。在鐵質船殼船舶領域，由于磁性材料優越的吸附性能，電永磁式吸附方式將是主流研究方向；而非磁性船殼船舶領域，真空吸附與傘撐式封堵技術將是主流研究方向［3-4］。

2　封堵裝置的類型

封堵過程中較重要的是封堵面積及布放方式。封堵面積是指封堵裝置整體在工作狀態下可以進行有效封堵的船體破損面積；封堵裝置布放方式是指封堵裝置處于工作狀態進行布放時，分為完全人工操作和人工機械配合操作的形式。

2.1封堵面積

封堵裝置的封堵面積，大面積的有幾十平方米的封堵毯，如專利 CN201745730U 是一種船用強磁固定框，專利 US5038701 是一種大型封堵毯；小面積的有幾平方厘米的封堵塞，如專利 CN2920846 是一種小型封堵塞。各有針對性用途，目前國內外針對船舶破損封堵裝置進行專項研制的公司很少，現有典型產品及結構介紹如下［5-7］。

2.1.1現有產品

1）挪威Miko marine 奧斯陸公司

①產品參數（工作溫度≤120 ℃）

面積：小型：450 m × 500 m；中型：750 m × 1 050 m；大型：2 250 m × 2 500 m。

自重：小型：40 kg；中型：56 kg，大型：180 kg。

磁壓塊自重及對應吸附力：A： 1 kg 900 N，B： 3 kg 1 500 N；C： 5 kg 4 500 N，D： 8 kg 10 000 N。

②結構特征

封堵毯用含聚酯纖維織物增強PVC高強度織料制成。封堵毯形狀如帶帽檐的淺袋（見圖1）。封堵裝置能供受損或因碰撞、擱淺、閥門和軸封故障造成船身完整性問題的船只應急維修使用。帽狀設計使封堵毯能進行多單元拼接組合封堵，能覆蓋船體任何不規則裂縫，帽檐則起高強度防水封條作用。另外封堵毯四周設計有繩索套環，可用繩索拉緊固定。

磁壓塊結構為高強磁體。封堵時，用高強磁體將彈性鋁條固定在船身來嚴實支撐此“帽檐”（見圖2）。

2）加拿大Flexy Patch 公司

①產品參數

面積：800 m × 650 m，自重：A： 50；B： 70（硫化）

②結構特

強磁封堵毯由橡膠、高分子聚合物和釹鐵硼永磁體組成（見圖3）。毯四周設計有套環，封堵面積較大時，可用繩索捆綁對毯進行二次拉緊固定。

3）中國天津神封科技公司

圖1　封堵毯Fig. 1　Sealing blanket

圖2　磁壓塊Fig. 2　Magnetic block

圖3　強磁封堵毯Fig. 3　Strong magnetic sealing blanket

①產品參數（按外形結構分類，統一工作溫度為≤80 ℃）

八角形軟體的封堵外徑≥2 000 mm；面積及厚度520 m × 520 m，h = 50；系統壓力為 2 MPa；

長方形軟體的封堵外徑≥2 000 mm；面積及厚度540 m × 300 m，h = 35；系統壓力為 1.5 MPa；

組合式強磁框有效封堵范圍 1 500 m × 1 500 m。

②結構特征

封堵裝置主要由橡膠和磁塊組成。八角形、長方形軟體封堵工具和組合式強磁固定框，如圖4～圖6所示，其中八角和長方形軟體封堵工具可對船舶較小孔洞、裂縫、滲水、 銹蝕等狀況快速封堵，集現有堵漏器材功能于一體。強磁固定框可對船體大面積孔洞、碰撞破損等緊急情況快速封堵。

2.1.2現有專利結構

專利 CN101654146A 是一種艦船封堵毯，封堵毯由封堵主體貼毯和磁性塊粒等組合而成。中間部位為主封堵區，貼毯周圍布置磁粒進而形成強磁吸附區，封堵區域為雙層結構，層之間可充氣，周邊封閉［8］。專利 CN1743227 是一種磁力封堵墊，封堵工具由主體封堵墊、強磁鐵、金屬絲網及金屬加強筋檔條組合而成，強磁鐵被規律性地封裝到封堵墊中。

專利 CN103935484A 是一種柔性永磁真空吸附聯合封堵裝置（見圖7），封堵裝置主體結構由柔性永磁體與真空吸盤組合而成，中部柔性永磁體的外周邊設置真空吸盤，真空吸盤外周邊設置外圍柔性永磁體。柔性永磁體下部封堵面設計有 2 道加強密封槽，吸盤上設置有吸氣口，吸氣口連接氣動接頭，氣動接頭連接氣動軟管，氣動軟管通過接頭與真空設備連接［9］。

專利 US5165356 是一種吊放式電磁性封堵工具，主要由邊角吸附電磁結構、主體封堵毯、外框支撐板及輔助布放結構組成。輔助布放機構設有導線卷筒，外接導線與電磁結構相連，便于封堵工具遠距離布放［10］。

專利 US5058519 是一種船體裂縫應急封堵工具，主要由非軟體封堵毯、帶止脫壓桿的卡鏈式拉繩組成。

專利 US5782196 是一種電磁式封堵裝置運載體及其封堵毯（見圖8），運載體由放置在船體上的電控箱控制運動行程，運載體上安裝有電磁吸附塊，通過電磁塊的吸附力作用與船體保持吸附固定。運載體上設計有卷筒裝置和鉚釘槍結構，封堵毯呈卷狀卷于其上，封堵時直接將封堵毯通過鉚釘固定到船體上［11］。

圖4　八角形Fig. 4　Star shaped

圖5　長方形Fig. 5　Rectangle

圖6　組合式Fig. 6　Combined type

圖7　永磁真空吸附式Fig. 7　Permanent magnetic and vacuum adsorption

圖8　電磁式Fig. 8　Electromagnetic type

2.2封堵裝置布放

依據封堵裝置的結構特點，通過在布放時實現不同的布放效率，同時在一定程度上減輕潛水員的任務，將封堵裝置分為完全人工操作和人工機械配合操作。主要針對在同等工況條件下，封堵裝置處理船舶破損事故的技術優越性，體現在封堵裝置的結構性能和裝置自動化水平方面。

專利 CN2668501Y 是一種船舶溢油封堵毯，主體結構呈矩形，由帶有橡膠海綿密封層的特制橡膠氣囊、帆布支持體和鋼絲繩框架組成的［12］。

專利 CN101244757A 是一種磁性封堵墊的布放裝置，該裝置是專利 CN1743227A 的布放裝置，如圖9所示，結構類似小型浮動平臺，裝有氣囊結構，通過自身結構與海水產生浮力效應，對封堵墊進行水下定位與工作位置固定［13］。

專利 US5009180 是一種油輪破損封堵裝置，由氣囊式封堵毯和氣泵組成。封堵毯形狀根據船體破損狀況而定，可以封堵船舷破損、船首破損。進行封堵作業時，毯包圍船體破損處，后用毯四周繩索將其固定到船甲板上，同時將氣囊通過氣管與氣泵聯通，毯固定后，氣泵開始供氣，毯被充氣而膨脹，因毯自身體積變化，在壓力和形變共同作用下，實現封堵。

專利 CN202163597U 是一種曲線型履帶式封堵板（見圖10），主體結構由若干矩形薄板單元鉸接而成，薄板端面鑲嵌磁塊，鉸接后的薄板組成履帶式整體封堵板，每側設計橡膠水密層。封堵板配有磁輪式布放器，可吸附于船體表面，沿指定軌跡對封堵板進行布放［14］。

專利 US1221496 是一種連桿和氣囊組合式封堵工具，主體結構由順次相連的連桿鏈節單元、周向氣囊圈、主體封堵布、供氣裝置及工具邊緣固定裝置構成。封堵工具對船體破損處進行封堵時，將工具一端固定，后將其主體結構展開布放，當船體破損處被全部封堵后，固定封堵工具另一端，后對氣囊圈充氣，實現封堵與水下密封作用。

專利號 US6591470B2 是一種支撐架式磁塊吸附封堵裝置，主體結構由帶擰緊螺桿的支撐架、磁塊吸附底座及封堵壓塊組成，封堵壓塊外端設有與擰緊螺桿配合的連接結構。裝置對船體破損處進行封堵時，在磁塊吸附力作用下，將支撐架定位到需要封堵的位置，后將封堵壓塊放置到破損處，再通過擰緊螺桿將壓塊壓緊固定到船體表面，實現封堵。

圖9　磁性封堵墊及其布放裝置Fig. 9　Magnetic sealing pad and carrier

圖10　履帶式封堵板Fig. 10　Caterpillar sealing plate

3　船舶封堵技術的發展趨勢

通過上述對船舶破損應急封堵裝置的現有產品及專利的分析，封堵裝置的研究主要體現在增大封堵面積、采用組合式模塊化結構、提高布放方式的自動化水平、為提高布放的應急性與快速性而采用磁性吸附方式。另外，封堵裝置趨于完成封堵與控制后續環境污染系統化，封堵裝置趨于標準化、規范化。

1）封堵范圍大面積化、結構組合式模塊化

隨著海運事業不斷發展，對大型運輸類船舶的需求與日俱增，為應對大型船舶發生意外碰撞和破損之類的海損事故，盡可能減少損失，各國對大型封堵裝置的需求不斷增加。國內外很多封堵裝置研發產品和相關專利都是向大面積型發展。

船舶海損事故的不確定性，船體出現大面積破損狀況或者破損區域呈不規則形狀時，單用大型封堵裝備進行封堵不能滿足某些工況條件，而采用相互間可組合拼接的封堵裝置，可很好地實現封堵。組合拼接式封堵裝置可適應不規則散狀孔洞封堵、橫縱向較長距離破損裂縫的封堵情況等，操作靈活性強，封堵裝置整體性能利用性強。

2）自動化水平不斷提高、封堵過程的應急快速性

船體破損事故很多發生在水線以下，海水會流入船體內，尤其是運載石油化學液體的船舶，破損通常會導致液體物質泄漏，造成嚴重損失和污染，所以對封堵裝置的技術要求不斷提高，要充分體現快速性應急性，盡可能縮短封堵時間和提高封堵效率，要求封堵裝置的自動化水平不斷提高，且逐漸向少人工或無人工操作的方向發展，采用輔助工具實現對封堵裝置進行布放、定位、安裝和固定等主要工作流程。

現有大中型常用船舶均為鐵質型船體，之前技術大都以焊接式框架固定封堵、長距離繩索捆綁固定封堵等方式為主，封堵固定時間長，封堵效果不佳，為應對上述情況，出現了磁性吸附方式封堵，利用鐵質材料的親磁性，將磁性材料設計到封堵裝置結構中，通過磁性材料與船體產生的相互吸引力，實現封堵吸附，封堵時間大大縮短，且布放操作方便。現有封堵裝備的吸附固定研究技術很多是建立在磁性材料優良的物理特性上，尤以現今普遍認同的釹鐵硼永磁材料為主，性能優越，工業中廣泛使用。隨著今后海運事業對應急封堵裝備技術方面要求的不斷提升，永磁、電磁以及電永磁聯合配置的吸附固定方式，將是未來的研究主流。

3）封堵裝備趨于實現封堵密封與防污染擴散一體化

封堵裝置在進行封堵的同時，通過輔助裝置對船體破損導致的污染進行防治。以油輪為例，當油輪發生碰撞、觸礁等事故，油液會泄漏到海水中，此時用封堵裝置對破損處進行封堵，阻止油液繼續泄漏；同時與封堵裝置配套的特定圍油欄在泄油區域外圍對油液進行圍堵，防止油液擴散，減輕環境污染；最后，封堵裝置對船體實現密封封堵，泄油破損處被封堵，泄油區域被圍堵限制，此時通過船上配備的泄油回收裝置將泄油區的油液回收至船上；至此整個應急封堵過程全部完成。總體而言，類似于封堵裝置、特定圍油欄和泄油回收裝置系統化組成的應急封堵整套裝備將是未來應急裝備領域的研究重點。

4）裝備的標準化、規范化

海洋事業的日益發展，海損事故逐漸成為人們關注的重點，迫切需要一套船舶破損應急封堵裝備來應對突發的碰撞、觸礁等海損事故，此裝備類似船舶標配的救生艇、救生衣、救生圈及油輪標配的圍油欄等標準應急救生裝備。因船體發生破損的區域面積不定，形狀大小不一，所以要求封堵裝置的種類能滿足船體各種可挽救破損狀況，進而對封堵裝置的類型有標準化要求。即在某種破損狀況下，需要某類型號的封堵裝置對其進行有效封堵。所以，未來封堵裝置的研究制備將逐漸趨于標準化，形成行業標準［15］。

4　結　語

隨著世界經濟發展，海運事業不斷進步，各國會越來越重視海洋運輸突發事件的應急解決辦法，對海損應急補救裝備的技術研究會越加重視。本文對國內外船舶破損應急封堵裝備的發展歷史、技術分類以及今后的發展趨勢進行綜述，介紹了若干類型封堵裝備的優缺點，指出已有技術存在的問題和需要做的改進研究，能夠對今后在封堵裝置總體性能和技術方面的研究工作起到參考和借鑒作用。

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Emergency sealing technologies of ship damages and their development trends

HOU Shu-ping1， ZHANG Jun1， WANG Qin-zheng1， HUANG Wei-lian2， WANG Li-quan1
（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China 2. Tianjin Shenfeng Science and Technology Development Co. Ltd.， Tianjin 300308， China）

Bycomparing Structures and technological characteristics of different plugging devices， this paper will aim at dometic and foreign researched results of rapid responsing plugging devices for ship damages.The development and present situation of sealing technology were summarized， and the future development trend of the technology of ship damages was clarified.Based on this， the trend of the future development of the sealing device is defined， and the development direction of modularization， standardization， integration and emergency is put forward.In addition， performance requirements of ship plugging devices are asked to be better. Furthermore， the thesis will be regarded as a reference in the future research and the development of plugging devices.

ship damage；emergency sealing；electro-permanent magnetic；controlling pollution

U672.7

A

1672-7619（2016）05-0012-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.05.003

2015-10-08；

2015-11-11

國家科技支撐計劃資助項目（2014BAK05B00）；哈爾濱市自然科學基金資助項目（2013RFQXJ091）

侯恕萍（1972-），女，副教授。從事水下作業技術與裝備研究。