“世越號(hào)”打撈工程沉船重量分析與計(jì)算

陳世海 劉 雨 王偉平 蔣 巖

“世越號(hào)”打撈工程沉船重量分析與計(jì)算

陳世海 劉 雨 王偉平 蔣 巖

“世越號(hào)”打撈工程是由交通運(yùn)輸部上海打撈局承擔(dān)的一項(xiàng)大型國(guó)際打撈工程，整個(gè)工程時(shí)間長(zhǎng)、要求高、難度大，科學(xué)合理的技術(shù)方案設(shè)計(jì)是工程成功的可靠保障。沉船重量的計(jì)算分析作為其中關(guān)鍵一環(huán)，為技術(shù)方案設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。根據(jù)有限的沉船已知數(shù)據(jù)，結(jié)合打撈過(guò)程中沉船的不同狀態(tài)，通過(guò)對(duì)沉船的各個(gè)重量及浮力分項(xiàng)進(jìn)行分析、調(diào)查及合理假設(shè)，完成沉船幾種典型關(guān)鍵工況下的重量計(jì)算分析，并與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，為以后類似的沉船重量計(jì)算提供參考。

世越號(hào)；打撈工程；沉船重量計(jì)算

一、概述

韓國(guó)大型渡輪“世越號(hào)”于2014年4月16日在韓國(guó)全羅南道珍島郡近海沉沒(méi)，事故造成304人遇難（包括失蹤者），舉世震驚。

沉船總長(zhǎng)145米，型寬22米，型深14米?？沾亓? 113噸，最大裝載重量3 794噸，最大排水量9 907噸。難船沉沒(méi)后左傾約90°側(cè)躺于海底，部分上層建筑塌陷損壞。根據(jù)韓國(guó)方面要求，需要保持沉船原沉沒(méi)狀態(tài)對(duì)其進(jìn)行整體打撈?！笆涝教?hào)”沉沒(méi)姿態(tài)及坐標(biāo)系設(shè)定見圖1。

圖1“世越號(hào)”沉沒(méi)姿態(tài)及坐標(biāo)系設(shè)定

2015年8月至2017年4月，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)600多天的施工作業(yè)，交通運(yùn)輸部上海打撈局克服了重重技術(shù)難關(guān)，嚴(yán)格按照韓方要求，最終順利完成“世越號(hào)”打撈工程。

“世越號(hào)”打撈工程技術(shù)非常復(fù)雜、難度極大，為了確保工程能夠順利、安全、高效地完成，需要對(duì)整個(gè)工程進(jìn)行科學(xué)、精細(xì)、全面的計(jì)算分析，沉船重量的計(jì)算分析作為打撈工程的重要設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)依據(jù)是其中的關(guān)鍵一環(huán)。本文主要根據(jù)“世越號(hào)”沉船較為有限的已知數(shù)據(jù)，結(jié)合打撈過(guò)程中沉船船體的不同狀態(tài)，并通過(guò)對(duì)沉船的各個(gè)重量及浮力分項(xiàng)進(jìn)行分析、調(diào)查及合理假設(shè)，完成了沉船原始擱坐狀態(tài)、船首起吊、整體抬吊、滾卸上岸這幾種典型工況下的重量分析計(jì)算，并與最終的實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，為以后類似打撈工程中的沉船重量計(jì)算提供參考。各計(jì)算工況及船體狀態(tài)見表1。

二、原始擱坐重量估算

1.離港重量數(shù)據(jù)

根據(jù)韓方提供的信息，“世越號(hào)”離港時(shí)裝載了2 271噸貨物，包括140輛轎車、32輛卡車、4輛重型機(jī)械以及一些材料物資。具體離港重量分項(xiàng)如表2所示。

表1 計(jì)算工況及船體狀態(tài)

表2 離港時(shí)裝載狀態(tài)

2.沉沒(méi)后的貨物分布情況

“世越號(hào)”沉沒(méi)過(guò)程為先向左舷傾覆，再艉傾沉沒(méi)，最后左傾90度擱坐于海底。整個(gè)沉沒(méi)過(guò)程很可能造成C甲板和D甲板的貨物先往左舷移動(dòng)堆積，然后再往船尾方向移動(dòng)。為了盡可能準(zhǔn)確地評(píng)估貨物的分布情況進(jìn)而較為準(zhǔn)確地估算重量、重心，在預(yù)調(diào)查階段，潛水員對(duì)C和D甲板貨艙內(nèi)的貨物分布情況進(jìn)行了探摸。此外，還假設(shè)E甲板貨艙中的普通貨物被固定在甲板上和艙室中，其重心位置在沉沒(méi)后未有大的變化。整個(gè)船體中貨物的分布情況如圖2所示。

圖2 貨物分布情況估計(jì)

難船沉沒(méi)后的貨物重量重心估算見表3。

表3 貨物重量重心計(jì)算

3.船體內(nèi)泥沙重量

潛水調(diào)查發(fā)現(xiàn)，“世越號(hào)”上層建筑客艙中除了鋼制結(jié)構(gòu)外的裝飾材料和家具均已經(jīng)坍塌。因此可認(rèn)為船體內(nèi)的泥沙僅堆積在開放的艙室鋼結(jié)構(gòu)表面。根據(jù)潛水員的泥沙測(cè)量結(jié)果得知，上層建筑內(nèi)的泥沙平均厚度約為20厘米，C甲板和D甲板的泥沙平均厚度約為50厘米。經(jīng)取樣分析，泥沙水中密度約為330千克/立方米，空氣中密度為1 330千克/立方米。上層建筑、C甲板和D甲板的泥沙分布情況如圖3和圖4所示。

圖3 上層建筑泥沙分布

圖4 C甲板和D甲板泥沙分布情況

“世越號(hào)”船體內(nèi)的泥沙重量重心計(jì)算如表4所示。

表4 泥沙重量重心估算表

4.海底擱坐重量

根據(jù)上述各項(xiàng)重量的計(jì)算評(píng)估，“世越號(hào)”擱坐在海底的總重量重心計(jì)算見表5。

表5 難船海底擱坐重量重心計(jì)算

三、船首起吊工況

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，“世越號(hào)”船首需被吊離海底約10米高，船體縱傾約5°，為安裝船體中部下方的首批18根托底鋼梁提供空間，整個(gè)起吊過(guò)程沉船保持在水面下。為了減小船首起吊吊力及船體總縱彎矩、剪力和扭矩，并在起吊過(guò)程中保持船體姿態(tài)平衡，需要采取措施為“世越號(hào)”配置合理的浮力。這些浮力措施包括給難船本身的部分氣密艙室充氣，安裝內(nèi)置氣囊、外置橡膠浮筒和鋼制打撈浮筒。沉船船首起吊示意圖如圖5所示。

經(jīng)過(guò)艙室密閉測(cè)試，共有10個(gè)船底艙室可以用來(lái)建立浮力，其分布如圖6所示。

27個(gè)內(nèi)置氣囊被安裝固定在C甲板和D甲板的貨艙內(nèi)，7只橡膠浮筒安裝在難船船體右舷及打撈浮筒上，兩只鋼制浮筒綁扎固定在船首位置。這些浮力裝置的主要規(guī)格及布置情況如圖7所示。

圖5 沉船船首起吊示意圖

圖6 艙室浮力分布情況

圖7 附加浮力裝置的布置

在這些浮力措施的實(shí)際建立和使用過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)際充氣效果來(lái)對(duì)浮力進(jìn)行評(píng)估。此外，為了控制船體翻轉(zhuǎn)，部分船底艙室未充氣或未完全充氣。通過(guò)潛水調(diào)查及合理分析，最終浮力情況及重量估算見表6。

表6 船首起吊工況沉船總重量估算

四、整體抬吊工況

在“世越號(hào)”船體整體抬吊階段，兩條抬吊駁船使用66套鋼絞線提升系統(tǒng)將沉船整體從海底提升約34米，直到船體右舷浮出水面13米。沉船出水過(guò)程中重量和浮力會(huì)發(fā)生明顯變化。在此，我們只對(duì)沉船未出水的初始起吊工況和出水13米的最終起吊工況下的沉船重量進(jìn)行計(jì)算分析。整體抬吊-初始起吊工況示意圖見圖8，整體抬吊-初始起吊工況模擬圖見圖9，整體抬吊-最終起吊工況示意圖見圖10，整體抬吊-最終起吊工況現(xiàn)場(chǎng)見圖11。

圖8 整體抬吊-初始起吊工況示意圖

圖9 整體抬吊-初始起吊工況模擬圖

圖10 整體抬吊-最終起吊工況示意圖

圖11 整體抬吊-最終起吊工況現(xiàn)場(chǎng)

1.初始起吊工況

此工況下，沉船船體全部沉沒(méi)于水面以下。由于整體抬吊作業(yè)時(shí)與之前預(yù)調(diào)查間隔超過(guò)一年，中間還進(jìn)行過(guò)船體周圍海床的吸泥整平作業(yè)，吸起的泥沙散落較為嚴(yán)重，因此船體內(nèi)泥沙淤積會(huì)有所增加，上層建筑、C甲板和D甲板的泥沙平均厚度均達(dá)到了約100厘米。重新估算的船體內(nèi)泥沙重量如表7所示。

表7 泥沙重量重心估算表

為了避免起吊過(guò)程中艙室出水產(chǎn)生浮力損失造成大的總重量重心變化，整個(gè)起吊過(guò)程并未對(duì)船底艙室進(jìn)行重新補(bǔ)氣或者安裝浮力裝置建立額外浮力。據(jù)估計(jì)，船體未出水時(shí)，充過(guò)氣的10個(gè)船底艙室仍存有約30%的氣體。艙室分布情況與圖6一致，浮力估算結(jié)果見表8。

表8 船體艙室浮力估算

沉船船體未出水的初始抬吊工況下，沉船總重 量計(jì)算結(jié)果如表9所示。

表9 初始抬吊工況下沉船總重量估算

2.最終起吊工況

最終抬吊工況下，船體右舷露出水面13米，因此需要對(duì)船體艙室浮力、船體艙內(nèi)殘余海水、淤積泥沙重量重新進(jìn)行計(jì)算。

船體出水13米后，10個(gè)浮力艙室的浮力會(huì)有較大損失，船體結(jié)構(gòu)本身也會(huì)失去浮力。而由于施工工藝問(wèn)題，船體艙室的充氣孔或排水孔開孔位置無(wú)法選取在艙室最低位置，因此露出水面的船體艙室會(huì)有部分殘余海水無(wú)法流出船體。此外，上層建筑也存在很多相對(duì)較為封閉的區(qū)域，導(dǎo)致一定量的海水殘留在船體艙室內(nèi)無(wú)法排出。這些因素會(huì)導(dǎo)致船體重量增加。船底艙室浮力及殘余海水分布見圖12，上層建筑殘余海水分布見圖13，充氣艙室剩余浮力估算見表10，殘余水重量重心估算見表11，泥沙重量重心估算見表12。

圖12 船底艙室浮力及殘余海水分布

圖13 上層建筑殘余海水分布

表10 充氣艙室剩余浮力估算

續(xù)表

表11 殘余水重量重心估算

表12 泥沙重量重心估算表

沉船船體被起吊出水13米時(shí)的最終抬吊工況 下，沉船總重量計(jì)算結(jié)果如表13所示。

表13 最終抬吊工況下沉船總重量估算

續(xù)表

五、滾卸上岸工況

“世越號(hào)”被半潛駁整體起浮出水后，轉(zhuǎn)運(yùn)至約50海里外的木浦新港碼頭，并采用600軸SPMT（自行模塊運(yùn)輸車）滾卸上岸。此時(shí)沉船船體完全浮出水面，船體內(nèi)的泥沙重量和殘余海水重量會(huì)大幅度增加。“世越號(hào)”沉船滾卸上岸情況見圖14。

船底艙室和上層建筑的殘余海水分布如圖15和圖16所示。

圖14“世越號(hào)”沉船滾卸上岸

圖15 船底艙室殘余海水分布

圖16 上層建筑殘余海水分布

此外，由于每5個(gè)肋位存在一個(gè)強(qiáng)肋位，而船體左舷的C、D甲板貨艙和船底的窗口較少，而且容易被貨物堵塞，導(dǎo)致大量的海水會(huì)殘余在強(qiáng)肋骨之間。整個(gè)船體左舷殘余水層分布如圖17所示。殘余海水總量估算見表14。

圖17 船體右舷殘余水層分布

表14 殘余海水總量估算

沉船船體被滾卸上岸時(shí)，沉船總重量計(jì)算結(jié)果 如表15所示。

表15 滾卸上岸時(shí)沉船總重量估算

六、總結(jié)

在實(shí)際打撈作業(yè)過(guò)程中，通過(guò)測(cè)量裝置直接得到整體抬吊工況和滾卸上岸工況下的實(shí)際沉船重量與重心水平位置。船首起吊工況下的沉船總重量也通過(guò)船首起吊實(shí)際吊力得到了驗(yàn)證。沉船重量分析工況的計(jì)算值及實(shí)際測(cè)量值對(duì)比如表16所示。

表16 沉船重量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

在本次打撈工程中，由于沉船船體狀態(tài)、實(shí)際載貨量、船體內(nèi)沉積泥沙、浮力狀態(tài)等情況存在很大的不確定性，導(dǎo)致沉船重量計(jì)算分析存在很大困難。上海打撈局根據(jù)較為有限的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)沉船每個(gè)重量及浮力分項(xiàng)進(jìn)行分析、調(diào)查和合理假設(shè)，較為準(zhǔn)確地計(jì)算出幾種典型工況下的沉船重量及浮力情況，除了滾卸上岸工況下重量計(jì)算誤差為12.86%以外，其他計(jì)算數(shù)據(jù)誤差均在5%以內(nèi)，較為準(zhǔn)確地評(píng)估了各個(gè)作業(yè)階段的沉船重量，為打撈方案設(shè)計(jì)及作業(yè)分析提供了合理依據(jù)。這種詳細(xì)分析計(jì)算方法及分析原理和經(jīng)驗(yàn)，也對(duì)以后的類似打撈工程中的沉船重量計(jì)算具有一定的參考價(jià)值。

10.16176/j.cnki.21-1284.2017.08.002

陳世海（1972—），男，交通運(yùn)輸部上海打撈局技術(shù)開發(fā)中心總經(jīng)理，高級(jí)工程師，碩士。

劉雨（1985—），男，交通運(yùn)輸部上海打撈局技術(shù)中心工程師，碩士。

王偉平（1960—），男，交通運(yùn)輸部上海打撈局工程船隊(duì)書記，高級(jí)工程師，碩士。

蔣巖（1963—），男，交通運(yùn)輸部上海打撈局副局長(zhǎng)，“世越號(hào)”打撈工程項(xiàng)目經(jīng)理，碩士。