鋼制浮筒在“世越號”打撈工程中的應用

張晨晨

鋼制浮筒在“世越號”打撈工程中的應用

張晨晨

鋼制浮筒在打撈工程中的應用主要分為浮筒鋼纜的預埋、浮筒的沉放以及浮筒的充氣平衡三個階段。浮筒的充氣平衡是整個浮筒安裝過程中最為重要且難度較大的步驟，現有的浮筒充氣量與充氣時間的計算模型在工程實際中誤差很大，因此需要一套實用高效的浮筒充氣平衡方案來安全快速地完成浮筒安裝作業。

打撈工程；浮筒安裝；充氣平衡；方案

一、引言

“世越號”于2014年4月16日在航行中側翻沉沒，該船沉沒地點位于韓國西南方向海域，距離韓國全羅南道珍島郡觀梅島約1.5海里。難船沉沒海域水深約45米，沉船左傾90度，尾部上層建筑局部破損，左舷入泥深度約1米，泥面土質較硬，多為碎石。對于該船決定采用將船頭起吊一定的高度，然后在沉船與泥面之間插入提升鋼梁并最終整體起吊放置于浮船塢的打撈方案。

浮筒一般布置在沉船船體首、尾線型變化較大的部位，以增加其力矩作用。[1]根據沉船的重量分布、現場浮吊船所能提供的吊力以及沉船的總縱強度和局部強度，需要在沉船首部位置安裝一對500噸的鋼制浮筒，一個在沉船甲板側，一個在沉船船底側，具體浮筒布置方式如圖1、圖2所示。

圖1 浮筒布置方式（俯視圖）

圖2 浮筒布置方式（前視圖）

浮筒的安裝主要分為3個部分：預埋浮筒鋼纜、浮筒的沉放以及浮筒的充氣平衡。沉船甲板側可安裝浮筒的空間十分有限，基本上前后誤差得控制在1.5米以內，因此浮筒鋼纜預埋位置的準確度，決定了浮筒是否能順利安裝到位；在浮筒安裝過程中，浮筒的充氣平衡階段是最為重要且難度較大的步驟。充氣起浮過程中，必須滿足兩個條件：（1）保證單個浮筒兩端的平衡；（2）保證兩個浮筒之間的相對平衡。如果這兩個條件中有一個不滿足且有較大的偏差，則有可能使浮筒有較大傾斜，抽動浮筒鋼絲，浮筒達不到設計位置，更有可能在起吊船頭過程中發生危險；另一方面，兩個浮筒設計位置高度不一致，這也就意味著采用相同的氣源對兩個浮筒進行充氣，兩個浮筒達到相對平衡所需要的充氣時間也不一致。因此，在充氣平衡浮筒階段，需要一套實用高效的充氣方案，在充氣過程中，能夠兼顧上述的兩個條件，將浮筒安全精確地安裝到位。

二、500噸浮筒結構及性能

打撈浮筒有硬殼和軟殼兩種，我國設計制造的鋼制浮筒有1 200噸、800噸、500噸、250噸、200噸、100噸和60噸抬浮力數種[2]，目前常用的是500噸和800噸打撈浮筒，本次打撈工程中采用的是一對500噸鋼制打撈浮筒。

1.500 噸浮筒結構尺寸

500噸打撈浮筒長17米，直徑7.1米，浮筒主要由1個中艙、2個邊艙、空氣式內膽、纜樁、纜孔、進氣閥組、排氣閥、海底門、羊角、吊耳等組成，其中內膽的主要作用是減輕浮筒的水下重量，500噸打撈浮筒空氣中全部重量約140噸，設置內膽后在海水中僅2～3噸重[3]，這大大方便了浮筒的水下沉放及安裝作業。浮筒外殼在浮筒內部充滿水后內外壓差基本為零，而浮筒內膽一般不充氣，除非在較深水域布置浮筒時需要在內膽里充一定壓力的氣體以減少內膽內外壓差，因此內膽鋼板的厚度一般比外殼鋼板的厚度要大。浮筒結構尺寸及實體圖如圖3、圖4所示。

圖3 500噸浮筒結構尺寸

圖4 500噸浮筒實體圖

2.500 噸浮筒性能

500噸浮筒浮力艙分為1個中艙和2個邊艙，其中中艙可提供250噸浮力，每個邊艙可提供125噸浮力，當內膽不充氣時，最大打撈深度為60米，當內膽充氣時，最大打撈深度可達140米。500噸浮筒的性能參數如表1所示。

表1 500噸浮筒性能參數

三、500噸浮筒沉放

浮筒沉放主要分為兩個步驟：一是沉放之前，按照浮筒沉放之后需要到達的設計位置進行浮筒鋼纜的預埋作業；二是將浮筒沿著預埋的浮筒鋼纜沉放到位。

1.預埋浮筒鋼纜

浮筒鋼纜長度主要是由浮筒位置處的沉船橫剖面型線、浮筒就位后的高度以及浮筒計劃套的樁頭至纜孔的距離來確定的。根據設計要求，本次4根浮筒鋼纜分別處于沉船的141#、151#、165#、168#肋位，甲板側浮筒設計位置為頂端距離沉船左舷3.5米，船底側浮筒設計位置為頂端與沉船右舷齊平，鋼纜套在纜孔周圍的第四個樁頭上，經計算4根浮筒鋼纜的長度如表2所示，浮筒鋼纜布置位置及橫剖面圖如圖5、圖6所示。

表2 浮筒鋼纜長度

圖5 浮筒鋼纜設計位置

圖6 浮筒鋼纜布置位置橫剖面圖

2.浮筒沉放

本次工程浮筒的沉放工作是由兩艘工程船首尾相對，配合完成，先放置沉船船底側的浮筒，再放置沉船甲板側的浮筒。浮筒鋼纜入水之前，先將4根尺寸小一些的鋼絲（本次工程用的是6寸的鋼絲，因為考慮到浮筒鋼纜設計位置沉船陷入海底泥面）分別穿過浮筒鋼纜的設計位置，然后在工程船船首和船尾留住，用以拖拉浮筒鋼纜至設計位置。

3.船底側浮筒沉放

將船底側浮筒吊放至工程船船尾，并用兩根鋼絲分別連接在浮筒兩端的吊耳上，另一端在工程船船尾留住。利用之前穿引到位的4根6寸鋼絲分別將4根浮筒鋼纜抽拉通過浮筒纜孔，并用浮筒卸扣將1#浮筒鋼纜與2#浮筒鋼纜、3#浮筒鋼纜與4#浮筒鋼纜連接在一起，然后繼續抽動6寸鋼絲，當2個浮筒卸扣進入兩個邊纜孔內部2米左右后停止抽動。浮筒卸扣到位后，通過船尾的兩個絞車，連接兩根絞車鋼絲到浮筒令巴上作為提升鋼絲，將之前的兩根綁扎鋼絲拆除；提升鋼絲連接完成之后，工作人員連接浮筒3根浮筒充氣管線至浮筒充氣閥組上，并開啟海底閥，海水將從海底閥進入浮筒內，浮筒緩慢下沉，當浮筒上表面到達接近海面的位置后，打開三個艙室的排氣閥（為了使浮筒能緩慢平穩下沉，排氣閥開1/3左右），工作人員撤離，隨著浮筒的下沉，浮筒起吊鋼絲保持受力緩慢放松，另一側的工程船同步絞浮筒鋼纜，使浮筒逐漸沉坐在海底。船底側浮筒沉放方式如圖7所示。

4.甲板側浮筒沉放

船底側浮筒沉坐在海底之后，將甲板側浮筒吊至甲板側工程船船尾，跟之前一樣將浮筒暫時綁扎在船尾。通過浮筒內預留的鋼絲將6寸拖拉鋼絲從浮筒4個纜孔內抽出至工程船絞車上，使6寸拖拉鋼絲稍微受力張緊然后固定在工程船甲板上。通過船尾的兩個絞車，連接兩根絞車鋼絲到浮筒令巴上作為提升鋼絲，將之前的兩根綁扎鋼絲拆除；采用同樣的操作方式將甲板側的浮筒沿著6寸拖拉鋼絲滑至船底，整個過程中兩根提升鋼絲始終保持受力狀態。浮筒沉坐在海底之后，潛水員入水完成套樁頭作業。甲板側浮筒沉放方式如圖8所示。

圖7 船底側浮筒沉放方式

圖8 甲板側浮筒沉放方式

四、浮筒充氣

浮筒充氣是整個浮筒安裝過程中難度最大也是最為重要的階段，此階段的順利與否直接關系到浮筒安裝的成功與失敗，如果此階段出現問題，可能會導致嚴重的事故。[4]

實際打撈工程中計算浮筒充氣量與充氣時間所采取的方法之一，是根據理想氣體狀態方程所需要的一定壓力下的氣體體積換算為常壓下的體積，再由空壓機的額定供氣量計算出所需要的充氣時間。[5]這種方法忽略了充氣過程中管路中氣體能量損失以及浮筒內部壓力的變化，計算出的充氣時間偏短，誤差較大，有時能達到50%以上，不能滿足工程需要，因此需要設計一套安全具有工程實際的充氣方式。本次工程實際充氣過程中，采用了先將浮筒提升至設計位置，然后在充氣過程中不斷測取每個浮筒艙室的內外壓差，計算出每個艙室內部的氣體量，對氣體量少的艙室單獨補氣，從而使每個浮筒的兩端以及兩個浮筒之間相對達到平衡狀態，使浮筒平穩的逐漸充滿。在此次工程中，多次采用這種方法完成浮筒的充氣作業，證實了其充氣的可靠性。

1.浮筒提升至設計位置

為了使沉船兩側的浮筒最終能夠處于設計位置的高度，可在對浮筒進行充氣平衡之前，利用之前沉放浮筒的提升鋼絲將兩側的浮筒提升至設計位置。考慮到浮筒在水下的重量為4～5噸，為了減小提升鋼絲的提升力，可以預先給兩側的浮筒進行少量的充氣。充氣時間可根據空壓機的排氣量、水深參數利用理想氣體狀態方程進行計算，由于忽略了管路損失等影響，計算出的時間是偏短的也是偏安全的。本次預計先給每個浮筒充3立方米的氣體，空壓機排氣量為30立方米/分，浮筒上表面水深40米，計算出所需要的時間為30秒。因此，在提升兩個浮筒之前，同時對兩側浮筒的兩個邊艙充氣30秒，然后工程船利用絞車將浮筒提升至設計位置高度。浮筒提升至設計位置圖如圖9所示。

圖9 浮筒設計位置

2.浮筒充氣

當浮筒提升至設計位置之后，即可對浮筒進行充氣進行平衡作業。浮筒充氣原則是先對兩個邊艙進行充氣，然后再進行中艙的充氣作業。為了滿足單個浮筒的平衡以及兩個浮筒之間的相對平衡，本次浮筒充氣期間在每個浮筒兩端的最高點安裝了測深管，測深管外接壓力表，通過測深管顯示出的壓力值，可以得知浮筒每一端的水深，從而可以判斷單個浮筒在水下的漂浮狀態。每個浮筒的3個艙室的充氣管連接至同一個氣體分配器上，氣體分配器上裝有壓力表，可以測得每個艙室的內部壓力。浮筒充氣期間，充氣管及測深管連接方式如圖10所示。

圖10 浮筒充氣管線及測深管連接方式

在浮筒初始充氣階段，浮筒兩端的內部氣體體積較小及兩端提供的浮力較小，且充入相同氣量的情況下，兩個邊艙內部液面的水位下降較快，浮筒處于不穩定狀態，因此最開始充氣階段，要每隔少量時間，停止對浮筒進行充氣，通過浮筒充氣管氣體分配器以及測深管氣體分配器上的壓力表，測得每個浮筒兩個邊艙的內部壓力以及外部壓力，從而求得每個邊艙所提供的浮力值。另外可直接根據浮筒兩端測深管測得的壓力值來判斷浮筒的漂浮狀態。如果單個浮筒中兩端高度差較為明顯，且內部壓力不一致，則可單獨對浮筒低的一端進行充氣，充氣一段時間后停止重新測量兩端的水深及內部壓力，直至兩端浮力平衡，再進行下一步同步充氣作業。如果兩個浮筒之間的浮力不平衡，即一邊浮筒的浮力大于另外一邊的浮力，則可以對浮力小的浮筒進行單獨充氣，直至兩個浮筒浮力平衡之后再繼續進行兩個浮筒同時充氣作業。浮筒兩個邊艙充滿之后，每個邊艙的內外壓差應該在7.1米左右，判斷邊艙充氣結束的標準是艙室有大量氣泡冒出。每個浮筒的邊艙充滿氣之后，可進行浮筒中艙的充氣作業。由于中艙為通艙，且處于浮筒的中間位置，對單個浮筒的平衡沒有邊艙的影響大，充氣速度可以較邊艙快一些。另外兩個中艙充氣過程中也要隔一段時間進行內外壓差的測算，內壓可通過充氣管線氣體分配器的壓力表測得，外壓可取邊艙的外壓或者取兩端邊艙外壓的平均值。通過比較兩個浮筒中艙的內外壓差，來判斷是否同時充氣還是將氣體量少的浮筒先充一段時間，當兩個中艙的內外壓差一致后再同時對兩個浮筒的中艙進行充氣作業，直至兩個浮筒的中艙充滿氣，此時浮筒充氣作業結束。潛水員水下關閉充氣閥組及海底門，連接浮筒鋼纜，至此，浮筒安裝作業結束。浮筒邊艙和中艙內外壓差對應的內部氣體體積如圖11所示。

圖11 浮筒邊艙及中艙內外壓差對應艙內氣體體積

由于本次工程兩個浮筒安裝的深度不一致，因此在充氣過程中，采用同樣規格的空壓機進行供氣時，在相同的時間內，甲板側浮筒的內部氣體體積小于船底側浮筒的內部氣體體積，即甲板側浮筒的內外壓差小于船底側浮筒的內外壓差。為了使充氣過程中兩個浮筒的艙室氣體體積相差在安全范圍內，可以將甲板側浮筒空壓機的排氣閥開大一些，而船底側浮筒空壓機的排氣閥相應開小一點，從而使甲板側空壓機在相同的時間內提供的氣體量多一些，在進入浮筒艙室內部后，可以使兩個浮筒內部的氣體體積相差變化在安全范圍內。

五、結論

浮筒打撈是一種常用的打撈方法，它是快速清除水域障礙、疏通航道的有效手段。浮筒打撈在打撈工程中主要分為浮筒鋼纜的預埋、浮筒的沉放以及浮筒的充氣平衡三個階段。其中浮筒充氣平衡是最為重要也是難度較大的階段，現有的浮筒充氣量與充氣時間計算模型誤差較大，不能運用于工程實際中。本文提出了一種實時對浮筒各個艙室氣體體積的測量的方法，保證了浮筒充氣過程中單個浮筒的平衡以及兩個浮筒之間的相對平衡，實踐證明，此種浮筒充氣平衡方法切實可行。

[1]劉漢明,臧海鵬.沉船打撈技術設計與分析[M].青島：中國海洋大學出版社,2011：108.

[2]孫樹民,李悅.鋼制沉船打撈方法綜述[J].廣東造船,2006(1)：22-27.

[3]弓永軍,張增猛.打撈工程[M].大連：大連海事大學出版社,2012：125-127.

[4]劉漢明,何明國,劉富友,等.浮筒充氣量與充氣時間計算方法研究[M]//救撈專業委員會2003年學術交流會論文集.2003：48-54.

[5]盧鎮,黃祥科.浮筒充氣量計算模型研究[J].救撈與潛水,1999(1)：26-28.

10.16176/j.cnki.21-1284.2017.10.004

張晨晨（1990—），男，交通運輸部上海打撈局，助理工程師，碩士研究生。