升沉补偿系统应用于沉船抬撬打捞设计与实施

金桐君　蒋岩　汪有军　朱海荣

摘 要：将被动式深沉补偿系统应用到沉船抬撬打捞方法当中，能够有效地降低施工过程中由于风浪流对抬浮驳船的作用造成的动态载荷，从而有效地控制所有抬吊索具处于安全载荷以内，不至于发生索具断裂现象而造成灾难性的后果。本文以采用加入了深沉补偿系统的沉船抬撬法而成功完成世越号沉船的打捞作为案例，对升沉补偿系统如何应用于沉船抬撬打捞中，如何进行升沉补偿系统的静态性能计算，如何实验测试升沉补偿系统的动态响应能力以及在实际抬撬作业当中升沉补偿系统的实施要点均做了详细的阐述。

关键词：抬撬打捞；世越号打捞；深沉补偿；动态响应

中图分类号：U676.6 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）07-0016-03

船舶抬撬法（抬吊法）是一种传统的沉船打捞方法，往往采用一对方形驳船并行对称布置在沉船两舷的水面上，把沉船夹在中间，然后分别在驳船的内侧那一舷用起吊钢丝和沉船连接，最后利用提升系统把沉船抬浮出水。国内外曾用本方法捞起大量沉船，有的国家在打捞浮筒推广以前，曾用双体式打捞船抬浮海中失事的潜艇或小型军舰。比较有名的中山舰沉船打捞就是采用双驳船抬吊法。近几十年，随着科学技术的发展，沉船抬撬打捞法也有了长足的改进，主要的改进点在于采用的提升系统方面。原始的提升系统采用绞车加多门滑车的方法。这种方法不仅提升力有限，而且系统不稳定，容易发生断裂和卡死现象。后来出现了大吨位液压钢绞线同步提升系统应用到抬撬打撈方法上面。采用液压钢绞线提升系统能够大大增加提升力。可以说提升吨位已经不是制约抬撬打捞法的瓶颈因素了。同时采用计算机同步控制，液压系统传动加速度极小、且可控，能够有效保证整个安装过程的稳定性和安全性。但是该方法还是没有解决抬吊驳船在近远海海域，恶劣海况下面由于船舶运动带来的动载荷的冲击影响。本文将介绍在钢绞线提升系统中加入升沉补偿系统的抬撬打捞方法。该方法应用于世越号打捞工程中取得了成功，在国内还属于首次应用。该方法能很好的解决由于船舶运动造成沉船抬浮过程当中动载荷的影响，是对沉船抬撬打捞方法一种很好的改进。

1 升沉补偿系统应用于抬吊系统介绍

下图是本实施案列中升沉补偿系统加入到双驳船抬吊钢绞线提升系统的总布置图。

上述图中的标记分别为：1、抬浮驳；2、起吊钢丝；3、导向滚轮；4、锚头；5、钢绞丝；6、蓄能器；7、缓冲油缸；8、钢绞线提升油缸；9、托底钢梁；10、沉船11、反力支架。

在常规的钢绞线提升油缸8后面串联两个缓冲油缸，蓄能器通过高压油管和缓冲油缸连接组成升沉补偿系统。升沉补偿系统的作用原理如下所示：

（1）当抬浮驳受到风浪流作用向上抬升时，液压油通过高压油管回到蓄能器，缓冲油缸收缩。被吊沉船高度保持基本不变；同时每道索具的提升力保持基本不变。如下图所示：

（2）当抬浮驳受到到风浪流作用向下运动时，液压油通过高压油管回到缓冲油缸，缓冲油缸伸长。被吊沉船高度保持基本不变；同时每道索具提升力保持基本不变。如下图所示：

2 升沉补偿系统静态性能计算

双驳船抬吊提升系统中的升沉补偿单元是由连通的蓄能器和缓冲油缸组成的。

一个蓄能器内气体（氮气）的压缩和膨胀过程应遵循气体状态多变的规律。理想的气体为：

P0×V0n= P1×V1n= P2×V2n，

其中要考虑多变指数“n”对气体特性随时间的影响。

缓慢的膨胀和压缩过程的状态变化接近于等温，多变指数可为n=1，而快速的膨胀和压缩过程发生绝热的状态变化，多变指数n=k=1.4（适合于双原子气体的氮气）。本实施案例属于后者。

升沉补偿系统油压在不同缓冲油缸活塞杆升缩量条件下的计算公式如下：

P3'=P1/（（P1/P2）0.714-⊿V/V1）1.4

P1=充气压力（根据工程需要设定）

P2=充油之后的压力，系统最低压力（也称充油压力）

D=缓冲油缸活塞杆直径（m）（本案例中D=0.32m）

Y=缓冲油缸位移量（mm） （Y取值0mm～1100mm）

⊿V=缓冲油缸位移有效容积变化（L），⊿V==0.785*D2*Y

V1=蓄能器容积（L）（本案例中部分缓冲油缸配300L，部分配了400L）

P3'=缓冲油缸收缩之后压力P3

F=对应双缓冲油缸的载荷（t）

以下是本实施案例中特定充气压力和充油压力条件下的压力（载荷）-行程计算样表。

在使用过程当中通过设定不同的P1，P2值来达到我们对整个缓冲系统的使用要求。

3 升沉补偿系统动态性能

升沉补偿系统要应用到双驳抬吊提升系统之中真正起作用，还需要校核该升沉补偿系统的动态响应速率。只有在该系统的响应速率大于环境载荷的变化速率时才能够百分之百发挥该升沉补偿系统的能力。

在本实施案列中，对该系统进行了实验室模拟试验，测试该系统的动态响应速率。试验模型如下所示：

采用4个缓冲油缸2个一组对顶的方式进行试验，在其中的一组缓冲油缸侧布置两个激震小油缸。保持两组缓冲油缸油压设置完全一致。通过控制激震油缸的往复运动推动整个系统往复运动。测量记录整个系统的响应性能。在该试验系统中，2组缓冲油缸分别模拟提升系统和重物。激震油缸则模拟了环境载荷。试验记录数据如下：

从试验数据可以得到以下结论：

（1）该试验已经模拟出缓冲系统8s周期内，±15cm的性能。实际缓冲能力在该性能之上。

（2）由于受限于激震油缸（模拟环境载荷）的能力：其本身的全行程运动周期在15秒以上，推力只有40t，还没办法试验出该系统的完整能力。后续可以改进试验方法继续进行性能的试验。

4 升沉补偿系统在抬撬打捞作业当中的实施

4.1 加载离底阶段

在加载离底之前，所有蓄能器充气到初始壓力，在不补油阶段充气压力即缓冲系统的最小压力。在实际施工过程当中蓄能器的充气压力值设定成该处1.2倍的计算离底载荷。但是同时这个初始压力值对应载荷（最小载荷）还远小于安全载荷。沉船的离底过程是对所有吊索同步分步骤加载的过程。按照设计载荷的30%，50% ，60% ，80% ，90%，100%百分比同步分步骤加载。到载荷加到100%附近时，沉船部分点开始提升，部分点还是没有动。此时停止已动吊索的加载，而继续同步小幅增加不动处的载荷，直至所有的吊索向上提升，沉船整体离底。

在提升油缸逐级加载过程当中，缓冲油缸的状态如下：

（1）在加载的初始阶段，外部负载小于最小载荷，缓冲油缸内压力保持不变，缓冲油缸伸到顶；

（2）在离底过程当中如果部分点载荷加大到超过缓冲油缸的最小载荷，那么该处的缓冲油缸开始被压缩。

4.2 提升阶段

离底之后，液压钢绞线同步提升，沉船慢慢上升，伴随着沉船浮出水面，沉船的重量慢慢增加，索具的载荷也慢慢增加。此时根据需要对缓冲油缸进行补油，整体提高缓冲油缸的负载变化区间。同时为了保证所有的索具不过载，溢流阀设置了最高压力，保护最大负载。设置溢流阀保护最大负载具有以下特点。

（1）最大外负载值可以根据理论强度计算值设定，但该最大负载值还保留所有索具强度具有一定的安全余量。

（2）当有些提升点超过这些值时自动卸载，最大的卸载距离为当时的活塞杆位置收缩到顶的距离，此时载荷在各吊索点之间自动平衡，直至所有的点都小于这个值；

（3）当提升点外负载小于这个设定的最大负载值时，提升负载值不变化。

（4）当提升负载在充油载荷（最小载荷）与最大负载值之间时，油缸压缩。

（5）处理好过载保护和缓冲距离的相互关系，在不过载的前提下适当对系统充油使缓冲油缸活塞处于较大的伸长量，这样缓冲油缸具有较大的缓冲距离。

5 总结

带升沉补偿系统的沉船抬撬打捞方法可适用于复杂海况、打捞吨位大、作业效率高、不受水深限制等优点，成为大吨位大水深沉船打捞的核心技术之一。本方法在世越号打捞工程当中得到了成功应用，起到了关键的作用。其中的设计理念和方法可以为同类型的工程提供借鉴作用。同时后续可以在升沉补偿系统的补偿性能，适应地极限恶劣海况方面做进一步的研究，得到该系统更加精确的使用性能和应用范围。

参考文献：

[1] 孙树民， 李悦. 钢质沉船打捞方法综述[J]. 广东造船， 2006（1）：22-27.

[2] 侯交义， 韩雪， 张增猛，等. 沉船提升被动型液压升沉补偿系统仿真研究[J]. 液压与气动， 2015（10）：27-30.