“世越号”打捞工程沉船重量分析与计算
2017-09-15陈世海王伟平
陈世海 刘 雨 王伟平 蒋 岩
“世越号”打捞工程沉船重量分析与计算
陈世海 刘 雨 王伟平 蒋 岩
“世越号”打捞工程是由交通运输部上海打捞局承担的一项大型国际打捞工程，整个工程时间长、要求高、难度大，科学合理的技术方案设计是工程成功的可靠保障。沉船重量的计算分析作为其中关键一环，为技术方案设计提供科学依据。根据有限的沉船已知数据，结合打捞过程中沉船的不同状态，通过对沉船的各个重量及浮力分项进行分析、调查及合理假设，完成沉船几种典型关键工况下的重量计算分析，并与实际测量值进行对比，为以后类似的沉船重量计算提供参考。
世越号；打捞工程；沉船重量计算
一、概述
韩国大型渡轮“世越号”于2014年4月16日在韩国全罗南道珍岛郡近海沉没，事故造成304人遇难（包括失踪者），举世震惊。
沉船总长145米，型宽22米，型深14米。空船重量6 113吨，最大装载重量3 794吨，最大排水量9 907吨。难船沉没后左倾约90°侧躺于海底，部分上层建筑塌陷损坏。根据韩国方面要求，需要保持沉船原沉没状态对其进行整体打捞。“世越号”沉没姿态及坐标系设定见图1。
图1“世越号”沉没姿态及坐标系设定
2015年8月至2017年4月，经过长达600多天的施工作业，交通运输部上海打捞局克服了重重技术难关，严格按照韩方要求，最终顺利完成“世越号”打捞工程。
“世越号”打捞工程技术非常复杂、难度极大，为了确保工程能够顺利、安全、高效地完成，需要对整个工程进行科学、精细、全面的计算分析，沉船重量的计算分析作为打捞工程的重要设计参数和设计依据是其中的关键一环。本文主要根据“世越号”沉船较为有限的已知数据，结合打捞过程中沉船船体的不同状态，并通过对沉船的各个重量及浮力分项进行分析、调查及合理假设，完成了沉船原始搁坐状态、船首起吊、整体抬吊、滚卸上岸这几种典型工况下的重量分析计算，并与最终的实际测量值进行对比，为以后类似打捞工程中的沉船重量计算提供参考。各计算工况及船体状态见表1。
二、原始搁坐重量估算
1.离港重量数据
根据韩方提供的信息，“世越号”离港时装载了2 271吨货物，包括140辆轿车、32辆卡车、4辆重型机械以及一些材料物资。具体离港重量分项如表2所示。
表1 计算工况及船体状态
表2 离港时装载状态
2.沉没后的货物分布情况
“世越号”沉没过程为先向左舷倾覆，再艉倾沉没，最后左倾90度搁坐于海底。整个沉没过程很可能造成C甲板和D甲板的货物先往左舷移动堆积，然后再往船尾方向移动。为了尽可能准确地评估货物的分布情况进而较为准确地估算重量、重心，在预调查阶段，潜水员对C和D甲板货舱内的货物分布情况进行了探摸。此外，还假设E甲板货舱中的普通货物被固定在甲板上和舱室中，其重心位置在沉没后未有大的变化。整个船体中货物的分布情况如图2所示。
图2 货物分布情况估计
难船沉没后的货物重量重心估算见表3。
表3 货物重量重心计算
3.船体内泥沙重量
潜水调查发现，“世越号”上层建筑客舱中除了钢制结构外的装饰材料和家具均已经坍塌。因此可认为船体内的泥沙仅堆积在开放的舱室钢结构表面。根据潜水员的泥沙测量结果得知，上层建筑内的泥沙平均厚度约为20厘米，C甲板和D甲板的泥沙平均厚度约为50厘米。经取样分析，泥沙水中密度约为330千克/立方米，空气中密度为1 330千克/立方米。上层建筑、C甲板和D甲板的泥沙分布情况如图3和图4所示。
图3 上层建筑泥沙分布
图4 C甲板和D甲板泥沙分布情况
“世越号”船体内的泥沙重量重心计算如表4所示。
表4 泥沙重量重心估算表
4.海底搁坐重量
根据上述各项重量的计算评估，“世越号”搁坐在海底的总重量重心计算见表5。
表5 难船海底搁坐重量重心计算
三、船首起吊工况
根据设计方案，“世越号”船首需被吊离海底约10米高，船体纵倾约5°，为安装船体中部下方的首批18根托底钢梁提供空间，整个起吊过程沉船保持在水面下。为了减小船首起吊吊力及船体总纵弯矩、剪力和扭矩，并在起吊过程中保持船体姿态平衡，需要采取措施为“世越号”配置合理的浮力。这些浮力措施包括给难船本身的部分气密舱室充气，安装内置气囊、外置橡胶浮筒和钢制打捞浮筒。沉船船首起吊示意图如图5所示。
经过舱室密闭测试，共有10个船底舱室可以用来建立浮力，其分布如图6所示。
27个内置气囊被安装固定在C甲板和D甲板的货舱内，7只橡胶浮筒安装在难船船体右舷及打捞浮筒上，两只钢制浮筒绑扎固定在船首位置。这些浮力装置的主要规格及布置情况如图7所示。
图5 沉船船首起吊示意图
图6 舱室浮力分布情况
图7 附加浮力装置的布置
在这些浮力措施的实际建立和使用过程中，需要根据实际充气效果来对浮力进行评估。此外，为了控制船体翻转，部分船底舱室未充气或未完全充气。通过潜水调查及合理分析，最终浮力情况及重量估算见表6。
表6 船首起吊工况沉船总重量估算
四、整体抬吊工况
在“世越号”船体整体抬吊阶段，两条抬吊驳船使用66套钢绞线提升系统将沉船整体从海底提升约34米，直到船体右舷浮出水面13米。沉船出水过程中重量和浮力会发生明显变化。在此，我们只对沉船未出水的初始起吊工况和出水13米的最终起吊工况下的沉船重量进行计算分析。整体抬吊-初始起吊工况示意图见图8，整体抬吊-初始起吊工况模拟图见图9，整体抬吊-最终起吊工况示意图见图10，整体抬吊-最终起吊工况现场见图11。
图8 整体抬吊-初始起吊工况示意图
图9 整体抬吊-初始起吊工况模拟图
图10 整体抬吊-最终起吊工况示意图
图11 整体抬吊-最终起吊工况现场
1.初始起吊工况
此工况下，沉船船体全部沉没于水面以下。由于整体抬吊作业时与之前预调查间隔超过一年，中间还进行过船体周围海床的吸泥整平作业，吸起的泥沙散落较为严重，因此船体内泥沙淤积会有所增加，上层建筑、C甲板和D甲板的泥沙平均厚度均达到了约100厘米。重新估算的船体内泥沙重量如表7所示。
表7 泥沙重量重心估算表
为了避免起吊过程中舱室出水产生浮力损失造成大的总重量重心变化，整个起吊过程并未对船底舱室进行重新补气或者安装浮力装置建立额外浮力。据估计，船体未出水时，充过气的10个船底舱室仍存有约30%的气体。舱室分布情况与图6一致，浮力估算结果见表8。
表8 船体舱室浮力估算
沉船船体未出水的初始抬吊工况下，沉船总重 量计算结果如表9所示。
表9 初始抬吊工况下沉船总重量估算
2.最终起吊工况
最终抬吊工况下，船体右舷露出水面13米，因此需要对船体舱室浮力、船体舱内残余海水、淤积泥沙重量重新进行计算。
船体出水13米后，10个浮力舱室的浮力会有较大损失，船体结构本身也会失去浮力。而由于施工工艺问题，船体舱室的充气孔或排水孔开孔位置无法选取在舱室最低位置，因此露出水面的船体舱室会有部分残余海水无法流出船体。此外，上层建筑也存在很多相对较为封闭的区域，导致一定量的海水残留在船体舱室内无法排出。这些因素会导致船体重量增加。船底舱室浮力及残余海水分布见图12，上层建筑残余海水分布见图13，充气舱室剩余浮力估算见表10，残余水重量重心估算见表11，泥沙重量重心估算见表12。
图12 船底舱室浮力及残余海水分布
图13 上层建筑残余海水分布
表10 充气舱室剩余浮力估算
续表
表11 残余水重量重心估算
表12 泥沙重量重心估算表
沉船船体被起吊出水13米时的最终抬吊工况 下，沉船总重量计算结果如表13所示。
表13 最终抬吊工况下沉船总重量估算
续表
五、滚卸上岸工况
“世越号”被半潜驳整体起浮出水后，转运至约50海里外的木浦新港码头，并采用600轴SPMT（自行模块运输车）滚卸上岸。此时沉船船体完全浮出水面，船体内的泥沙重量和残余海水重量会大幅度增加。“世越号”沉船滚卸上岸情况见图14。
船底舱室和上层建筑的残余海水分布如图15和图16所示。
图14“世越号”沉船滚卸上岸
图15 船底舱室残余海水分布
图16 上层建筑残余海水分布
此外，由于每5个肋位存在一个强肋位，而船体左舷的C、D甲板货舱和船底的窗口较少，而且容易被货物堵塞，导致大量的海水会残余在强肋骨之间。整个船体左舷残余水层分布如图17所示。残余海水总量估算见表14。
图17 船体右舷残余水层分布
表14 残余海水总量估算
沉船船体被滚卸上岸时，沉船总重量计算结果 如表15所示。
表15 滚卸上岸时沉船总重量估算
六、总结
在实际打捞作业过程中，通过测量装置直接得到整体抬吊工况和滚卸上岸工况下的实际沉船重量与重心水平位置。船首起吊工况下的沉船总重量也通过船首起吊实际吊力得到了验证。沉船重量分析工况的计算值及实际测量值对比如表16所示。
表16 沉船重量计算值与实测值对比
在本次打捞工程中，由于沉船船体状态、实际载货量、船体内沉积泥沙、浮力状态等情况存在很大的不确定性，导致沉船重量计算分析存在很大困难。上海打捞局根据较为有限的数据，通过对沉船每个重量及浮力分项进行分析、调查和合理假设，较为准确地计算出几种典型工况下的沉船重量及浮力情况，除了滚卸上岸工况下重量计算误差为12.86%以外，其他计算数据误差均在5%以内，较为准确地评估了各个作业阶段的沉船重量，为打捞方案设计及作业分析提供了合理依据。这种详细分析计算方法及分析原理和经验，也对以后的类似打捞工程中的沉船重量计算具有一定的参考价值。
10.16176/j.cnki.21-1284.2017.08.002
陈世海（1972—），男，交通运输部上海打捞局技术开发中心总经理，高级工程师，硕士。
刘雨（1985—），男，交通运输部上海打捞局技术中心工程师，硕士。
王伟平（1960—），男，交通运输部上海打捞局工程船队书记，高级工程师，硕士。
蒋岩（1963—），男，交通运输部上海打捞局副局长，“世越号”打捞工程项目经理，硕士。
