钢制浮筒在“世越号”打捞工程中的应用

张晨晨

钢制浮筒在“世越号”打捞工程中的应用

张晨晨

钢制浮筒在打捞工程中的应用主要分为浮筒钢缆的预埋、浮筒的沉放以及浮筒的充气平衡三个阶段。浮筒的充气平衡是整个浮筒安装过程中最为重要且难度较大的步骤，现有的浮筒充气量与充气时间的计算模型在工程实际中误差很大，因此需要一套实用高效的浮筒充气平衡方案来安全快速地完成浮筒安装作业。

打捞工程；浮筒安装；充气平衡；方案

一、引言

“世越号”于2014年4月16日在航行中侧翻沉没，该船沉没地点位于韩国西南方向海域，距离韩国全罗南道珍岛郡观梅岛约1.5海里。难船沉没海域水深约45米，沉船左倾90度，尾部上层建筑局部破损，左舷入泥深度约1米，泥面土质较硬，多为碎石。对于该船决定采用将船头起吊一定的高度，然后在沉船与泥面之间插入提升钢梁并最终整体起吊放置于浮船坞的打捞方案。

浮筒一般布置在沉船船体首、尾线型变化较大的部位，以增加其力矩作用。[1]根据沉船的重量分布、现场浮吊船所能提供的吊力以及沉船的总纵强度和局部强度，需要在沉船首部位置安装一对500吨的钢制浮筒，一个在沉船甲板侧，一个在沉船船底侧，具体浮筒布置方式如图1、图2所示。

图1 浮筒布置方式（俯视图）

图2 浮筒布置方式（前视图）

浮筒的安装主要分为3个部分：预埋浮筒钢缆、浮筒的沉放以及浮筒的充气平衡。沉船甲板侧可安装浮筒的空间十分有限，基本上前后误差得控制在1.5米以内，因此浮筒钢缆预埋位置的准确度，决定了浮筒是否能顺利安装到位；在浮筒安装过程中，浮筒的充气平衡阶段是最为重要且难度较大的步骤。充气起浮过程中，必须满足两个条件：（1）保证单个浮筒两端的平衡；（2）保证两个浮筒之间的相对平衡。如果这两个条件中有一个不满足且有较大的偏差，则有可能使浮筒有较大倾斜，抽动浮筒钢丝，浮筒达不到设计位置，更有可能在起吊船头过程中发生危险；另一方面，两个浮筒设计位置高度不一致，这也就意味着采用相同的气源对两个浮筒进行充气，两个浮筒达到相对平衡所需要的充气时间也不一致。因此，在充气平衡浮筒阶段，需要一套实用高效的充气方案，在充气过程中，能够兼顾上述的两个条件，将浮筒安全精确地安装到位。

二、500吨浮筒结构及性能

打捞浮筒有硬壳和软壳两种，我国设计制造的钢制浮筒有1 200吨、800吨、500吨、250吨、200吨、100吨和60吨抬浮力数种[2]，目前常用的是500吨和800吨打捞浮筒，本次打捞工程中采用的是一对500吨钢制打捞浮筒。

1.500 吨浮筒结构尺寸

500吨打捞浮筒长17米，直径7.1米，浮筒主要由1个中舱、2个边舱、空气式内胆、缆桩、缆孔、进气阀组、排气阀、海底门、羊角、吊耳等组成，其中内胆的主要作用是减轻浮筒的水下重量，500吨打捞浮筒空气中全部重量约140吨，设置内胆后在海水中仅2～3吨重[3]，这大大方便了浮筒的水下沉放及安装作业。浮筒外壳在浮筒内部充满水后内外压差基本为零，而浮筒内胆一般不充气，除非在较深水域布置浮筒时需要在内胆里充一定压力的气体以减少内胆内外压差，因此内胆钢板的厚度一般比外壳钢板的厚度要大。浮筒结构尺寸及实体图如图3、图4所示。

图3 500吨浮筒结构尺寸

图4 500吨浮筒实体图

2.500 吨浮筒性能

500吨浮筒浮力舱分为1个中舱和2个边舱，其中中舱可提供250吨浮力，每个边舱可提供125吨浮力，当内胆不充气时，最大打捞深度为60米，当内胆充气时，最大打捞深度可达140米。500吨浮筒的性能参数如表1所示。

表1 500吨浮筒性能参数

三、500吨浮筒沉放

浮筒沉放主要分为两个步骤：一是沉放之前，按照浮筒沉放之后需要到达的设计位置进行浮筒钢缆的预埋作业；二是将浮筒沿着预埋的浮筒钢缆沉放到位。

1.预埋浮筒钢缆

浮筒钢缆长度主要是由浮筒位置处的沉船横剖面型线、浮筒就位后的高度以及浮筒计划套的桩头至缆孔的距离来确定的。根据设计要求，本次4根浮筒钢缆分别处于沉船的141#、151#、165#、168#肋位，甲板侧浮筒设计位置为顶端距离沉船左舷3.5米，船底侧浮筒设计位置为顶端与沉船右舷齐平，钢缆套在缆孔周围的第四个桩头上，经计算4根浮筒钢缆的长度如表2所示，浮筒钢缆布置位置及横剖面图如图5、图6所示。

表2 浮筒钢缆长度

图5 浮筒钢缆设计位置

图6 浮筒钢缆布置位置横剖面图

2.浮筒沉放

本次工程浮筒的沉放工作是由两艘工程船首尾相对，配合完成，先放置沉船船底侧的浮筒，再放置沉船甲板侧的浮筒。浮筒钢缆入水之前，先将4根尺寸小一些的钢丝（本次工程用的是6寸的钢丝，因为考虑到浮筒钢缆设计位置沉船陷入海底泥面）分别穿过浮筒钢缆的设计位置，然后在工程船船首和船尾留住，用以拖拉浮筒钢缆至设计位置。

3.船底侧浮筒沉放

将船底侧浮筒吊放至工程船船尾，并用两根钢丝分别连接在浮筒两端的吊耳上，另一端在工程船船尾留住。利用之前穿引到位的4根6寸钢丝分别将4根浮筒钢缆抽拉通过浮筒缆孔，并用浮筒卸扣将1#浮筒钢缆与2#浮筒钢缆、3#浮筒钢缆与4#浮筒钢缆连接在一起，然后继续抽动6寸钢丝，当2个浮筒卸扣进入两个边缆孔内部2米左右后停止抽动。浮筒卸扣到位后，通过船尾的两个绞车，连接两根绞车钢丝到浮筒令巴上作为提升钢丝，将之前的两根绑扎钢丝拆除；提升钢丝连接完成之后，工作人员连接浮筒3根浮筒充气管线至浮筒充气阀组上，并开启海底阀，海水将从海底阀进入浮筒内，浮筒缓慢下沉，当浮筒上表面到达接近海面的位置后，打开三个舱室的排气阀（为了使浮筒能缓慢平稳下沉，排气阀开1/3左右），工作人员撤离，随着浮筒的下沉，浮筒起吊钢丝保持受力缓慢放松，另一侧的工程船同步绞浮筒钢缆，使浮筒逐渐沉坐在海底。船底侧浮筒沉放方式如图7所示。

4.甲板侧浮筒沉放

船底侧浮筒沉坐在海底之后，将甲板侧浮筒吊至甲板侧工程船船尾，跟之前一样将浮筒暂时绑扎在船尾。通过浮筒内预留的钢丝将6寸拖拉钢丝从浮筒4个缆孔内抽出至工程船绞车上，使6寸拖拉钢丝稍微受力张紧然后固定在工程船甲板上。通过船尾的两个绞车，连接两根绞车钢丝到浮筒令巴上作为提升钢丝，将之前的两根绑扎钢丝拆除；采用同样的操作方式将甲板侧的浮筒沿着6寸拖拉钢丝滑至船底，整个过程中两根提升钢丝始终保持受力状态。浮筒沉坐在海底之后，潜水员入水完成套桩头作业。甲板侧浮筒沉放方式如图8所示。

图7 船底侧浮筒沉放方式

图8 甲板侧浮筒沉放方式

四、浮筒充气

浮筒充气是整个浮筒安装过程中难度最大也是最为重要的阶段，此阶段的顺利与否直接关系到浮筒安装的成功与失败，如果此阶段出现问题，可能会导致严重的事故。[4]

实际打捞工程中计算浮筒充气量与充气时间所采取的方法之一，是根据理想气体状态方程所需要的一定压力下的气体体积换算为常压下的体积，再由空压机的额定供气量计算出所需要的充气时间。[5]这种方法忽略了充气过程中管路中气体能量损失以及浮筒内部压力的变化，计算出的充气时间偏短，误差较大，有时能达到50%以上，不能满足工程需要，因此需要设计一套安全具有工程实际的充气方式。本次工程实际充气过程中，采用了先将浮筒提升至设计位置，然后在充气过程中不断测取每个浮筒舱室的内外压差，计算出每个舱室内部的气体量，对气体量少的舱室单独补气，从而使每个浮筒的两端以及两个浮筒之间相对达到平衡状态，使浮筒平稳的逐渐充满。在此次工程中，多次采用这种方法完成浮筒的充气作业，证实了其充气的可靠性。

1.浮筒提升至设计位置

为了使沉船两侧的浮筒最终能够处于设计位置的高度，可在对浮筒进行充气平衡之前，利用之前沉放浮筒的提升钢丝将两侧的浮筒提升至设计位置。考虑到浮筒在水下的重量为4～5吨，为了减小提升钢丝的提升力，可以预先给两侧的浮筒进行少量的充气。充气时间可根据空压机的排气量、水深参数利用理想气体状态方程进行计算，由于忽略了管路损失等影响，计算出的时间是偏短的也是偏安全的。本次预计先给每个浮筒充3立方米的气体，空压机排气量为30立方米/分，浮筒上表面水深40米，计算出所需要的时间为30秒。因此，在提升两个浮筒之前，同时对两侧浮筒的两个边舱充气30秒，然后工程船利用绞车将浮筒提升至设计位置高度。浮筒提升至设计位置图如图9所示。

图9 浮筒设计位置

2.浮筒充气

当浮筒提升至设计位置之后，即可对浮筒进行充气进行平衡作业。浮筒充气原则是先对两个边舱进行充气，然后再进行中舱的充气作业。为了满足单个浮筒的平衡以及两个浮筒之间的相对平衡，本次浮筒充气期间在每个浮筒两端的最高点安装了测深管，测深管外接压力表，通过测深管显示出的压力值，可以得知浮筒每一端的水深，从而可以判断单个浮筒在水下的漂浮状态。每个浮筒的3个舱室的充气管连接至同一个气体分配器上，气体分配器上装有压力表，可以测得每个舱室的内部压力。浮筒充气期间，充气管及测深管连接方式如图10所示。

图10 浮筒充气管线及测深管连接方式

在浮筒初始充气阶段，浮筒两端的内部气体体积较小及两端提供的浮力较小，且充入相同气量的情况下，两个边舱内部液面的水位下降较快，浮筒处于不稳定状态，因此最开始充气阶段，要每隔少量时间，停止对浮筒进行充气，通过浮筒充气管气体分配器以及测深管气体分配器上的压力表，测得每个浮筒两个边舱的内部压力以及外部压力，从而求得每个边舱所提供的浮力值。另外可直接根据浮筒两端测深管测得的压力值来判断浮筒的漂浮状态。如果单个浮筒中两端高度差较为明显，且内部压力不一致，则可单独对浮筒低的一端进行充气，充气一段时间后停止重新测量两端的水深及内部压力，直至两端浮力平衡，再进行下一步同步充气作业。如果两个浮筒之间的浮力不平衡，即一边浮筒的浮力大于另外一边的浮力，则可以对浮力小的浮筒进行单独充气，直至两个浮筒浮力平衡之后再继续进行两个浮筒同时充气作业。浮筒两个边舱充满之后，每个边舱的内外压差应该在7.1米左右，判断边舱充气结束的标准是舱室有大量气泡冒出。每个浮筒的边舱充满气之后，可进行浮筒中舱的充气作业。由于中舱为通舱，且处于浮筒的中间位置，对单个浮筒的平衡没有边舱的影响大，充气速度可以较边舱快一些。另外两个中舱充气过程中也要隔一段时间进行内外压差的测算，内压可通过充气管线气体分配器的压力表测得，外压可取边舱的外压或者取两端边舱外压的平均值。通过比较两个浮筒中舱的内外压差，来判断是否同时充气还是将气体量少的浮筒先充一段时间，当两个中舱的内外压差一致后再同时对两个浮筒的中舱进行充气作业，直至两个浮筒的中舱充满气，此时浮筒充气作业结束。潜水员水下关闭充气阀组及海底门，连接浮筒钢缆，至此，浮筒安装作业结束。浮筒边舱和中舱内外压差对应的内部气体体积如图11所示。

图11 浮筒边舱及中舱内外压差对应舱内气体体积

由于本次工程两个浮筒安装的深度不一致，因此在充气过程中，采用同样规格的空压机进行供气时，在相同的时间内，甲板侧浮筒的内部气体体积小于船底侧浮筒的内部气体体积，即甲板侧浮筒的内外压差小于船底侧浮筒的内外压差。为了使充气过程中两个浮筒的舱室气体体积相差在安全范围内，可以将甲板侧浮筒空压机的排气阀开大一些，而船底侧浮筒空压机的排气阀相应开小一点，从而使甲板侧空压机在相同的时间内提供的气体量多一些，在进入浮筒舱室内部后，可以使两个浮筒内部的气体体积相差变化在安全范围内。

五、结论

浮筒打捞是一种常用的打捞方法，它是快速清除水域障碍、疏通航道的有效手段。浮筒打捞在打捞工程中主要分为浮筒钢缆的预埋、浮筒的沉放以及浮筒的充气平衡三个阶段。其中浮筒充气平衡是最为重要也是难度较大的阶段，现有的浮筒充气量与充气时间计算模型误差较大，不能运用于工程实际中。本文提出了一种实时对浮筒各个舱室气体体积的测量的方法，保证了浮筒充气过程中单个浮筒的平衡以及两个浮筒之间的相对平衡，实践证明，此种浮筒充气平衡方法切实可行。

[1]刘汉明,臧海鹏.沉船打捞技术设计与分析[M].青岛：中国海洋大学出版社,2011：108.

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

[3]弓永军,张增猛.打捞工程[M].大连：大连海事大学出版社,2012：125-127.

[4]刘汉明,何明国,刘富友,等.浮筒充气量与充气时间计算方法研究[M]//救捞专业委员会2003年学术交流会论文集.2003：48-54.

[5]卢镇,黄祥科.浮筒充气量计算模型研究[J].救捞与潜水,1999(1)：26-28.

10.16176/j.cnki.21-1284.2017.10.004

张晨晨（1990—），男，交通运输部上海打捞局，助理工程师，硕士研究生。