沉船打捞带缓冲补偿的液压同步提升系统研究

王伟平,杨 濛,卞永明,苏 炎,杨继翔,秦利升

(1.交通运输部 上海打捞局,上海 200090; 2.同济大学 机械与能源工程学院,上海 201804; 3.上海同新机电控制技术有限公司,上海 200949)

沉船打捞带缓冲补偿的液压同步提升系统研究

王伟平1,杨 濛2,卞永明2,苏 炎2,杨继翔2,秦利升3

(1.交通运输部 上海打捞局,上海 200090; 2.同济大学 机械与能源工程学院,上海 201804; 3.上海同新机电控制技术有限公司,上海 200949)

受空间、环境和沉船吨位大的限制,浮筒抬浮打捞和浮吊打捞等传统工艺已经无法满足大吨位沉船打捞的需求.为了突破这一施工技术的瓶颈,提出了一种适用于大吨位沉船打捞的液压同步提升系统,实现了大吨位沉船的整体打捞.此外,针对沉船打捞过程中,抬浮驳船受波浪上下起伏影响而导致打捞载荷不稳定的现象,提出了一种配套使用的缓冲补偿系统,实现了打捞载荷的均衡,并减少了摇晃振动.同时,为了监视和调整水下沉船的姿态,又设计了一套托梁水平监测系统.最终,所提出的液压同步提升系统成功应用于韩国客轮“世越号”沉船整体打捞工程中,证明了所提方法的有效性与可行性.

沉船打捞; 液压同步提升系统; 缓冲补偿; 世越号

随着现代社会的飞速发展,人类对于海洋资源开发利用的活动日益增多,大吨位船舶的数量持续增加.为了保障港口、航道等战略资源的安全,迫切需要具备大吨位沉船的救援打捞能力与技术水平[1-2].

在传统沉船打捞方法中,应用最为普遍的是浮筒抬浮打捞方法,但是该方法通常适用于小吨位沉船打捞,且浮筒起浮力难以控制,操作非常麻烦[3].封舱抽水打捞和压气排水打捞则需要可利用的完整密闭舱室,且封舱工作量非常巨大,浮吊打捞则容易受海浪高度、疾风和海浪涌动方向等外界环境因素的影响.综上所述,传统的沉船打捞方法已不能满足当前大吨位沉船打捞的技术要求,需要开发一种新型的沉船打捞工艺.

液压同步提升技术是一项新颖的建筑施工安装技术,已广泛应用于陆地上的大型构件整体提升.然而,液压同步提升技术在沉船打捞中的应用尚处于尝试阶段[4].在2001年,荷兰MAMMOET公司首次采用带有缓冲补偿的液压同步提升系统,实现了2 m浪高环境下俄罗斯库尔斯克号核潜艇的整体打捞[5].带有缓冲补偿的液压同步提升系统具有工作效率高、打捞沉船吨位大、不受水深限制、可适用于复杂海况等优点,已经成为大吨位沉船打捞的核心技术[6].

本文目的在于通过液压同步提升技术实现大吨位沉船的整体打捞,设计了一种基于控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)的液压同步提升系统.为了缓解抬浮驳船受波浪上下起伏的影响,设计了一种缓冲补偿系统,搭配液压同步提升系统共同使用.为了能够监视和调整水下沉船的姿态,又设计了一套托梁水平监测系统.最终,通过在韩国客轮“世越号”沉船整体打捞工程中的成功应用,验证了所设计系统的有效性和可实现性.

1 系统布置

在海上施工过程中,通常以平板驳船为施工场地.因此,将两艘大型抬浮驳船对称分布在沉船海面的两侧,两套带有缓冲补偿的液压同步提升系统被分别布置在抬浮驳船的甲板上.

提升油缸和缓冲油缸被安装在甲板的反力支架上,沉船底部安装有预先穿过海底岩石的托底钢梁,托梁两端引出的钢丝绳通过连接器分别与抬浮驳船上提升油缸的钢绞线相连接.提升油缸能够提供足够的牵引力,通过钢绞线与钢丝绳对拉力的传递,在计算机灵活的控制下,最终将沉船同步提升打捞出水.

在打捞过程中,由于受到海况的影响,抬浮驳船会随着海浪产生不规则的起伏运动;而在钢丝绳的牵引作用下,与驳船相连接的沉船也会产生相应的起伏运动,导致在同步提升过程中,会出现个别钢丝绳受力过大,载荷分布不均匀的情况,大大增加了海上工程事故发生的可能性.因此,液压同步提升系统还需有具有缓冲功能的补偿装置.

缓冲补偿系统实质上由缓冲油缸与蓄能器组成.缓冲油缸安装在提升油缸与反力支架之间,并与蓄能器相连接,利用蓄能器充放油液的特点,实现缓冲补偿.综上所述,用于沉船打捞的带有缓冲补偿的液压同步提升系统布置如图1所示.

图1 沉船打捞系统布置图Fig.1 Arrangement diagram of the salvage system

2 液压同步提升系统

液压同步提升系统由提升油缸、液压泵站、控制系统和钢绞线组成.提升油缸的结构如图2所示.

图2 提升油缸结构图Fig.2 Structure of the lifting cylinder

2.1 工作原理

一个提升油缸具有一个上锚具和一个下锚具.上锚具固定在主油缸的活塞杆上,能够跟随主油缸的活塞杆进行上、下运动.下锚具与提升油缸的底座相连接,固定在油缸支架上.上、下锚具可以夹紧或放松穿过提升油缸的钢绞线.

在沉船打捞施工过程中,同步提升过程可以简要概括为以下4个步骤(见图3):

步骤1 空载缩缸:上锚具停止动作,下锚具夹紧钢绞线.主油缸缩缸,准备下一个行程提升做准备.沉船在海洋中保持静止一段时间.

步骤2 锚具切换:主油缸缩到最低位后停止动作,上锚具夹紧钢绞线,下锚具停止动作.

步骤3 带载伸缸:上锚具夹紧钢绞线,下锚具停止动作,主油缸伸缸,同步提升沉船一段距离.

步骤4 锚具切换:主油缸伸到最高位后停止动作,下锚具夹紧钢绞线,上锚具停止动作.循环重复步骤1.

图3 同步提升过程示意图Fig.3 Schematic diagram of the synchronous lifting process

上述过程循环执行,整体提升沉船至指定高度.

此外,在提升油缸的液压回路上还设置有液压锁,当遇到停电等突发情况时,可以立刻关闭回路,保持沉船在海洋中悬浮.当需要沉船长时间悬浮时,可以通过控制系统操作下锚具,使其夹紧钢绞线实现高度锁定.

液压泵站是同步提升系统的动力来源,可以输出液压动力驱动提升油缸实现所提到的动作.1台液压泵站可以同时驱动4台提升油缸,包含有主回路和锚具回路.主回路驱动主油缸完成伸、缩动作,锚具回路驱动上、下锚具完成夹紧、放松钢绞线动作.液压泵站的液压原理图如图4所示.电磁换向阀用来改变油缸动作的方向,比例调速阀用来调整油缸运动的速度.

2.2 基于CAN总线的控制系统

控制系统是一套基于CAN总线的实时网络控制系统(Network Control System,NCS),主要由主控制柜、泵站控制器和油缸传感器组成,如图5所示.

主控制柜采集控制面板上的操作信号,并通过CAN总线接收油缸传感器发送的油缸状态数据,然后，执行同步控制算法得到控制数据,并再次通过CAN总线发送给泵站控制器.泵站控制器根据通过CAN总线所接收到的控制指令,执行输出相应的开关量信号和脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)信号.油缸传感器采集包括行程与油压在内的油缸状态数据,通过CAN总线发送给主控制柜.

图4 液压泵站液压原理图Fig.4 Hydraulic schematic diagram of the pump station

图5 控制系统框图Fig.5 Overall block diagram of the control system

同步控制算法采用主从式PID控制算法,将主提升油缸的行程值作为同步控制的基准.初始时,泵站控制器输出相同的PWM控制信号,当主、从提升油缸的行程出现偏差时,主控制柜执行PID算法,根据同步误差来调节从提升油缸PWM信号的占空比.通过调节PWM信号的占空比来改变液压回路的压力与流量,从而减少同步误差,最终实现同步提升.

3 缓冲补偿系统

缓冲补偿系统由缓冲油缸与蓄能器组成,被设计用来缓解由海浪引起的载荷不均和摇晃振动.如图6所示:缓冲油缸用来承受沉船的重量;蓄能器用来存储和释放抬浮驳船的升沉能量;单向节流阀起到快速补油而节流回油的作用;比例溢流阀能够设置缓冲补偿系统的最大保护载荷,并可以随着提示工况的变化而变化.在缓冲补偿过程中,通过补充油液起到补偿压力损失的作用.

当抬浮驳船处于静止平衡状态时,缓冲油缸的总压力等于沉船的重量.当抬浮驳船上升时,缓冲油缸跟随着驳船移动,钢丝绳连接的沉船由于惯性保持作用,导致钢丝绳上的拉力突然变大.此时,缓冲油缸中的油液被压入蓄能器,蓄能器中的空气被压缩,从而存储能量.最终,缓冲油缸活塞杆伸出,补偿了沉船的上升位移,实现了缓冲补偿,尽量保持沉船的姿态平衡以及钢丝绳上的载荷均布.

当抬浮驳船下降时,钢丝绳上的拉力突然减小.此时,蓄能器中的油液被压入缓冲油缸中,蓄能器中的空气释放能量.最后,缓冲油缸的活塞杆缩回,补偿了沉船的下降位移.

4 托梁水平监测系统

为了监测和调整水下沉船的姿态,设计了一套托梁水平监测系统.

托梁水平监测系统由工控机和一组安装在所选择的托底钢梁上的倾角传感器所组成.该系统也是一套基于CAN总线的网络控制系统.工控机采集人机交互界面(Human-computer Interaction Interface,HMI)上的控制信号来启动与关闭系统,并能够设置倾角传感器的零点.倾角传感器采集托梁的倾角数据,通过CAN总线发送给工控机,并显示在人机交互界面上.托梁水平监测系统的人机交互界面如图7所示.

图7 托梁水平监测系统的人机交互界面Fig.7 HMI of the joist levelness monitoring sytem

5 工程应用

5.1 工程背景

2014年4月16日,韩国客轮“世越号”在韩国全罗南道珍岛郡观梅岛西南方向约3 km海上沉没.在本次事故中,共计有304名乘客与船员丧生.

“世越号”客轮于1994年由日本建造,船舶总质量6 825 t,船长146 m,船宽22 m,能够承载921名乘客、180辆汽车和154个标准货物集装箱.然而,据事故发生后的报道,当时沉船携带了包括124辆汽车和56辆卡车在内的3 608 t货物,是合法载荷的3倍.

“世越号”沉船事故在韩国境内引起了巨大的社会与政治反响.为了尽可能地保护失踪的9具遇难者遗体,韩国政府要求在维持沉船左倾90°下沉的原始状态,并且不破坏船体结构的情况下,进行沉船打捞.此外,由于打捞空间有限,并且具有超过10 000 t的打捞吨位,传统打捞方法都已不适用,因此,决定使用带有缓冲补偿的液压同步提升系统进行打捞.在把沉船船体打捞至指定高度后,将“世越号”与两艘抬浮驳船进行捆绑,拖拽至半潜驳船处.最终,由半潜驳船将“世越号”运送至木铺新港.

5.2 施工装置

通过计算和分析,在沉船海面两侧分布的抬浮驳船上各安装一套全新的液压同步提升系统.每套液压同步提升系统由33个350 t的提升油缸和9个液压泵站组成.相应地,在沉船底下预先安装有33根托底钢梁.提升油缸内部穿有钢绞线,上端用卸扣固定在一起,下端通过疏导板连接到连接器的一端.从托底钢梁两端引出的钢丝绳则连接到连接器的另一端.打捞所用的抬浮驳船如图8所示.

图8 一艘装备齐全的抬浮驳船Fig.8 A well-equipped lift barge

型号为NXQ-A-100/31.5-F的蓄能器被选择使用在缓冲补偿系统中,每个蓄能器的容量为100 L.根据不同托梁组的提升力不同,配置3种蓄能器站,分别为400,600和800 L.每个提升油缸配备有2个200 t的缓冲油缸.整个液压系统的参数如表1所示,液压系统的装备如图9所示.

表1 液压系统参数Tab.1 Parameters of the hydraulic system

图9 液压系统的装备Fig.9 Equipment of the hydraulic system

主控制柜采用基于PC104的微型计算机.TXCON1032控制器被用为泵站控制器.油缸传感器是基于32位的高效嵌入式微处理器LPC2119,能够通过CAN总线进行通讯.油缸行程采用单圈绝对值编码器进行测量,检测精度为1 mm.4个微动开关用于测量一个提升油缸的锚具状态.此外,在液压系统中多处还安装有压力传感器,实时检测压力参数.而且,系统中还采用了两轴倾角传感器来测量托底钢梁的水平倾角,通过CAN总线进行连接,测量范围±80°,检测精度0.1°.

5.3 施工流程

根据操作顺序,整个施工流程描述为以下10个步骤:

步骤1 在两艘抬浮驳船上,分别安装一套带有缓冲补偿的液压同步提升系统,提升油缸穿好匹配的钢绞线,并完成设备的调试.

步骤2 抬浮驳船到位.用拖船将抬浮驳船拖拉到“世越号”两侧.确定准确位置后,抛锚定位.

步骤3 钢丝绳连接.潜水员将钢丝绳与托梁进行连接.此时应预留6 m长度的余量,直至全部托梁吊点连接完成,以防止船体移动导致托梁受力.然后,通过连接器将钢绞线与钢丝绳进行连接,如图10所示.

图10 钢绞线与钢丝绳的连接Fig.10 Connection between the steel cables and the steel strands

步骤4 设定缓冲补偿系统的压力,保证缓冲油缸的载荷为100%理论值.

步骤5 夹紧钢绞线,直至每个托梁吊点的钢绞线被收紧.实时检测缓冲油缸的压力值.

步骤6 根据每个托梁受力的10%,逐级加载20%,30%,40%,直至100%.如果在加载过程中观测到托梁离底,则该处托梁停止加载.待所有托梁全部离地约20 cm后,停止加载.

步骤7 根据托梁的水平度和受力数据,逐根手动调整托梁,使得托梁的整体受力符合理论设计要求,防止局部区域受力过大.根据最终托梁的受力数据,调整缓冲油缸压力,使得缓存油缸内部压力等于当前实际所受载荷的110%,保证在受到110%的冲击载荷时能够起到缓冲保护的作用.

步骤8 沉船提升.根据指令启动控制系统,开始自动同步提升.在提升过程中,实时检测托梁的水平度、提升力和缓冲油缸的状态.根据实际工况,每提升5 m,手动调整托梁的姿态.在船体出水后,每提升5 m校正一下缓存油缸的压力,确保能够应对出水时提升载荷上升所带来的变化,保持缓冲功能.

步骤9 将“世越号”提升至水上13 m处,然后锁定上、下锚具.实时检测缓冲油缸的油压,保证缓冲功能.将“世越号”与两艘抬浮驳船进行捆绑,迅速拖拽至半潜驳船处.

步骤10 半潜驳船起浮支撑住“世越号”.松开钢丝绳,将“世越号”运送至港口.打捞工程完成.

2017年3月23日,韩国客轮“世越号”被成功打捞(见图11).

图11 韩国客轮“世越号”打捞成功Fig.11 Successful salvage of the Korea RoPax ferry SEWOL

6 结语

本文设计了一种用于沉船整体打捞的液压同步提升系统.为了缓解抬浮驳船受波浪上下起伏的影响,所造成的载荷分布不均和摇晃振动,又设计了一种缓冲补偿系统.在韩国客轮“世越号”打捞工程中的成功应用,证明了所提方法的有效性.对比传统打捞方法,所提出的方法明显提高了工作效率,减少了工作量.沉船可以在一天之内被成功打捞.而且,整个打捞的提升力可以自由增加,不受提升吊点数量的限制.将打捞工程“数字化”,沉船的水平度和油缸的状态可以被实时监控,并且能够被灵活控制.提供了一种不受水深限制、效率高、适用于复杂海况和安全性高的新型打捞技术.

[1] 黄志鹏.大吨位沉船打捞链式同步提升平台设计[D].大连:大连海事大学,2015.

HUANG Z P.Large-tonnage salvage chain simultaneously enhancing platform[D].Dalian:Dalian Maritime University,2015.

[2] 侯交义,李烁,张增猛,等.沉船同步提升液压升沉补偿试验平台设计[C]//全国流体传动与控制学术会议,浙江，2016.

HOU J Y,LI S,ZHANG Z M,et al.Design of hydraulic heave compensation test platform for wreck synchronous ascension[C]// Fluid Power Transmission & Control Conference of China,Zhejiang，2016.

[3] 李兴奎,吴志勇,戴义平,等.基于液压同步牵引的沉船打捞技术[J].建筑机械化,2010,31(3):25-29.

LI X K,WU Z Y,DAI Y P,et al.Shipwreck salvage technology based on hydraulic synchronous traction[J].Construction Mechanization,2010,31(3):25-29.

[4] 王权权,周大海,甘秋萍,等.沉船打捞被动式浪波补偿技术研究[J].预应力技术,2017(2):6-8,11.

WANG Q Q,ZHOU D H,GAN Q P,et al.Study of passive heave compensation for shipwreck salvaging[J].Prestress Technology,2017(2):6-8,11.

[5] 关新宇.打捞“库尔斯克号”核潜艇[J].建设机械技术与管理,2005,18(1):37-39.

GUAN X Y.Raising the KURSK[J].Construction Machinery Technology & Management,2005,18(1):37-39.

[6] 乐源.基于液压同步提升技术的船舶负载及系统运动分析[D].大连:大连海事大学,2015.

LE Y.Ship motion and system load analysis based on hydraulic synchronous lifting technology[D].Dalian:Dalian Maritime University,2015.

Study of hydraulic synchronous lifting system for shipwreck salvage with cushion compensation

WANGWeiping1,YANGMeng2,BIANYongming2,SUYan2,YANGJixiang2,QINLisheng3

(1.Shanghai Salvage Bureau,Ministry of Communications of PRC,Shanghai 200090,China; 2.College of Mechanical Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China; 3.Shanghai Tongxin Mechatronic Technology Co.,Ltd.,Shanghai 200949, China)

Due to the limitations of a large load,space and environment,the traditional methods,such as raising with salvage pontoons and lifting with floating crane,already can’t meet the current demand of large-tonnage shipwreck salvage.In order to break through the bottleneck,a hydraulic synchronous lifting system is designed for shipwreck salvage,achieving the whole body salvage.Owing to the effect of floating up and down caused by ocean wave,a heave compensation system is designed to uniform the salvage load and reduce the vibration.What’s more,a joist levelness monitoring system is also designed to monitor and guide to adjust the attitude of shipwreck underwater.Finally,the proposed method was applied successfully in salvage engineering of Korea RoPax ferry SEWOL,proving its effectiveness and feasibility.

shipwreck salvage; hydraulic synchronous lifting system; cushion compensation; SEWOL

国家重点研发计划资助项目(2016YFC0802906);上海市自然科学基金资助项目(15ZR1442400)

王伟平(1960—),男,高级工程师.E-mail:wangweiping@coes.cn

U 676.6

A

1672-5581(2017)05-0400-06