对沉船《夏长》轮打捞的扳正驳船的结构改装设计

摘    要：本文通过对沉船《夏长》轮打捞的扳正过程分析，对提供主要扳正力的扳正驳船的结构进行改装设计，并利用有限元方法进行分析计算。根据计算结果，对扳正驳船船体结构、扳正液压千斤顶基座及导向轮基座提出设计优化建议，为以后类似船舶结构改装提供参考。

关键词：打捞;沉船扳正;结构改装;有限元分析

中图分类号：U676.62                              文献标识码：A

Structural Modification and Analysis of Righting Barge for TRANS SUMMER Salvage

LI Jun

（ Guangzhou Salvage， Guangzhou 510260 ）

Abstract： In this paper， the 3D finite element method is applied for the structural modification design and analysis of the righting barge after analyzing the righting operation of TRANS SUMMER salvage. The suggestions for the modification of vessels structure and the righting equipments foundations are made according to the results of the finite element analysis and the reference for similar project is provided according to the results of structural analysis.

Key words： Salvage; Wreck righting; Structural modification; Finite element method

1    概述

沉船整体打捞的两大關键点是沉船的扳正与整体起浮。沉船的扳正通常是利用外部回复力矩与内部回复力矩将沉船从较大的横倾角度，扳正至适合进行整体起浮的横倾角度（通常小于10°）。

在沉船打捞过程中，大吨位大倾度沉船的扳正是打捞工程技术上的难题。扳正过程中载荷及工况的变化多样，提供扳正力的方式也多种多样，且大吨位沉船扳正所需扳正力大，仅通过常用的浮吊提供扳正力矩难以使沉船回正，需要额外的扳正驳船提供更多的扳正力矩，但这对扳正驳船的结构强度要求较高。

本文重点分析扳正船舶的结构改装及强度，并以《夏长》轮打捞工程中使用的15 000 t扳正驳船《重任1500》为例，采用有限元分析方法，根据中国船级社（CCS）规范要求，对该扳正驳船上14套液压千斤顶拉力装置安装处的船体甲板和基座结构进行改装设计优化及局部强度计算。

2   扳正驳船基本情况及模型

2.1 基本情况

受2013年第11号强台风“尤特”影响，57 000t散货船《夏长》轮于2013年8月14日在珠江口小万山岛偏南方向约1.2 nm海域沉没，沉没时货舱满载54750 t镍矿。《夏长》轮主尺度为：LOA×LBP×B×D=189.99×185.00×32.26×18.00 m;船舶沉态为首向170°、左倾104°、尾倾2°，沉船海域水深约22 m，低潮时右舷侧全部露出水面约2.5 m。

该沉船整体打捞总体思路：首先是先扳正沉船至左倾10°以内，然后再进行整体起浮。但要把这艘目前世界最大的散货沉船整体打捞出水，对现有打捞技术是非常重大的挑战。

根据现场分析与初步计算，目前普遍采用的压气排水法、船舶抬撬法、浮筒打捞法、起重船打捞法、半潜驳打捞法等均无法单一满足如此重量的大型沉船打捞。因此需要联合使用各种打捞方法才能实现该沉船的整体打捞，这就要求不仅依靠浮吊提供扳正力矩，还需要增加额外的扳正力矩。为此，在扳正驳船上安装14套液压拉力千斤顶设备，每套千斤顶设备由两个反力架、两个液压千斤顶及两个导向轮组成，拉力千斤顶通过反力架及基座和船体相连，每个千斤顶能提供300 t的拉力。

拉力千斤顶设备分别安装在驳船左右舷，左舷14个千斤顶通过钢丝绳及导向轮与安装在海底的14个吸力锚相连，用于固定扳正驳船;右舷14个千斤顶通过钢丝绳及导向轮与沉船上焊接好的14个300 t眼板连接，用于扳正沉船。当液压千斤顶开始工作后，驳船与沉船之间钢丝绳变短，使沉船缓慢回正（见图1）。

根据初步校核结果和扳正系统类似锚机的机理，改装设计的主要思路为：在设备基座处增加结构与原船强横梁形成强框架，扩大受力范围，分散集中力，以保证结构受力更加均匀。

2.2  有限元模型

2.2.1 有限元模型范围

根据中国船级社（CCS）规范要求，本文以安装有液压千斤顶设备甲板处及其基座局部结构作为分析对象，进行有限元计算，并对结构强度进行校核。有限元计算采用大型通用有限元分析软件MSC.PATRAN & NASTRAN进行。

扳正驳船的LOA×LBP×B×D = 110.0×32.0×7.5 ×5.0 m，结构形式为纵骨架式，纵骨间距0.8 m，横向强框架间距为2.5 m。

有限元模型坐标系定义为：船长方向为X轴，正方向由船尾指向船首;船宽方向为Y轴，正方向由船中指向左舷;型深方向为Z轴，正方向由船底指向甲板。考虑左右舷的结构相似及简化计算模型，仅建立左舷有限元模型。

模型范围为纵向取FR8+1.25 m～FR16+1.25 m，横向取CL8.0 m纵舱壁到左舷外板，垂向取主甲板往下4.50 m，模型包含设备基座结构。

2.2.2 单元类型

该扳正驳船有限元模型的甲板板、舱壁板、舷侧外板、强横梁及纵桁等强构件的腹板均采用板单元模拟;面板、横梁、纵骨及舱壁扶强材等弱构件采用梁单元模拟，并考虑偏心;板单元边长约0.1 m。

扳正驳船甲板加强结构的三维有限元模型如图2所示。

2.2.3 模型材料

该扳正驳船甲板及改装结构材料采用普通碳素钢，屈服强度为 fy =235 Mpa;基座材料使用高强度钢，屈服强度为fy =345 MPa;材料的密度均为7 850 kg/m3，弹性模量E=2.06*105 MPa。

2.2.4 边界条件

由于对船体结构及基座结构进行的是局部强度分析，因此只要在远离载荷施加位置的模型两端及舱壁端面处施加简支约束，限制其X、Y、Z这3个线自由度，即Ux=Uy=Uz =0，其边界条件对局部受力处的结构计算结果影响很小。

2.3  载荷及工况

2.3.1 结构及设备自重

船体结构自重通过施加惯性加速度的方法实现，加速度取为9.81 m/s2;千斤顶设备、反力架及导向轮自重分别用质量单元模拟，质量点位于其重心处，并通过MPC（多点约束）与设备基座加强构件连接。

2.3.2 液压千斤顶及导向轮载荷

依据中国船级社（CCS）规范及设计要求：单个反力架承受300 t的水平拉力;单个导轮载扳正初始时刻同时承受300 t的水平拉力和与水平夹角为15°的300 t的反向拉力;计算得出水平合力为Fx=300-300*sin75°=10.2 t、垂向压力为Fz=300*sin15°=77.6 t、动力系数取1.25。

2.3.3横倾

根据中国船级社（CCS）规范的要求，沉船在扳正过程中扳正驳船是一直处于横倾状态，根据舱内压载水、沉船扳正钢丝绳受力及吸力锚钢丝绳受力情况，计算得横倾约为5°。

2.3.4 计算工况

在扳正过程中，沉船的横倾角度不断变化，钢丝绳对扳正船舶的作用力的角度也不断变化。根据此角度的变化，设置一系列的计算工况，如表1所示。

3   计算结果及分析

3.1  强度衡准

由于该液压千斤顶设备与锚机工作原理类似，故参考中国船级社（CCS）规范“锚机固定部分的船体结构强度校核建议”：各工况板单元的许用应力为0.9*fy;板单元许用剪切应力为0.53*fy;梁单元轴向许用应力为0.8*fy。

3.2  各工况应力汇总

按照表1所列工况进行计算模拟，对各个工况计算结果进行汇总，见表2。

上述三种工况下应力计算结果，均满足中国船级社（CCS）规范要求。最大应力云图，见图3～图5。

对于工况1和工况2，板架最大应力出现在反力架基座与甲板相连受压处，这是因为这个千斤顶受力后，反力架尾部被弯矩拉起，前部被压下，由于尾部在基座纵桁和船体甲板纵桁对应，而前部受压处只增加了一小段甲板纵桁，受力范围较小，故导致应力较大;而对于工况3，随着钢丝绳和水平的夹角增大，结构最大应力出现在导向轮基座及甲板处，这是因为角度的增大导致钢丝绳的合力不断增大。由此可见，模型载荷及约束条件的设置，真实地模拟了沉船扳正过程的受力情况;通过设计优化后的计算结果，最大应力值均比材料的许用应小但又比较接近，证明经过优化的改装设计方案的安全性有保障，经济性也较好。

4   实施效果

船体结构的加强、扳正反力架基座及导向轮基座的施工是根据结构改装设计及有限元的模拟、分析及优化结果进行的，确保了整个扳正过程的安全可控（见图6及图7）。

实际沉船扳正过程中，改装结构受力处变形情况与本文计算结果是高度吻合的，证明了分析方法是合理可行的。

5    结论及建议

（1）扳正过程中千斤顶反力架下的基座以及甲板处结构的应力较大，尤其是反力架前部处甲板应力最大;建议设计同类安装基座及加强结构时，可采用在受力方向上延长基座桁材的肘板長度、增大基座与甲板接触面积，使得载荷更加均匀分布;

（2）导向轮处基座受力面积小、舱内加强空间小，适当增加纵向、横向桁材与原船甲板强横梁形成范围较大的强框架结构，使得加强效果更佳;

（3）应用三维有限元法进行该类型的强度校核，其结果较常规方法更精确直观，并可以在改装之前进行模拟计算，并根据计算结果进行结构的优化;

（4）随着船舶大型化，打捞大型船舶的扳正力配置要求也越来越高。本文提出的改装设计思路及计算方法，对于类似项目具有一定的参考价值。

参 考 文 献

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