孫 霞

（江蘇省無錫交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 無錫 214151）

0 引言

如今我國水上運(yùn)輸事業(yè)較為發(fā)達(dá)，但隨著海上交通密度的迅速提升，又受海上臺風(fēng)等惡劣氣候的頻繁襲擊，水上運(yùn)輸及相關(guān)作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)大幅增長。重特大的海運(yùn)事件時(shí)有發(fā)生，對打撈作業(yè)提出了巨大的挑戰(zhàn)，對海洋生態(tài)產(chǎn)生了惡劣影響。沉船多種多樣，打撈沉船對海洋環(huán)境、民生事業(yè)及軍事發(fā)展等均具有重要意義，如打撈“阿考德號”具有很強(qiáng)的環(huán)境保護(hù)意義，打撈“東方之星輪”、“世越號”具有重大民生意義。現(xiàn)有的打撈技術(shù)較為多樣，但國內(nèi)深水打撈的案例不多，2017年世越號沉船的成功打撈，雖然屬于潛水打撈，但基本滿足了韓國政府提出的“不破壞沉船原有姿態(tài)、結(jié)構(gòu)”等特殊要求，也實(shí)現(xiàn)了雙船抬浮打撈的首次成功，因此對于我國打撈技術(shù)的發(fā)展具有重要意義[1]。

1 我國海上打撈作業(yè)的需求與實(shí)際發(fā)展情況

1.1 打撈作業(yè)的需求

目前，我國進(jìn)行應(yīng)急搶險(xiǎn)打撈作業(yè)，已具備打撈8～10萬噸沉船的能力，但仍然面臨沉船大型化、需求多樣化及作業(yè)整體化等問題。在打撈業(yè)務(wù)方面，隨著打撈裝備的不斷升級，已不在依靠浮筒打撈等單一的作業(yè)模式，逐漸使用大型裝備開展整體打撈，相比解體、分步打撈等模式，整體打撈對海洋的污染更少，清障的速度更快，逐漸滿足了一些大噸位、大深度的作業(yè)要求。而整體打撈必須有大型抬浮力的工程船；在打撈能力方面，我國整體打撈系統(tǒng)、打撈能力均在快速提升，國家相關(guān)發(fā)展計(jì)劃中也規(guī)定要將沉船打撈能力提升到10萬噸級，這就要求打撈船空船質(zhì)量大于1.6萬噸，因此需要建造具有大噸位抬浮能力的工程船；在打撈技術(shù)方面，國內(nèi)打撈系統(tǒng)中以封艙抽水、起重吊裝及浮筒抬浮、整體抬浮等技術(shù)最為常見，其中浮筒打撈方式效率低、風(fēng)險(xiǎn)大，對條件的要求較多，使用大型裝備整體打撈與清障時(shí)，各類裝備能發(fā)揮各自的特點(diǎn)，打撈時(shí)相輔相成，有利于打破作業(yè)環(huán)境、縮短作業(yè)工期，針對重量大幅超過起重船的難船、長船、破損嚴(yán)重的船，傳統(tǒng)打撈技術(shù)是無法有效打撈的，而采用柔性的鋼絞線承重及液壓千斤頂集群等技術(shù)，能大幅提升打撈成功率，在打撈世越號時(shí)就是利用雙船整體起浮的技術(shù)，成為近年來較成功的案例。

在應(yīng)用市場方面，除了打撈沉船，大型抬浮船基于自身大型甲板、快速調(diào)載等特點(diǎn)，在大型貨物海運(yùn)、海洋工程等市場上均有較大需求和應(yīng)用前景。水上運(yùn)輸?shù)某杀尽⒈憷詢?yōu)于陸地運(yùn)輸，而海運(yùn)時(shí)需要大量集裝箱橋吊，建設(shè)跨海大橋、隧道，因此需要大型抬浮工程船，輔助沉箱、打樁等工作，在運(yùn)輸國防軍用艦船等高價(jià)值船舶時(shí)，也需要大型工程船輔助完成。在海洋工程方面，深水油田開發(fā)力度大幅提高，需要具備調(diào)載功能的打撈工程船，以轉(zhuǎn)移油田作業(yè)相關(guān)的設(shè)備[2]。

1.2 發(fā)展情況

相比于日本、英國等發(fā)達(dá)國家，國內(nèi)海上搶險(xiǎn)打撈技術(shù)水平有待大幅提高，無論是打撈技術(shù)、裝備不足，還是業(yè)務(wù)發(fā)展水平，均難以滿足相關(guān)市場的需求。因此，應(yīng)該加強(qiáng)打撈設(shè)備、技術(shù)方面的研究與應(yīng)用，提升我國海域環(huán)境。起重打撈作業(yè)的起重船，需要具備高抬浮性能、大規(guī)格，才能有效進(jìn)行水下環(huán)境勘測、吊點(diǎn)確定、輔助打洞與切割、清除沉船內(nèi)殘油與淤泥及起吊沉船等復(fù)雜工作。常見的打撈工程船有起重駁船、起重船，前者配置臂桿起重機(jī)，適用于港口、近海等位置，后者利用可回轉(zhuǎn)起重機(jī)實(shí)現(xiàn)沉船打撈,能更好克服惡劣海況的環(huán)境，在近海油氣開采中被廣泛應(yīng)用，如今也逐漸向深海起重船作業(yè)領(lǐng)域發(fā)展，但當(dāng)前仍需要突破抬浮力、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)。起重船在海洋作業(yè)時(shí)，其打撈形式、裝載性質(zhì)決定了其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在打撈大噸量物體時(shí)，會對自身產(chǎn)生巨大傾覆力，因此需要采用反向加載適量壓載水等方法，以滿足排水量、吃水深度及穩(wěn)定性等多方面要求，而受海浪等影響，起重船需要具備精確的定位、移位等能力，才能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)打撈[3]。

2 相關(guān)概念簡述

2.1 雙船抬浮

目前打撈沉船常用封艙抽水、充氣抽水、壓氣排水、船舶抬翹、浮筒抬浮、浮吊打撈等技術(shù)，打撈作業(yè)時(shí)可以單獨(dú)或聯(lián)合使用。雙船抬浮一般會聯(lián)合船舶抬翹、浮吊打撈等技術(shù)，以提升打撈頓量，“世越號”打撈業(yè)務(wù)就是利用改造的2艘半潛駁船，利用船舶抬翹等技術(shù)，并在使用液壓鋼絞線提升系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，打撈成功的。2艘抬浮即在沉船打撈電兩側(cè)各布置1艘船，同步拉動鋼絞線，以將沉船提出水面?！笆涝教枴贝驌撇捎昧?3套液壓鋼絞線，分別裝于沉船船底各鋼梁位置。油缸系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)提升的重要裝置，布置在與沉船打撈中心點(diǎn)相反一側(cè)的反力架上，2艘抬浮船的鋼絞線與水下沉船的鋼絲相連，最終成功打撈。

為提升整體抬浮能力，在合理選擇打撈技術(shù)的同時(shí)，應(yīng)盡量選擇單邊抬浮力大的工程船，如振華重工、中遠(yuǎn)船務(wù)等企業(yè)已經(jīng)能打造12000 t抬浮力的工程船，使用2艘此類船進(jìn)行雙船打撈作業(yè)，能提升本打撈能力。如上述中遠(yuǎn)船務(wù)的工程船利用強(qiáng)力牽引裝置及強(qiáng)大的壓載水調(diào)節(jié)性能，能保證打撈時(shí)的單邊船受力的穩(wěn)定性，基于先進(jìn)閥門遙控、液位檢測等技術(shù)，調(diào)載能力也十分迅速、準(zhǔn)確，能很好適應(yīng)航行、超壓載及空船打撈、油水打撈、半油水打撈等不同工況[4]。

在設(shè)計(jì)和制造雙船打撈的工程船時(shí)，為節(jié)省資源，可選擇具備較高運(yùn)輸能力、效益的工程船，使其在進(jìn)行打撈任務(wù)至于，能進(jìn)行運(yùn)輸營運(yùn)。為滿足這一需求，須使其結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、壓載水調(diào)載能力等均能同時(shí)滿足打撈與運(yùn)輸?shù)南鄳?yīng)要求，且為了便于轉(zhuǎn)換用途，甲板上的打撈設(shè)備、基座可通過螺栓與船體連接，連接位置用加厚板、墊板進(jìn)行保護(hù)，相關(guān)的電纜、管系也應(yīng)設(shè)計(jì)拆卸接口。

2.2 ANSYS

有限元法分析法，是將物理結(jié)構(gòu)劃分為有限個(gè)單元，再將每個(gè)單元劃分為有限個(gè)節(jié)點(diǎn)，而單元間通過節(jié)點(diǎn)相連。研究打撈船受力等問題時(shí)，建立每個(gè)分割的單元的作用力方程，組合所有單元的方程，形成整個(gè)結(jié)構(gòu)的方程組，求解該方程，得到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的近似解。ANSYS是世界領(lǐng)先的有限元分析軟件，能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)、聲場等分析融為一體，且能與Pro/Enginee等制圖軟件進(jìn)行交流，實(shí)現(xiàn)不同軟件內(nèi)數(shù)據(jù)間的交流與使用。

ANSYS包括前期分析、處理運(yùn)算、后期處理等模塊，前期分析可對打撈船系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、初步有限元模型等工作，處理運(yùn)算是基于有限元算法，可解決打撈船設(shè)計(jì)中遇到的力學(xué)、電磁學(xué)等問題，后期處理階段，利用圖表、模型等方式，對軟件前2部分的工作結(jié)果進(jìn)行直觀表達(dá)。

3 雙船抬浮打撈作業(yè)起重系統(tǒng)基座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以“世越號”的打撈作業(yè)為例，分析其起重基座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題。2條抬浮駁在抬吊沉船時(shí)主要進(jìn)行了拖航移位、沉船進(jìn)檔、重量轉(zhuǎn)移等環(huán)節(jié)，進(jìn)行作業(yè)的招商重工1號與招商重工3號聯(lián)合成超大型的作業(yè)結(jié)構(gòu)，由于此前雙船打撈經(jīng)驗(yàn)不足，此次打撈過程十分困難。拖航移位過程中，整個(gè)拖航尺寸十分龐大，且周圍打撈環(huán)境對拖航的安全性產(chǎn)生了很大的不利影響，進(jìn)檔環(huán)節(jié)，2艘駁船與半潛船間間隙很小，行進(jìn)等操作異常困難[5]。在此次打撈工程中，為保證拖航等階段整個(gè)系統(tǒng)安全穩(wěn)定的同時(shí)，還要保證抬浮駁與沉船組成的聯(lián)合結(jié)構(gòu)順利進(jìn)入半潛船，需要基于有限元等分析技術(shù)進(jìn)行大量力學(xué)計(jì)算，圖1為抬吊系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)抬吊結(jié)構(gòu)圖，以其提升結(jié)構(gòu)為例，進(jìn)行相關(guān)分析與建模。

圖1 抬吊系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

3.1 基座結(jié)構(gòu)受力的分析

基座結(jié)構(gòu)是進(jìn)行打撈提升的重要結(jié)構(gòu)，“世越號”2艘打撈船提升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，基于有限元分析原理，首先分析提升系統(tǒng)中鋼絞線的組成原理圖，其反力架是實(shí)現(xiàn)打撈提升的主要提升力，而滾輪支架主要承載打撈時(shí)鋼絲滾過滾輪時(shí)產(chǎn)生的壓力。以滿足雙船抬浮抬浮力及整套系統(tǒng)提升力與安全性等要求，對反力架、滾輪支架2個(gè)單元受力情況進(jìn)行進(jìn)一步分析。另外，還應(yīng)考慮打撈時(shí)鋼絲于提升過程中自身橫向偏轉(zhuǎn)對打撈安全性等產(chǎn)生的影響，因此滾輪支架設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮其需要承受的橫向載荷。

圖2 提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 材料屬性的定義與模型構(gòu)造

根據(jù)以上分析結(jié)果，結(jié)合2艘抬浮作業(yè)船現(xiàn)有的板材情況，對反力架、滾輪支架等基座結(jié)構(gòu)進(jìn)行板材優(yōu)化，最終選用Q235B級的板材。然后，對材料屬性進(jìn)行定義，最后進(jìn)行模型構(gòu)造。

在模型設(shè)計(jì)及相關(guān)計(jì)算之前，對2條打撈船進(jìn)行單獨(dú)力學(xué)計(jì)算與分析，以招商重工1號為例，需要在基座上布置33套反力架、滾輪支架，若進(jìn)行整體建模及運(yùn)算，工作量、計(jì)算量非常大，計(jì)算準(zhǔn)確性、建模精細(xì)度也難以保證。因此，需要利用ANSYS軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算，以中部艙段的詳細(xì)建模為例，該艙段上需布置部分的反力架、滾輪支架，根據(jù)駁船基座的整體結(jié)構(gòu)圖，為保證分析的準(zhǔn)確性，在建模時(shí)需根據(jù)材料屬性，對涉及的板材、管材、骨材進(jìn)行全面且精細(xì)的建模，橫梁、肋骨、管材等材料的尺寸及相關(guān)結(jié)構(gòu)間的位置關(guān)系均按實(shí)際情況進(jìn)行建模[6]。

3.3 網(wǎng)格劃分與數(shù)據(jù)加載

對基座結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，是保證計(jì)算準(zhǔn)確性與效率的前提，首先需要近多次嘗試對比，從而確定所建船體模型各個(gè)構(gòu)件的具體尺寸，并對反力架、滾輪支架等結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)研究。因此對這2個(gè)單元進(jìn)行區(qū)域局部的網(wǎng)格劃分，再逐漸向外圍放大。網(wǎng)格劃分可采用四邊形的網(wǎng)格進(jìn)行分割，劃分為有限節(jié)點(diǎn)后，對各局部網(wǎng)格進(jìn)行相應(yīng)力學(xué)計(jì)算，如約束力計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮基座周邊橫艙壁對起重過程相關(guān)結(jié)構(gòu)的約束性，對相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定處理，并合理約束其不同方向上的運(yùn)動能力。最后，根據(jù)抬吊系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)相互影響的情況，對反力架等結(jié)構(gòu)詳細(xì)的受力分析結(jié)果進(jìn)行加載，如反力架與油缸相互接觸的區(qū)域應(yīng)均勻加載，而滾輪支架與滾輪銷軸接觸面則進(jìn)行照水平、垂向及側(cè)向的加載。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

在對基座進(jìn)行有限元分析后，發(fā)現(xiàn)反力架、滾輪支架及相關(guān)結(jié)構(gòu)的許用剪切應(yīng)力、相當(dāng)應(yīng)力等，如反力架的應(yīng)力值分別為168 N/mm2和83 N/mm2，與規(guī)定相比，均能滿足相關(guān)規(guī)范及世越號打撈的相關(guān)需求，且留有一定安全余量。

4 結(jié)語

本文在進(jìn)行相關(guān)理論分析的同時(shí)，結(jié)合“世越號”打撈項(xiàng)目，對雙船抬浮作業(yè)的基座結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析。但實(shí)際打撈作業(yè)中，雙船打撈在復(fù)雜的拖航、進(jìn)檔過程中，其基座及相關(guān)構(gòu)件的受力情況更為復(fù)雜，但基于對打撈船多重用途及各結(jié)構(gòu)相互的影響關(guān)系等因素的考慮，本文認(rèn)為在滿足整個(gè)打撈過程中基座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等使用要求的基礎(chǔ)上，反力架等構(gòu)件應(yīng)選擇合適的材料，其高度及應(yīng)力傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)也應(yīng)合理設(shè)計(jì)。