橡胶顶升气囊在水下工程中的应用
2017年3月22日，在韩国珍岛海域，交通运输部上海打捞局经过590天的艰苦奋战，在这一天成功将沉没1077天的“世越号”成功打捞上岸。在 “世越号”打捞工程中，最艰难的工程为难船钢梁的穿引工作，为了探索有效的钢梁穿引方法， 打捞人员进行了不懈的尝试和探索。探索中积累的很多经验值得探索和讨论。其中一个尝试为利用2只Φ3.5m x 9m助浮气囊置于船底进行海底顶升试验。经过精心的准备和尝试，在橡胶气囊充气达到3bar压力，高压气囊成功将难船船尾顶起20cm以上， 验证了高压气囊在水下施工中能够起到一定的作用，产生一定的价值。 该方法也为我局在难船打捞及海工施工领域的新方法进行了尝试和探索，并积累了一定的施工经验，为该方法在以后工程中的应用提供了借鉴。 本文从应用原理方面分析了这次试验，对橡胶气囊顶升方法在难船打捞工程中的应用进行了探讨和思考。 关键词：世越号;打捞工程;橡胶气囊;顶升;搬运图1.1 某船舶气囊下水实例 橡胶气囊在我国的工业生产中有着广泛的应用。其主要应用有水中助浮、管道堵塞、制作混凝土构件以及提升转运等。 其中高压气囊提升搬运技术尤其是该技术在船舶下水领域的应用自1981年试验成功以来，经过了三十多年的发展已经形成了比较成熟的工艺，相关规范和标准也较为全面。 迄今为止，我国已成功实现55000吨远洋散货船利用气囊技术顺利下水,。由此可见，气囊在提供提升力方面具有很大的能力。在海洋工程和打捞项目中，橡胶气囊主要是用来做船舶靠垫或是用于助浮和管道封堵，但在利用气囊顶升力方面还有很大扩展和开拓的空间。 本次“世越号”项目，首次使用3.5米直径巨型气囊作为助浮工具固定在船体结构上，辅助船头起吊作业，在整个打捞项目中起到了关键作用。 然而，相对于气囊所提供的浮力，橡胶气囊在顶升方面的巨大功能在岸上工程中也渐渐发挥。 利用气囊的这种顶升能力在岸上大型结构件搬运和新船下水方面有很广泛的应用。 其中交通运输部广州的打捞局在打捞“南海一号”古沉船中，成功使用了高压气囊转运打捞沉箱至水晶宫中的方案。 但是在国内外以往的打捞和海洋工程施工中，还没有任何在海底进行沉船顶升和转运的应用和尝试。 这次由于韩方提供的地质条件不准确，在“世越号”船尾穿引高吊梁的过程中暂时遇到了困难，在这个背景下，利用橡胶气囊的巨大顶升力将难船船尾顶起的尝试成为可能。 如若能够将难船顶到预定高度，顺利穿引钢梁，对于项目而言，是最经济高效的。 即使效果有限，在方法探索过程中遇到的困难，积累的经验和方法对我们探索新方法和新打捞工艺也是一个非常大的帮助。 1 气囊顶升试验原理 1.1 气囊顶升原理 气囊能够提供很大的顶升力主要是依靠气囊的内压和接触面积，接触面积越大，内压越高，提供的顶升力就越大。单个气囊的接触面积与顶升起始高度、气囊的直径有关。
图1 气囊受压截面图 如图1所示，在无限制的充气状态下， 气囊的半径为R， 若受到高度为S的空间限制，气囊半径为S/2, 假设不考虑橡胶的弹性伸长，气囊的截面周长为定值，此时气囊与重物之间的接触长度的计算公式为：
这时单位长度气囊能够提供的顶升力为：
以“世越号”现场顶升试验所用气囊为例，其直径为3.5m，长度为9m， 爆破内压为5Bar。考虑到一定的安全系数，最大试验相对内压取3Bar，通过计算不同的限制高度下气囊可提供的顶升力，所得结果如图2.2所示。 根据图中所示， 如果船体与海底有0.2m的空间，此时放入气囊，充气到相对内压3Bar，则每米气囊能够提供165T左右的顶升力，9米的单个气囊可提供1500T左右的顶升力。当然，随着气囊的顶升，空间高度变大，接触面积减小，气囊的顶升能力会有一定的减弱。例如同样的气囊，在限制高度为1米时，充入相对内压3Bar的气体，每米气囊的顶升力为120T，9米单个气囊可提供1080T的顶升力。实际试验中，在给气囊充气过程中，难船会随着气囊内压力的变化抬起。随着限制高度的减小，接触面积越来越小，同时，随着难船支点的前移，抬浮变得越来越困难。
图2 气囊顶升力对照 1.2 难船在顶升过程中的运动
图3 气囊顶升试验示意图 图3为气囊顶升的示意图，在完成前端钢梁组的安装之后，难船尾部悬空翘起。根据初步估算，难船的重心位于钢梁组靠船尾末端附近。 此时，设气囊综合作用力力臂为L1+L2， 重力的综合作用力力臂为L2，此时杠杆的放大系数为1+L1/L2。若气囊将难船顶起，支点前移S，此时，此时杠杆的放大系数为1+L1/(L2+S), 杠杆放大系数减小，顶升作用效果会变得越来越差。 故如要成功将重物顶升到一定的高度，气囊在初始阶段需要储备充足的冗余顶升力。 随着空间的减小，气囊的接触面积减小，冗余的顶升力可以弥补顶升潜力的损失。
2 应用试验
图4 打捞气囊难船顶升试验吊装图片 2016年10月，韩国“世越号打捞工程”现场，由于海底泥质坚硬，为了提高效率，寻找更有效的钢梁穿引方法，考虑到橡胶气囊在船舶下水以及重物转移过程中的经验，技术人员结合现场用于助浮的大型橡胶气囊以及难船顶升的具体需求，提出了气囊顶升方案。 本方案通过在难船船底与海底之间的空隙安装气囊充气将难船顶起一定高度以改善难船与海底的相对状况，如果更为乐观，甚至可以直接进行钢梁穿引作业。 如图4—图5所示的为橡胶气囊安装工装示意图。在安装气囊之前，需要将气囊铺平展开，并用方钢夹紧。在方钢的两端与牵引工字钢之间连上配重锚链，方钢之间用钢丝绳连接。待气囊安装到位后，潜水员入水将方钢拆除。气囊的端头盲板与牵引工字钢相连，保证在充气初始阶段，气囊的端头不会翘起，减小气囊逸出水面的风险。为了保证气囊的安装空间，气囊安装位置船体距海底有60cm以上的空间;为了保证气囊不被刺破，此安装空间区域的所有尖锐的障碍物均被清除。 在安装完毕之后，气囊的两端用钢丝与船体之间进行固定。之后潜水员潜水将充气管线与气囊对接，并开始充气顶升。
图5 橡胶气囊安装工装示意图 2.1限制因素 尽管思考了很多可能出现的问题，尽最大努力做了准备。 由于是第一次尝试，缺乏施工经验，该方案在实施之前还是面临如下限制和不确定性： (1)难船的支点不确定，且随着难船顶起，支点的移动情况不确定，对于顶升力的大小很难估算;若气囊顶升作用位置距支点较近，则所需顶升力小，难船可以提升的空间较高。理想情况可以将限制空间扩展到1m以上高度;若气囊顶升作用位置距支点较远，则所需顶升力大，在内压限定的情况下，气囊提升的高度较小，顶升效果有限。 (2)海底状况复杂，橡胶气囊的耐磨性和抗穿刺性不确定; (3)气囊硫化时由于是折叠状态，在准备安装之前撑开时，气囊肩部有很高的隆起。另外，用于充气的组件尺寸较大。这些因素导致橡胶气囊安装高度提高到了0.6m，这大大减小了气囊的顶升能力。 (4)气囊的爆破压力为5Bar，虽然气囊在限制条件下，爆破压力会有一定的提升，但考虑到安全，气囊内压最大限制为3bar。这一定程度上限制了气囊的顶升力。 (5)船体的强度尤其是上层建筑的钢结构较弱，为了保护难船结构不致破坏，顶升位置只局限于主船体结构，这大大缩小了气囊的接触面积。 (6)由于气囊在海底充气存在浮力，必须保证气囊的头部在船体以下且需固定。此时使用较长气囊便存在气囊两端由于浮力牵引气囊浮出水面的风险，只能采用端部能缩在船底的短气囊。这使得气囊的顶升能力进一步缩小。 (7)单只气囊安装时所需的空间为5m，这占据了很大一部分钢梁穿引的空间，对钢梁的穿引起到了一定的妨碍作用。这限制了使用气囊的个数，进一步约束了顶升力。 2.2 顶升过程 在顶升之前，潜水员在难船两侧各安装一个重锤，重锤接触海底。之后，工程师在施工船甲板根据实验要求进行充气(见图6)，整个充气过程中通过压力表及测深表来监控气囊的参数。压力表用来测量气囊内部压力，测深表用来监测气囊充气口深度，以确定气囊状态是否正常。 为了安全起见，在充气达到预期的压力值并停止充气后。潜水员开始潜水测量重锤离底高度，两次气囊试验结果见表1。 由于其中一个气囊的压力下降较快保不住压，表中所示数据为测量瞬间气囊内压读数。后经过潜水检查，泄压气囊充气口出现破口并漏气，无法保压，其能够提供的顶升力计算很难确定。
图6 现场气囊顶升加压 表1 试验记录表 项目1#气囊相对内压 Bar2#气囊相对内压 Bar顶升高度 cm限制高度 cm 试验15.57.37262 试验267.182282 3 经验总结 由于试验气囊是按照助浮的标准设计制造的，很多设计如充气组件等并不符合顶升气囊的要求，综合来看，气囊顶升的效果在预期之内，但很遗憾的是一只气囊充气口出现了破损无法保压， 气囊没能将难船顶到理想的高度。 不过通过这次试验，我们对橡胶气囊的水下施工遇到的问题有了深刻的思考和认识，有助于我们对技术的应用有更多的掌控和把握。 气囊水下应用会遇到很多异常复杂的困难，所以施工过程中遇到的挑战很大，需要注意的问题也很多。但是如果能够克服困难，全面思考，充分利用气囊的能量，则可以花小力气办大事，提高施工效率，为水下施工借住浮力、吊机吊力之外寻找到新的借力。 就目前的问题，气囊水下顶升还存在很大的问题： (1)优化大型气囊硫化工艺，缩小气囊铺平的净高，从而缩小可用的限制高度以充分利用气囊充气过程中的顶升力。 (2)加大气囊的抗穿刺性和耐磨性，可以考虑外敷抗穿刺耐磨材料。面对复杂的海底情况，保证气囊的可靠性十分重要。 (3)根据具体情况加大气囊的爆破极限，确定气囊的安全使用范围。 (4)通过计算和理论试验了解在限制状况下的气囊的爆破能力的变化，尽最大可能提升气囊的利用范围。虽然通过理论计算，小曲率半径气囊的抗爆性能较大曲率半径气囊的抗爆性能会有所提高，但是在实际施工中仍缺乏相关的试验来验证。 (5)研究注入高压水方式顶升的工艺，减小水下施工的风险。 (6)气囊安装工艺的优化，进一步减小气囊安装空间，提升接触面积。 1981年在内河船厂缺乏下水滑道这一困难的背景下，技术人员提出了气囊置于船底下滚动下水的构想并进行了不懈的试验尝试，最终试验成功。 经过几十年的发展，由于该技术成本低、效率高、可靠性好，目前这一技术已经发展成熟并在各个领域得到广泛应用。 我相信通过不断的理论、实践积累，水下气囊顶升技术，甚至水下重物搬运技术最终都能走向成熟，从而引起打捞技术的革新和突破。 参考文献： .冯刚.高压气囊搬运大型沉箱技术在港口工程中的研究和应用.上海, 同济大学, 2009 .杜杰.船舶气囊下水的力学计算及工艺优化.武汉,武汉理工大学, 2008
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