新型大吨位沉船打捞内置海格隆双层气囊的设计与计算

永泰长荣

大吨位沉船打捞技术是水上交通安全、港口生产、航道治理及海上应急救援的重要保证。本文提出了内置双层气囊的打捞方法，能够充分利用船体结构，避免起浮过程中船体的损坏，满足深海大吨位沉船打捞需求。根据沉船打捞实际作业条件及需求，分析气囊材料力学性能，设计内置双层气囊结构。结合气囊水下受力状态，开展气囊受力分析及气囊爆破压强分析。基于气囊内外压平衡条件，对安全阀数量进行理论计算。采用控制变量法，分析上升速度、气囊体积及沉船深度对安全阀数量的影响。最后，以 50 t 打捞气囊为实例，展示具体计算及设计过程。
关键词：沉船打捞；内置双层气囊；气囊结构设计



沉船救助打捞技术是水上交通安全、港口生产、航道治理及海上应急救援的重要保证。随着“一带一路”倡议和“海洋强国”战略的实施 [1]，海上贸易不断繁荣，通航范围不断扩大，海洋资源开发不断向深海进发。这导致船舶事故地多发于远洋深海领域，且事故船只通常为大吨位满负荷状态，传统的近海域、低负载、单一救援打捞装备与方法难以适应。因此，研发高负载、耐高压、灵活低成本的沉船救援打捞技术迫在眉睫。

针对不同的海上救援场景，主流海上救援和打捞设备
主要包括 [2]：
(1) 救助船舶，拥有较强的抗风浪性能、耐波性能和适航能力，作为海上救助任务的平台，配备大量救生设备；
(2) 救助飞机，飞行救助是快速生命救助的最佳手段，机动灵活，视野广；
(3) 搜救设备，用于遇险目标的搜寻定位，常用设备有雷达、卫星定位仪、红外夜视仪等；
(4) 打捞工程船，沉船打捞工程的施工平台，常用类型为浮吊船，特点为甲板宽大开阔，型深较小，方便布置设备和潜水作业；
(5) 攻千斤装备，沉船打捞的重要工艺，使用设备将钢缆穿引过沉船底部，从而抬浮沉船。
(6) 起浮装备，起浮是沉船打捞的关键步骤，设备分为内浮力和外浮力两种。其中，浮吊船常常与打捞浮筒配合使用，用于打捞大型沉船，以降低浮吊船的吊力需求。
基于不同的打捞设备以及沉船船体的完整性，沉船打捞方法分为整体起浮法，分段起浮法，解体起浮法。按照浮力性质分为浮力打捞法和机械力打捞法，

打捞方法分类
机械力打捞法是目前最常用的打捞方法，根据打捞设备主要包括：抬撬打捞法、吊杆打捞法、机械手打捞法和起拖手打捞法。其中，抬撬打捞法因其打捞方法稳定可靠、系统布置灵活方便，已广泛用于近海沉船打捞作业中。如：单边撬打捞法用一对或数对打捞船只平行并列在沉船左右两侧，打捞船分别与沉船的船舷安装滑车组，各打捞船同步协调起吊沉船，具有较好的打捞稳定性和适应性。但该方法负载能力有限，易受远洋深海洋流及海浪影响，难以满足深海大吨位沉船打捞作业要求

金属浮筒打捞法和橡胶浮筒打捞法是经典的外浮力打捞方法 。在打捞大型沉船的过程中，打捞浮筒虽然可以降低吊力需求，但是浮力分配、浮力控制难以把控。尤其针对大吨位沉船打捞场景，沉船稳定性随着沉船载重量的提高而更加难以控制。因此，基于内浮力的起浮打捞方法引起国内外学者的广泛关注。采用排水系统抽离沉船舱内海水，利用海水浮力将船体自主打捞，具有系统简单、操控灵活、低成本等优势。具体方法包括封舱抽水打捞法、封舱抽水 - 充气打捞法、泡沫塑料打捞法和填充浮物打捞法 。封舱抽水是较传统的打捞方法，对于船体强度要求较高，而且更适用于浅水区的沉船打捞。封舱抽水—充气打捞法利用高密度压缩空气压入船舱柜，将海水挤压排出船体，适于打捞气密性好且有纵隔舱的沉船 。

泡沫塑料打捞法和填充浮物打捞法是将橡胶浮筒、柴油桶、泡沫块等有浮力的材料放入沉船，利用浮力材料的起浮特点抬升沉船。然而，传统的浮力起浮技术，由于排水过程较复杂，多适用于浅水区的沉船打捞，难以适应深海、大吨位沉船打捞场景。基于封舱抽水—充气打捞法和填充浮物打捞法的打捞思想，我们创新性的将气囊作为新型填充物。将气囊布置于舱内并进行高压充气，可将舱内海水挤压排出，即将舱内海水替换成密度较小的空气。该方法能够充分利用船体结构，合理根据需求和船体刚度进行浮力分配，有效地提升船内的局部浮力，降低整体打捞时的局部集中力，避免起浮过程中船体的损坏，适应深海高压作业环境。

本文研究了用于大吨位沉船打捞的双层气囊的设计与计算方法，主要包括：气囊的承受能力的计算、内置双层气囊的结构设计、双层气囊受力分析、双层气囊的爆破压强以及气囊使用的安全性问题。

1 沉船打捞用内置双层气囊概述
1.1　沉船打捞用内置气囊
在大吨位沉船打捞过程中，常用的增加沉船浮力的辅助打捞方法，包括舱室充气、外挂浮筒等。该方法充分利用了船体内部空间，有效地提升了船艏的自浮力，大幅度减小了集中力和船体所受弯矩，从而保护船体结构，防止打捞过程中船身的破坏，为沉船打捞做出了很大贡献。首先由潜水员将真空气囊带至水下船舱中，用气囊的外部绑带固定在船舱中，然后连接管路充气，在气囊内部达到额定压强后关闭充气阀，停止充气。此时气囊体积膨胀，将海水排出船舱，为船体提供浮力。沉船内部可以同时布置多个气囊，从而均匀地提供内浮力，例如：“世越”号的打捞过程就在船艏布置了 27 只内置气囊，有效保护了船体结构，如下图 所示。



1.2　内置双层气囊的结构
内置双层气囊的基本结构包括气囊本体、绑带以及法兰盘，结构简图如图 3 所示。


图 3　气囊结构简图
气囊囊体为主体结构，根据工作方式应具备以下特点。
(1) 为便于潜水员安装，气囊材料应质量低、柔性良好；
(2)为适应复杂深海作业环境，需具有较好的耐腐蚀性和抗拉压强度；
(3) 为适应表面可能存在尖锐突起的船舱内部，气囊材料应具有良好的抗穿刺特性，双层气囊结构可有效避免气囊被刺穿；
(4) 为提供足够的浮力，根据气囊的上下方水头压差，气囊的强度应足够承受至少 1.5 bar 的内外压差。
气囊的绑带用于在船舱中固定气囊，一般采用绳网包裹气囊囊体并焊接在加固片上，两端留有织带，可以捆绑固定。气囊的法兰盘焊接在气囊一端，用于安装充气阀组、测压阀组、以及安全阀组。其中充气阀组和测压阀组各安装一个，分别用于气囊充气以及内部压力监测。安全阀用于维持气囊内外压差不超过额定值，沉船上升过程中，气囊外压力减小，内压力基本不变，故需要及时放出气体。通过安装多个安全阀来保证放气速度，避免气囊因压差过大破裂。安全阀组数量的确定过程，具体在第 3 节中展示。
1.3　内置双层气囊的设计流程
气囊的设计计算流程如下：
(1) 选定气囊囊体的材料。气囊的主要破坏方式为，一是被尖锐物体顶破，二是因内外压差过大而胀裂。因此材料应当具备优良的抗顶破强度、拉伸强度、以及塑性。海格隆 -1000 TPU 膜材料经过测试后，各项参数如表 1 所示，可见其各项性能良好，可以被用作气囊囊体的制作。

(2) 确定气囊的几何尺寸，包括直径和长度。几何尺寸主要是根据实际的打捞情况，如沉船内部船舱空间尺寸等来确定。气囊的几何尺寸决定了单一气囊所能提供的浮力大小，从而可以计算出实际打捞时所需的气囊总数目。
(3) 计算气囊的工作压强。气囊充气后存在内外压差，由气囊囊体承受，为避免囊体被破坏，气囊的充气压强不能超过许用的工作压强。
(4) 计算气囊的安全阀个数。沉船上浮过程中，海水压强会不断下降，因此需要放气来减小气囊内部压强。单一安全阀放气速度有限，需要安装多个来提高放气速度，从而与
船体起浮速度配合，避免气囊破裂。
2 双层气囊承压能力的理论计算
双层气囊承压能力是气囊工作的核心指标之一，直接关系着打捞系统的工作性能。为此，我们对气囊开展了受力分析及气囊爆破压强分析。





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