“世越号”打捞采用链式提升器进行船首系固方法

汪有军 王伟平 陈世海

“世越号”打捞采用链式提升器进行船首系固方法

汪有军 王伟平 陈世海

在“世越号”沉船打捞中，上海打捞局按照韩国方面保护遇难者遗体、不损坏船体的打捞要求，采用了钢梁托底，整体打捞的施工方案，对“世越号”沉船进行整体打捞。为将托底钢梁安装到沉船底部，采用将船首吊起，再将托底钢梁组整体拖绞移位到沉船底部的方案。在船首吊起过程中，为保证船体的稳定，采用由重力锚、系泊锚链、链式提升器、系泊钢丝绳等组成的一套船首系固系统，对船体进行系固，确保船体在起吊后不会由于水流作用发生较大的位置移动，而影响到后续的钢梁就位。通过对这套水下系固系统的设计计算分析、施工安装以及实际应用效果的描述，对该套水下系固系统进行详细介绍，以利于在其他类似项目中推广使用。

链式提升器；重力锚；沉船系固

对于在海底的沉船，在打捞施工作业过程中经常面临着沉船受到水流作用力而发生位置移动，导致后续难以进行打捞作业的情况。为了保证船体在打捞过程中的稳定，需要对沉船进行系固。通常采用为沉船抛锚作为系固沉船的方法，但由于该方法只能防止沉船进一步的移位，不能保证船体姿态的稳定，对于进行打捞施工效果有限。为此，考虑采用水下张紧设备，将沉船系固在安装在水下的重力锚上，可以确保船体在水流力作用下，不会发生大的移动，有利于后续的打捞施工作业。

一、背景介绍

在“世越号”打捞工程中，上海打捞局采用了钢梁托底、整体抬浮打捞的施工方法。在托底钢梁组的布放过程中，需要将船首部分吊起，使船底与海床之间出现空档，再将拼接成整体的钢梁组通过拖拉移动到船体下方，在钢梁组到位后将船体下放，并落放在钢梁组上。

由于打捞施工水域流速较快，在船体起吊后，整体受到较大的水流冲击力，将会在水平方向发生偏移，如果不采取措施，船体将在水流作用下来回摆动，对于后续施工造成不利影响，为此，考虑设计一套水下系固系统，将船首位置固定住，限制其移动范围和运动幅度，以便在落放过程中保持船体在较小的范围内运动，不会对下放船体到托底钢梁上造成影响。

二、船首系固系统设计

根据对韩国“世越号”沉没现场的水文气象资料分析，在进行吊船首的施工作业时，可能的施工作业窗口为：水流速度小于2节，风力小于5级风，10.8米/秒，有义浪高小于1.0米。在该气象窗口下，可作业的时间窗口约有3天。在此期间，需要完成吊船首的打捞浮筒充气、舱室充气、内置气囊充气、外置橡胶浮筒充气、起吊索具挂钩、系固系统调节等各项工作。在这些工作完成后，进行船首起吊。船首吊起后，需要2～3天的时间完成钢梁组就位工作。在此期间，辅助施工船舶将托底钢梁从沉船底部拖拉穿过船底，并调整到合适的位置和角度，确保船体能按照预定的位置落放在托底钢梁上。

根据施工时的气象条件，对“世越号”在水下船首吊起后，整体的受力情况进行分析，初步估算在2节横向水流的作用下，整体将受到约200吨的水流冲击力。在系固系统作用下，船体需要保证在受到200吨水流冲击力的作用下，不至于发生大的位移（控制在1米范围以内）。在设计上，考虑一定的安全系数和设计的余量，设定系固装置的最大受力为250吨，整个系统的安全负荷为250吨，按照此项条件进行船首系固系统的设计校核。

为保持“世越号”吊起后的沉船船体稳固，用2个250吨的重力锚作为系固系统的根基，在重力锚上连接50米的链径为102毫米的锚链，作为系固系统的基础。一台300吨拉力的水下链式提升器通过短缆与锚链连接。在沉船船体上，用直径106毫米的钢丝绳捆绑，作为船上的系固点。系固钢丝绳直径106毫米，破断拉力到达500吨，大大增强了系固系统的安全系数。与船体连接的钢丝绳末端连接150米的高强度锚链，一方面作为系固锚链增加系泊强度，另一方面，锚链穿过链式提升器，作为牵引提升用工作链条。

在“世越号”打捞的吊船首施工中，船首系固系统的布置如下：

重力锚—50米锚链—链式提升器—150米系固锚链—250米系固钢丝绳—80米绑船体钢丝绳—船体，在不同的组合之间采用卸扣和钢丝绳等进行连接。

系统配置图如图1所示。

图1 船首系固系统配置图

三、系固系统的安装

“世越号”打捞船首系固系统的安装主要分成三个部分：一是重力锚的安装；二是船体部分系固钢缆的安装；三是链式提升器的安装和预张紧。

重力锚作为水下拉力点的基础，对于船体系固系统非常重要。根据海底地质条件，计划采用抓斗水下抓挖基坑的方式，在海底挖掘出一个10米长、8米宽、5米深的基坑，将重力锚布放在基坑里面，通过重力锚的重量和挡土力，为系固系统提供坚实的拉力基础。

根据设计和安装需要，在“世越号”打捞工程中，总共制作了4个250吨的重力锚。每个重力锚放在泥面以下深度为2米的基坑中，根据现场测试，单个250吨重力锚可以承受210吨以上的拉力，而不会被拖拉移位。实际重力锚可承受的拉力极限由于测试条件限制，未能测到更大的拉力值。单个重力锚为长度7米、宽度5米、高度3.6米左右的梯形楔块，混凝土浇筑而成，原预计下放到泥面以下5米的深坑中，因实际开挖基坑发现，泥面以下2米就是岩石层，抓斗无法继续下挖，只能挖到泥面以下2米深度。见图2。

图2 250 t重力锚设计图（单位：mm）

与重力锚连接的有50米长链径76毫米的R4级高强度锚链，通过销轴与重力锚上的眼板连接起来。重力锚上布置4个吊点，采用浮吊进行重力锚吊放下水。

对于单侧的两个重力锚，由于采用并联连接，而且两个锚块在预拉完成后会有前后错位，导致连接锚链的终端可能不会在一个位置，为保证与链式提升器连接的同步，采用1根直径106毫米、长度39米的钢丝绳，对折使用，分别连接2个重力锚，钢丝绳的中间连接一个400吨卸扣，这个卸扣再分别与连接链式提升器的2根直径106毫米、长度6.5米的短钢缆连接，形成如图3所示的系统结构。

图3 系泊系统配置图

链式提升器下放到位后，由潜水员进行水下与钢丝绳的连接。链式提升器设计图如图4所示。

在船体上的系固钢丝绳，首先在船首下方穿过直径48毫米的牵引钢丝绳，然后将系固的直径106毫米的钢丝绳引过，用200吨卸扣锁定在船首位置，再铺设系泊缆和锚链等，直到锚链接近到链式提升器位置，最后将系泊锚链穿引过链式提升器，并尽量拉紧。

整个系统安装完成后，采用链式提升器进行船首系固系统的收紧。链式提升器的油缸和两个挡块结构将锚链的链环逐渐从船首方向往外牵拉，拉出提升器的锚链利用施工船舶的甲板绞车进行拖拉移开。链式提升器由主提升油缸和前后两个挡块A、B组成，A是固定挡块，B为移动挡块。

图4 链式提升器设计图

进行链式提升器收紧施工的主要操作步骤如下：

（1）锚链穿过链式提升器后，拉到一定位置，将固定挡块A放下，锁住锚链；

（2）B挡块打开，将拉伸油缸进行初步伸长，直到B挡块可以下放卡住锚链；

（3）B挡块下放，卡住锚链；

（4）油缸略微伸长，直到B挡块与锚链贴紧，A挡块与锚链脱离接触；

（ 5）打开A挡块；

（6）提升油缸继续伸长，拉伸锚链，直到油缸行程接近到底；

（7）观察此时A挡块的位置，确保此时A挡块下放后可以正好卡住锚链，A挡块下放，卡住锚链；

（8）提升油缸略微收缩，将拉力转移到A挡块上承担，B挡块上不受力；

（9）打开B挡块；

（10）拉伸油缸缩回，到接近最小行程位置，观察B挡块可以下放到卡住锚链的位置；

（11）下放B挡块，卡住锚链；

（12）将拉伸油缸伸长，直到B挡块受力，A挡块松弛下来；

（13）打开A挡块；

（14）提升油缸继续伸长，重复步骤（6）—（13），将锚链拉伸；

（15）当锚链收紧到预定的预张拉力后，测量观察系固锚缆的状态。

通过以上操作，用链式提升器将船体系固系统预张到一定的拉力，保证了船体吊起后在水流作用下船体将只会在较小的范围内水平移动。由于系固系统预张到一定的拉力，当船体发生水平位移时，系固系统的拉力将会随着水平方向移动距离的增加而大大增加，从而提供给船体一个较大的回复力。

四、计算分析

在进行船首系固系统的设计和施工时，通过一系列计算分析确定了系固系统的各项参数，并根据这些参数进行系统的设计。对系固系统设计的计算分析有下面几点。

（1）沉船受力的计算分析：根据施工作业的海况条件和气象分析，初步判断，进行船首起吊的施工将选择小汛期间进行，整个作业窗口期间，现场的最大水流速度为2.5节，起吊船首时，风浪条件限定为风速在6级以下，即风速小于10.8米/秒，有义浪高小于1米。同时，在施工作业期间，没有长涌。根据以上情况，对沉船船首起吊后的整体受水流作用力进行了计算。计算采用经验公式，将沉船船体分成若干个微段，每段在横向的水流作用下将会受到一个水流的作用力。船体受力图如图5所示。

图5 船体受力图

对某个微段，水流作用力Fc分成三个部分：摩擦阻力Rf，形状阻力Rx，附加阻力Ra。

总阻力Fc=Rf+Rx+Ra。

其中：Rf=0.5×Cf×ρ×v2×S，Rx=0.5×Cx×ρ×v2×A；Ra=0.1×（Rf+Rx）；v为流速；Cf为摩擦阻力系数；S为微段水下湿表面积；Cx为形状阻力系数；A为微段受流作用横截面积；ρ为海水密度。

根据对船体各微段的计算，最后得到在不同流速作用下，船体船首部分吊起后，船体受到的水流作用力大小如表1所示。

由此可见，在2.5节以上的水流作用下，当船首吊起后，船体将会受到较大的作用力，这个作用力将会导致船体绕着船尾部与海底的支撑点进行旋转，而吊起船首的浮吊只能提供垂直方向的吊力，无法提供水平方向的力来平衡该水流作用力，只能通过水下系固措施来抵消水流作用力。

表1 沉船受水流力计算结果

（2）系固系统预张紧力分析：对于不同的系固系统预张紧拉力情况，分析在船体受到不同的水流作用力下，船体将发生的水平位移情况，由此评估如何来预紧这套系固系统，合理进行预紧拉力的设定。

首先对于系固系统的悬链线进行分析，了解系固系统在不同拉力情况下的状态。根据系统系统设计，可以计算在各种状态下的悬链线形态。

图6为系固系统的悬链线模型，L1为系固钢丝绳，L2和L3为系固锚链，通过链式提升器对悬链线进行收紧，导致L2的长度发生变化。在初始状态下，系固锚链L2和L3以及部分钢丝绳躺在海底，当链式提升器逐渐收紧时，将部分锚链和钢丝绳拉离海底。

图6 系固系统悬链线模型

在不同的拉力情况下，可以计算得到拉起系泊锚链长度、总体水平距离、拉力大小等参数，如表2所示。

表2 系泊悬链线分析结果

实际悬链线数据为一个数组，这些数据根据不同的需要存储在文件中，以便分析使用。对于一个具体的预紧力，假设预拉到60吨拉力，悬链线上端点处于某个位置，当该端点在水平方向前后发生位置偏移后，对应的悬链线拉力也会发生变化，如表3所示。

表3 预张系泊悬链线偏移受力分析结果

对于单根悬链线，在预张收紧后，当上系固点发生位置偏移后，收紧的拉力将会发生变化，这将导致系统的回复力发生变化。部分拉力变大，部分变小，总体将导致系统回复到原平衡位置。对于上例，在预紧60吨拉力情况下，上系固点水平位置偏移0.3米，一端拉力将增大到174吨，另一端减小为35吨，总的回复力为139吨，该回复力将可以抵抗一定的水流作用力，使船体不会在水流力作用下继续偏移。

（3）系固系统受力情况分析：考虑到水流的方向会随着时间、潮涨潮落而变化，需要系固系统能够提供两个方向的回复力。为此，在船首的两侧，分别布置一套系固系统。在两套系固系统张紧后，当船首吊起，船体受到一定的水流力作用时，会由于力的不平衡而发生位移，导致一侧的系固悬链线拉紧，回复力增大，另一侧的系固悬链线松弛，回复力减小，两者的差值即为总体的回复力，当该力小于水流作用力时，船体会在水平方向继续移动，当该系固系统的回复力与外力相等时，船体将没有移动的加速度，达到平衡状态。当水流作用力减小时，系固系统的回复力将拉着船体向相反的方向移动，回复到平衡位置。由于在整个过程中，力与船体之间的作用力较小，对于船体的运动动态作用微乎其微，在此不考虑动态作用的影响。

根据系固系统的预张力分析，再结合两端系固系统的位置姿态等，对于在2.5节水流力作用下的船体，在水平位置偏移大于0.3米时，回复力矩将大于偏移力矩，船体将在该范围内保持平衡。计算表格如表4所示。

表4 系泊系统受水流力作用下受力校核结果

根据对于系固系统的计算分析，对于船首系固系统，当系固的预紧拉力达到一定程度后，在船首吊起，船体受到预计工况条件下的水流作用力时，整个船体的运动幅度会控制在±0.3米的范围内，对于进行后续的底部托底钢梁的安装和就位几乎不会造成影响。对于船首18根钢梁的整体安装和就位，这套船首系固系统发挥了很大的作用。

五、应用效果

在进行“世越号”打捞的船首起吊阶段，由于船首系固系统初始进行了预紧，预紧拉力在70吨左右，在船首起吊约10米高度后，吊机上的负荷增加很小，几乎没有变化，这与计算情况比较符合。在系固系统预张一定拉力后，吊机对沉船的垂直提升，系固悬链线几乎不对吊力产生影响，增加的吊力很有限，而提升后，船体的水平位移对于系固系统上的拉力增减非常明显。在实际吊船首作业期间，天气状况较好，在吊船首期间，由于正值小汛，潮水的速度较慢，现场也没有出现恶劣的气象状况，整体作业相当平稳。船首部分在系固系统的作用下，在水流中只有微小幅度的移动，对于后续的钢梁穿引和就位，该套系统起了相当大的作用。钢梁拖拉到位后，再进行船体的下放，此时船体在水平方向基本没有大的移动，平稳地进入钢梁组的预定位置。

六、总结

本文介绍了一套海底沉船和结构物的系固系统，该系统由重力锚、链式提升器、系泊锚链和系泊钢缆等组成，通过使用水下链式提升器进行系固系统的收紧，可以将海底沉船沉物牢牢地固定住，解决了水下缺乏大吨位牵引设备，难以对系固锚缆进行收紧的问题。

该套水下系固系统也可以根据需要安装在各种海洋结构物上，通过链式提升器的预拉收紧，进行海洋结构物的系固稳定，对于海洋安装和打捞施工都具有重要的意义。

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10.16176/j.cnki.21-1284.2017.10.003

汪有军（1978—），男，交通运输部上海打捞局技术中心副总经理，高级工程师，硕士。

王伟平（1960—），男，交通运输部上海打捞局工程船队书记，高级工程师，硕士。

陈世海（1972—），男，交通运输部上海打捞局技术中心总经理，高级工程师，硕士。