張永強

(廣州打撈局，廣州 510260)

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“夏長”輪打撈起浮過程的數(shù)值模擬與分析

張永強

(廣州打撈局，廣州 510260)

以整體打撈 “夏長”輪沉船為例，給出大噸位沉船起浮過程的控制條件，提出應用GHS軟件建立沉船計算模型進行數(shù)值模擬的方法，計算出沉船打撈起浮過程中貨艙及壓載艙不同排壓水方案、艉部起浮吊力增減等不同工況下，沉船總縱強度、剪切強度及浮態(tài)的變化情況，據(jù)此得到最優(yōu)起浮排壓水及起浮吊力設計方案。沉船起浮過程的數(shù)值模擬結(jié)果與工程數(shù)據(jù)高度吻合，證明數(shù)值模擬方法正確。

夏長輪；沉船打撈；起??；浮態(tài)；強度；GHS軟件

隨著造船技術(shù)和航運市場的發(fā)展，船舶的主尺度越來越大，海上遇險或沉沒的船舶呈現(xiàn)出船體尺度大型化、船舶自重和載重量大等特點，大噸位沉船打撈技術(shù)引起了學者們的廣泛關(guān)注[1-2]。大噸位沉船打撈往往受到復雜工況和海況的影響，其方案設計必須借助計算機輔助技術(shù)[3]。沉船往往是因為部分艙室破損，其起浮過程中船體強度計算對結(jié)果影響甚大[4-7]，目前對沉船船體強度計算通常都采用有限元法[8]。沉船起浮是起浮吊力、浮力及打撈重量共同作用的過程，對具有一定儲備浮力和穩(wěn)性的沉船，可以通過進行調(diào)載或卸載，使船舶橫傾與縱傾恢復至適航狀態(tài)。已有學者采用GHS軟件對沉船扳正過程進行研究[9-12]，但未見將該軟件應用于大噸位沉船起浮計算的報道。以目前中國整體打撈最大噸位沉船“夏長”輪起浮為例，應用GHS軟件對沉船起浮全過程進行數(shù)值模擬，分析排壓水、浮吊吊力配置等措施對船體總縱強度、剪切強度及浮態(tài)的影響，以獲得最優(yōu)打撈方案。

1 沉船起浮控制條件

對于沉船起浮過程，須滿足：

(1)

式中：Fi為內(nèi)浮力；而Fo為外部起浮力通常是指浮吊的吊力外加浮體的抬浮力等；Gv為沉船水中自重；Gc為船載貨物水中重量；Gg為船底與海床的粘著力。

沉船起浮條件：①減小打撈重量；②增加起浮力；③要控制好浮態(tài)，否則沉船一離底就有傾覆的危險；④船體強度要滿足要求，起浮過程要控制好總縱彎矩和剪力，否則船體有斷裂的危險。

因此對于大噸位沉船起浮的控制條件為

(2)

式中：F=Fi+Fo;G=Gv+Gc+Gg；Mmax，Mallow分別為起浮過程中船體結(jié)構(gòu)的最大彎矩和許用彎矩；Qmax，Qallow分別是起浮過程中船體結(jié)構(gòu)的最大剪力和許用剪力。

2 計算模型

2.1 工程實例

“夏長”輪建造于2011年，載重量為57 000 t散貨船，主尺度：Loa×Lbp×B×D=189.99 m×185.00 m×32.26 m×18.00 m，共有5個貨艙，由船艏至船艉依次進行艙室編號，船體結(jié)構(gòu)為雙層底及頂邊艙，空船重量10 857.6 t。該船于2013年8月14日在珠江口小萬山島偏南方向約1.2 nmile沉沒，滿載57 000 t紅土鎳礦。沉船狀態(tài)：艏向170°，左傾104°，艉傾約2°。沉船海域水深約22 m，低潮時右舷側(cè)全部露出水面。

經(jīng)過采取卸貨減載，封補漏洞及浮吊扳正等措施，沉船起浮前的狀態(tài)為：左傾13.04°，尾傾約4.49°，艉吃水34.23 m，艏吃水19.71 m。

“夏長”輪在扳正作業(yè)后的船頭已經(jīng)離底(沒有擱坐在海床面上)，因此式(2)中的粘著力Gg可以忽略，即經(jīng)過卸貨施工之后打撈重量和重心的位置就是一個定量。

由于沉船位置地質(zhì)過于堅硬，鋼絲繩吊索無法穿過船底，即使吊力配備足夠，在沉船上也很難找到受力點來滿足如此大的起浮力，這導致無法配置大的外部起浮力Fo，因此要增加起浮力的惟一途徑就是增加沉船艙室的內(nèi)浮力，也就是說要盡量多的將沉船艙室內(nèi)的水排出，這也是起浮“夏長”輪的唯一方式。

對于大噸位沉船，利用其內(nèi)浮力起浮的難度在于：①打撈重量大，本例中打撈重量達13 000 t；②艙室繁多，”夏長”輪的艙室多達50個，而且左舷側(cè)的很多艙室已經(jīng)破損，因此利用哪些艙室的浮力，每個艙浮力的利用比例如何直接關(guān)系到船體的浮態(tài)、總縱彎矩和剪力。

2.2 計算模型

根據(jù)扳正后沉船的沉態(tài)及貨艙殘留貨物重量等，利用GHS的靜水力學邏輯計算方法可以迅速求解出沉船的浮性和穩(wěn)性及打撈起浮過程中船體的受力值和結(jié)構(gòu)的載荷數(shù)據(jù)。

采用GHS軟件建立“夏長”輪模型，見圖1。

圖1 沉船船體和艙室的GHS模型

需要特別強度的是在GHS模型中艙室有完整、破損和通海3種類型，一定要根據(jù)實際工況給予正確的判斷，否則計算結(jié)果將會嚴重失真。

3 起浮過程數(shù)值模擬與分析

3.1 起浮方案總體思路

影響沉船起浮主要變量有：NO.1～NO.3貨艙的水(NO.4&5在水下，不具備排水的條件)，沉船艉部起浮吊力。

利用“華天龍”(4 000 t浮吊)通過穿過沉船首部錨鏈孔起吊，并對可以利用的頂邊艙及底邊艙打氣，起浮沉船船頭，隨后抽NO.1貨艙的水，待NO.1貨艙的水抽到NO.2貨艙艙口圍板最低點露出水面后，開始抽NO.2貨艙的水，直至抽到NO.3貨艙艙口圍板最低點露出水面。隨后通過左舷增加浮筒以控制左傾，并在NO.5貨艙安裝吊梁，沉船尾部配置2 600 t浮吊，最后在各浮吊一起用力及對NO.3貨艙繼續(xù)抽水及其他貨艙調(diào)載情況下，使沉船最終離底。隨后繼續(xù)起浮并調(diào)整至滿足拖航要求浮態(tài)。

3.2 起浮NO.1貨艙與NO.2貨艙

沉船起浮前的初始狀態(tài)見圖2及表1。

圖2 沉船起浮前狀態(tài)示意

表1 沉船起浮前狀態(tài)參數(shù)

由于吊船頭起浮NO.1貨艙、抽NO.1貨艙的水起浮NO.2貨艙這2個步驟能夠變化的施工方案不多，且沉船總縱彎矩較小，不詳述。

3.3 NO.1、NO.3貨艙排壓水對彎矩、剪力及浮態(tài)的影響

NO.3貨艙艙口圍板露出水面后，做好整體起浮準備是起浮工程難點和關(guān)鍵所在。整體起浮力配置：船尾配置2 600 t浮吊，NO.5貨艙吊梁配置4 000 t浮吊(吊梁許用吊力500 t)，及沉船上3#及4#吊機吊點配置2 200 t浮吊(吊點許用吊力分別為2 000 kN)，及沉船船中左舷配置2個500 t浮筒，用于防止左傾增大，見圖3。

3.3.1 艉部起浮吊力50%

在艉部浮吊吊力固定在50%最大許用值情況下，利用GHS軟件模擬起浮過程中沉船最大彎矩、最大剪力、縱橫傾、艉吃水及艉部擱坐力隨NO.1，NO.3貨艙的抽排水量的變化情況，計算結(jié)果見圖4。

圖3 起浮力布置示意

圖4 沉船強度及浮態(tài)隨NO.1，NO.3貨艙水量變化(艉部吊力50%)

3.3.2 艉部起浮吊力100%

圖5給出了船體艉部吊力固定在100%最大許用值情況下，模擬起浮過程中沉船最大彎矩，最大剪力，縱橫傾，艉吃水及擱坐力隨NO.1，NO.3貨艙的抽排水量的變化情況。

由圖4、圖5可見，起浮過程中沉船彎矩(彎矩中拱為正值，中垂為負值)隨著NO.1貨艙水量的增加而增大，隨著NO.3貨艙水量的增加而減?。患袅?剪力右剖面向上為正值)也是隨著NO.1貨艙水量的增加而增大，隨著NO.3貨艙水量的增加而減小；縱傾是隨著NO.1貨艙水量的增加而減小，隨著NO.3貨艙水量的增加則是先增大，后減??；橫傾是隨著NO.1貨艙水量的增加而增加，尤其是在NO.3貨艙水量在30%～50%區(qū)間，特別明顯，主要是該階段是沉船離底的階段，而橫傾隨著NO.3貨艙水量的增加則是先增大，后減小，也是在30%～50%區(qū)間特別明顯；尾吃水與擱坐力是隨著NO.1貨艙水量增加而減小，隨著NO.3貨艙水量增加而增大，尤其是在尾吃水25～35 m這個區(qū)間，十分顯著。

3.4 艉部起浮臨界狀態(tài)

沉船艉部離底也就標志著船體處于自浮狀態(tài)，這是每個沉船打撈工程中要特別關(guān)注的工況。經(jīng)過計算，沉船艉部離底時尾吃水約為36.5 m，其起浮臨界狀態(tài)見表2。

圖5 沉船強度及浮態(tài)隨NO.1，NO.3貨艙水量變化(尾部吊力100%)

3.5 艉部起浮吊力與彎矩、剪力、縱傾及艉吃水的關(guān)系

在NO.1，NO.3貨艙的水量分別為35%及40%情況下，模擬起浮過程中沉船強度、縱傾及艉吃水隨艉部吊力變化情況，計算結(jié)果見圖6。

表2 沉船船艉離底臨界狀態(tài)

圖6 沉船強度及浮態(tài)隨艉部吊重的變化

由計算結(jié)果可知，最大彎矩、最大剪力、縱傾及艉部吃水均隨著尾部吊力的增大而減小?？梢姡跅l件允許的情況下尾部吊力配置越高越好。

根據(jù)數(shù)值模擬與分析結(jié)果，獲得最優(yōu)起浮方案：NO.3貨艙抽水越多越好，會增加整體的起浮力；為減少沉船艉部擱坐力，以有利于起浮船艉，起浮前需要對NO.1貨艙適當壓水，壓至35%艙容；艉部吊力控制在吊點強度之內(nèi)越大越好。

4 結(jié)果驗證

根據(jù)GHS軟件模擬和分析進行沉船起浮工程，在沉船艉部脫離海床面開始起浮后依次對沉船4號貨艙和5號貨艙進行抽水，直至沉船船尾主甲板露出水面約5 m，此時沉船艉傾1°，左傾13°。沉船整個起浮過程安全可控。

實際施工數(shù)據(jù)與GHS計算結(jié)果在船體吃水方面誤差在0.2 m的范圍內(nèi)，這與本文計算結(jié)果高度吻合，證明數(shù)值模擬方法合理可行。

[1] 吳建成,孫樹民,張永強. “南海Ⅰ號”古沉船整體打撈技術(shù)操作[J].船海工程，2008，37(4):65-68.

[2] 張永強，李汪諱.“夏長”輪的整體打撈[C].第八屆中國國際救撈論壇[C].中國國際救撈論壇論文集，上海，2015.

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[6] 趙敬.船舶破艙后船體剩余強度研究與分析[D].大連：大連海事大學,2014.

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[8] 張永強.“鵬洋”輪救助打撈的船體強度分析[C].中國航海學會救撈專業(yè)委員會2005年學術(shù)年會，長江三峽，救撈專業(yè)委員會2005年學術(shù)交流會論文集，2005：92-97.

[9] 潘德位, 林成新,孫德平，等.基于GHS軟件的傾覆船舶扳正計算與分析[J].水利水運工程學報，2014(6):78-83.

[10] 潘德位，林成新，孫德平，等.大傾角擱淺船舶扳正過程分析[J].交通運輸工程學報，2015(2):50-58.

[11] 潘德位.林成新，孫德平，等.擱淺船舶扳正過程計算方法[J].交通運輸工程學報，2014(4):53-63.

[12] 王金龍，孫繼剛，段明昕.“振和168”輪救助打撈工程難船扳正分析[J].廣東科技，2015(14):112-114.

Numerical Simulation and Analysis of Trans Summer Salvage during Refloating Operation

ZHANG Yong-qiang

(Guangzhou Salvage, Guangzhou 510260, China)

The control condition of refloating operation for the large-tonnage sunken vessel salvage was presented and the analysis and numerical simulation method of the refloating operation with the GHS software was proposed. Taking the salvage of the sunken vessel Trans Summer as an example, the bending moment, shear force, floating status of the sunken vessel were simulated for the different load cases caused by the variation of water in the cargo tanks and the stern floating crane lifting force, so as to obtain the optimized refloating scenario. The calculated result was highly agree with the practical engineering data, and the integral refloating of the sunken vessel Trans Summer is finally achieved.

Trans Summer; salvage; refloating; floating status; strength; GHS software

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.041

2017-02-20

交通運輸部大噸位沉船打撈技術(shù)研究(20136011)

張永強(1975—)，男，博士，高級工程師

研究方向：救助打撈與海洋工程技術(shù)

U676.6

A

1671-7953(2017)04-0177-05

修回日期：2017-03-05