陳世海 劉 雨 王偉平 蔣 巖

“世越號”打撈工程沉船重量分析與計算

陳世海 劉 雨 王偉平 蔣 巖

“世越號”打撈工程是由交通運輸部上海打撈局承擔的一項大型國際打撈工程，整個工程時間長、要求高、難度大，科學合理的技術(shù)方案設(shè)計是工程成功的可靠保障。沉船重量的計算分析作為其中關(guān)鍵一環(huán)，為技術(shù)方案設(shè)計提供科學依據(jù)。根據(jù)有限的沉船已知數(shù)據(jù)，結(jié)合打撈過程中沉船的不同狀態(tài)，通過對沉船的各個重量及浮力分項進行分析、調(diào)查及合理假設(shè)，完成沉船幾種典型關(guān)鍵工況下的重量計算分析，并與實際測量值進行對比，為以后類似的沉船重量計算提供參考。

世越號；打撈工程；沉船重量計算

一、概述

韓國大型渡輪“世越號”于2014年4月16日在韓國全羅南道珍島郡近海沉沒，事故造成304人遇難（包括失蹤者），舉世震驚。

沉船總長145米，型寬22米，型深14米。空船重量6 113噸，最大裝載重量3 794噸，最大排水量9 907噸。難船沉沒后左傾約90°側(cè)躺于海底，部分上層建筑塌陷損壞。根據(jù)韓國方面要求，需要保持沉船原沉沒狀態(tài)對其進行整體打撈。“世越號”沉沒姿態(tài)及坐標系設(shè)定見圖1。

圖1“世越號”沉沒姿態(tài)及坐標系設(shè)定

2015年8月至2017年4月，經(jīng)過長達600多天的施工作業(yè)，交通運輸部上海打撈局克服了重重技術(shù)難關(guān)，嚴格按照韓方要求，最終順利完成“世越號”打撈工程。

“世越號”打撈工程技術(shù)非常復雜、難度極大，為了確保工程能夠順利、安全、高效地完成，需要對整個工程進行科學、精細、全面的計算分析，沉船重量的計算分析作為打撈工程的重要設(shè)計參數(shù)和設(shè)計依據(jù)是其中的關(guān)鍵一環(huán)。本文主要根據(jù)“世越號”沉船較為有限的已知數(shù)據(jù)，結(jié)合打撈過程中沉船船體的不同狀態(tài)，并通過對沉船的各個重量及浮力分項進行分析、調(diào)查及合理假設(shè)，完成了沉船原始擱坐狀態(tài)、船首起吊、整體抬吊、滾卸上岸這幾種典型工況下的重量分析計算，并與最終的實際測量值進行對比，為以后類似打撈工程中的沉船重量計算提供參考。各計算工況及船體狀態(tài)見表1。

二、原始擱坐重量估算

1.離港重量數(shù)據(jù)

根據(jù)韓方提供的信息，“世越號”離港時裝載了2 271噸貨物，包括140輛轎車、32輛卡車、4輛重型機械以及一些材料物資。具體離港重量分項如表2所示。

表1 計算工況及船體狀態(tài)

表2 離港時裝載狀態(tài)

2.沉沒后的貨物分布情況

“世越號”沉沒過程為先向左舷傾覆，再艉傾沉沒，最后左傾90度擱坐于海底。整個沉沒過程很可能造成C甲板和D甲板的貨物先往左舷移動堆積，然后再往船尾方向移動。為了盡可能準確地評估貨物的分布情況進而較為準確地估算重量、重心，在預調(diào)查階段，潛水員對C和D甲板貨艙內(nèi)的貨物分布情況進行了探摸。此外，還假設(shè)E甲板貨艙中的普通貨物被固定在甲板上和艙室中，其重心位置在沉沒后未有大的變化。整個船體中貨物的分布情況如圖2所示。

圖2 貨物分布情況估計

難船沉沒后的貨物重量重心估算見表3。

表3 貨物重量重心計算

3.船體內(nèi)泥沙重量

潛水調(diào)查發(fā)現(xiàn)，“世越號”上層建筑客艙中除了鋼制結(jié)構(gòu)外的裝飾材料和家具均已經(jīng)坍塌。因此可認為船體內(nèi)的泥沙僅堆積在開放的艙室鋼結(jié)構(gòu)表面。根據(jù)潛水員的泥沙測量結(jié)果得知，上層建筑內(nèi)的泥沙平均厚度約為20厘米，C甲板和D甲板的泥沙平均厚度約為50厘米。經(jīng)取樣分析，泥沙水中密度約為330千克/立方米，空氣中密度為1 330千克/立方米。上層建筑、C甲板和D甲板的泥沙分布情況如圖3和圖4所示。

圖3 上層建筑泥沙分布

圖4 C甲板和D甲板泥沙分布情況

“世越號”船體內(nèi)的泥沙重量重心計算如表4所示。

表4 泥沙重量重心估算表

4.海底擱坐重量

根據(jù)上述各項重量的計算評估，“世越號”擱坐在海底的總重量重心計算見表5。

表5 難船海底擱坐重量重心計算

三、船首起吊工況

根據(jù)設(shè)計方案，“世越號”船首需被吊離海底約10米高，船體縱傾約5°，為安裝船體中部下方的首批18根托底鋼梁提供空間，整個起吊過程沉船保持在水面下。為了減小船首起吊吊力及船體總縱彎矩、剪力和扭矩，并在起吊過程中保持船體姿態(tài)平衡，需要采取措施為“世越號”配置合理的浮力。這些浮力措施包括給難船本身的部分氣密艙室充氣，安裝內(nèi)置氣囊、外置橡膠浮筒和鋼制打撈浮筒。沉船船首起吊示意圖如圖5所示。

經(jīng)過艙室密閉測試，共有10個船底艙室可以用來建立浮力，其分布如圖6所示。

27個內(nèi)置氣囊被安裝固定在C甲板和D甲板的貨艙內(nèi)，7只橡膠浮筒安裝在難船船體右舷及打撈浮筒上，兩只鋼制浮筒綁扎固定在船首位置。這些浮力裝置的主要規(guī)格及布置情況如圖7所示。

圖5 沉船船首起吊示意圖

圖6 艙室浮力分布情況

圖7 附加浮力裝置的布置

在這些浮力措施的實際建立和使用過程中，需要根據(jù)實際充氣效果來對浮力進行評估。此外，為了控制船體翻轉(zhuǎn)，部分船底艙室未充氣或未完全充氣。通過潛水調(diào)查及合理分析，最終浮力情況及重量估算見表6。

表6 船首起吊工況沉船總重量估算

四、整體抬吊工況

在“世越號”船體整體抬吊階段，兩條抬吊駁船使用66套鋼絞線提升系統(tǒng)將沉船整體從海底提升約34米，直到船體右舷浮出水面13米。沉船出水過程中重量和浮力會發(fā)生明顯變化。在此，我們只對沉船未出水的初始起吊工況和出水13米的最終起吊工況下的沉船重量進行計算分析。整體抬吊-初始起吊工況示意圖見圖8，整體抬吊-初始起吊工況模擬圖見圖9，整體抬吊-最終起吊工況示意圖見圖10，整體抬吊-最終起吊工況現(xiàn)場見圖11。

圖8 整體抬吊-初始起吊工況示意圖

圖9 整體抬吊-初始起吊工況模擬圖

圖10 整體抬吊-最終起吊工況示意圖

圖11 整體抬吊-最終起吊工況現(xiàn)場

1.初始起吊工況

此工況下，沉船船體全部沉沒于水面以下。由于整體抬吊作業(yè)時與之前預調(diào)查間隔超過一年，中間還進行過船體周圍海床的吸泥整平作業(yè)，吸起的泥沙散落較為嚴重，因此船體內(nèi)泥沙淤積會有所增加，上層建筑、C甲板和D甲板的泥沙平均厚度均達到了約100厘米。重新估算的船體內(nèi)泥沙重量如表7所示。

表7 泥沙重量重心估算表

為了避免起吊過程中艙室出水產(chǎn)生浮力損失造成大的總重量重心變化，整個起吊過程并未對船底艙室進行重新補氣或者安裝浮力裝置建立額外浮力。據(jù)估計，船體未出水時，充過氣的10個船底艙室仍存有約30%的氣體。艙室分布情況與圖6一致，浮力估算結(jié)果見表8。

表8 船體艙室浮力估算

沉船船體未出水的初始抬吊工況下，沉船總重 量計算結(jié)果如表9所示。

表9 初始抬吊工況下沉船總重量估算

2.最終起吊工況

最終抬吊工況下，船體右舷露出水面13米，因此需要對船體艙室浮力、船體艙內(nèi)殘余海水、淤積泥沙重量重新進行計算。

船體出水13米后，10個浮力艙室的浮力會有較大損失，船體結(jié)構(gòu)本身也會失去浮力。而由于施工工藝問題，船體艙室的充氣孔或排水孔開孔位置無法選取在艙室最低位置，因此露出水面的船體艙室會有部分殘余海水無法流出船體。此外，上層建筑也存在很多相對較為封閉的區(qū)域，導致一定量的海水殘留在船體艙室內(nèi)無法排出。這些因素會導致船體重量增加。船底艙室浮力及殘余海水分布見圖12，上層建筑殘余海水分布見圖13，充氣艙室剩余浮力估算見表10，殘余水重量重心估算見表11，泥沙重量重心估算見表12。

圖12 船底艙室浮力及殘余海水分布

圖13 上層建筑殘余海水分布

表10 充氣艙室剩余浮力估算

續(xù)表

表11 殘余水重量重心估算

表12 泥沙重量重心估算表

沉船船體被起吊出水13米時的最終抬吊工況 下，沉船總重量計算結(jié)果如表13所示。

表13 最終抬吊工況下沉船總重量估算

續(xù)表

五、滾卸上岸工況

“世越號”被半潛駁整體起浮出水后，轉(zhuǎn)運至約50海里外的木浦新港碼頭，并采用600軸SPMT（自行模塊運輸車）滾卸上岸。此時沉船船體完全浮出水面，船體內(nèi)的泥沙重量和殘余海水重量會大幅度增加。“世越號”沉船滾卸上岸情況見圖14。

船底艙室和上層建筑的殘余海水分布如圖15和圖16所示。

圖14“世越號”沉船滾卸上岸

圖15 船底艙室殘余海水分布

圖16 上層建筑殘余海水分布

此外，由于每5個肋位存在一個強肋位，而船體左舷的C、D甲板貨艙和船底的窗口較少，而且容易被貨物堵塞，導致大量的海水會殘余在強肋骨之間。整個船體左舷殘余水層分布如圖17所示。殘余海水總量估算見表14。

圖17 船體右舷殘余水層分布

表14 殘余海水總量估算

沉船船體被滾卸上岸時，沉船總重量計算結(jié)果 如表15所示。

表15 滾卸上岸時沉船總重量估算

六、總結(jié)

在實際打撈作業(yè)過程中，通過測量裝置直接得到整體抬吊工況和滾卸上岸工況下的實際沉船重量與重心水平位置。船首起吊工況下的沉船總重量也通過船首起吊實際吊力得到了驗證。沉船重量分析工況的計算值及實際測量值對比如表16所示。

表16 沉船重量計算值與實測值對比

在本次打撈工程中，由于沉船船體狀態(tài)、實際載貨量、船體內(nèi)沉積泥沙、浮力狀態(tài)等情況存在很大的不確定性，導致沉船重量計算分析存在很大困難。上海打撈局根據(jù)較為有限的數(shù)據(jù)，通過對沉船每個重量及浮力分項進行分析、調(diào)查和合理假設(shè)，較為準確地計算出幾種典型工況下的沉船重量及浮力情況，除了滾卸上岸工況下重量計算誤差為12.86%以外，其他計算數(shù)據(jù)誤差均在5%以內(nèi)，較為準確地評估了各個作業(yè)階段的沉船重量，為打撈方案設(shè)計及作業(yè)分析提供了合理依據(jù)。這種詳細分析計算方法及分析原理和經(jīng)驗，也對以后的類似打撈工程中的沉船重量計算具有一定的參考價值。

10.16176/j.cnki.21-1284.2017.08.002

陳世海（1972—），男，交通運輸部上海打撈局技術(shù)開發(fā)中心總經(jīng)理，高級工程師，碩士。

劉雨（1985—），男，交通運輸部上海打撈局技術(shù)中心工程師，碩士。

王偉平（1960—），男，交通運輸部上海打撈局工程船隊書記，高級工程師，碩士。

蔣巖（1963—），男，交通運輸部上海打撈局副局長，“世越號”打撈工程項目經(jīng)理，碩士。