葉昊,陳世海,喬國(guó)瑞,劉雨,遲健
(1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院,上海 200011;2.交通運(yùn)輸部上海打撈局,上海 200090)
中交上海打撈局?jǐn)M針對(duì)1艘沉船開展打撈作業(yè)工程,該沉船為“Kea Trader”號(hào)集裝箱船,于2017年7月前往新喀里多尼亞努美阿港時(shí),意外擱淺在南太平洋靠近新喀里多尼亞群島的杜蘭德礁區(qū)上,在海上受到了幾個(gè)月暴風(fēng)雨、海浪、潮流,以及礁巖壓力等外界環(huán)境力的持續(xù)沖擊后,船體斷裂情況逐步惡化,見圖1。
圖1 “Kea Trader”號(hào)沉船殘骸
事發(fā)海域水深范圍為5.9~6.9 m,常規(guī)浮式起重船因不具備坐底功能,無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)針對(duì)淺水礁區(qū)擱淺失事船舶的海難起重打撈坐底作業(yè),需借助專門的坐底式起重船進(jìn)行坐底起重作業(yè)。坐底式全回轉(zhuǎn)起重船設(shè)有巨大的起重設(shè)備、調(diào)載設(shè)備和支撐結(jié)構(gòu),相比常規(guī)起重船,除了要考慮調(diào)遣航行和浮式起重作業(yè)工況下的船舶穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)總縱強(qiáng)度和局部強(qiáng)度,還要考慮坐底作業(yè)水域海況條件下底質(zhì)承載能力、抗傾覆抗滑移坐底穩(wěn)性和坐底作業(yè)船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素。新建1艘坐底式全回轉(zhuǎn)起重船需要投入大量資金,且建造周期長(zhǎng),將嚴(yán)重影響海難打撈工程項(xiàng)目的整體工程進(jìn)度。大型無(wú)人貨駁甲板面空間較大,通常采用單層連續(xù)縱通甲板,具有一定長(zhǎng)度的平行中體,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固,可改造利用的空間相對(duì)較大,改造工程量相對(duì)較小。若在無(wú)人貨駁的基礎(chǔ)上用較少的成本和較短的時(shí)間將其改裝成坐底式全回轉(zhuǎn)起重船,不僅能夠滿足海上浮式起重作業(yè)需求,也能滿足淺水礁區(qū)海難打撈等特殊工程項(xiàng)目的坐底起重作業(yè)需求。因此,探討將大型無(wú)人駁船改裝成坐底式全回轉(zhuǎn)起重船的方法。
改造前原貨駁是1艘鋼質(zhì)全電焊、非自航、方型駁船,主要用于水泥的駁運(yùn);總長(zhǎng)171.0 m,型寬32.0 m,型深12.0 m,設(shè)計(jì)吃水7.86 m,結(jié)構(gòu)吃水9.40 m;設(shè)首尾防撞艙,中部為貨倉(cāng)區(qū)域,設(shè)有4個(gè)大貨艙,每一貨艙甲板上設(shè)2個(gè)大型艙口蓋??偛贾檬居趫D2。
圖2 原水泥貨駁總布置示意
改造設(shè)計(jì)總體目標(biāo):將原無(wú)人貨駁改造設(shè)計(jì)成1艘可供人居住的打撈起重工程駁船,配備800 t全回轉(zhuǎn)主起重機(jī),在能適應(yīng)打撈作業(yè)區(qū)域作業(yè)環(huán)境條件的前提下,滿足針對(duì)沉船“Kea Trader”號(hào)打撈工作的使用需求。
根據(jù)起重能力、起重臂的放倒長(zhǎng)度要求、總布置、浮態(tài)及穩(wěn)性等因素,確定具體實(shí)施例改造后的船長(zhǎng)為125 m,型寬和型深均無(wú)需調(diào)整。截掉原貨駁平行中體貨艙區(qū)域部分分段,并將該被截貨艙區(qū)域分段之前與之后的兩部分船體分段通過(guò)焊接處理拼合,形成新拼合而成的起重駁船主船體總長(zhǎng)125 m;原貨駁主甲板上的貨艙艙口區(qū)用鋼板密封;主船體主甲板以下加設(shè)一道連續(xù)的中縱艙壁和2道旁縱艙壁,以提高浮式及坐底起重作業(yè)的總縱強(qiáng)度,見圖3。
圖3 改造后起重駁船主甲板以下船體布置示意
將雙層底內(nèi)旁桁材數(shù)量加密,同時(shí)在船底及舭部處設(shè)置一定厚度的鋼質(zhì)護(hù)底板,以增強(qiáng)坐底起重作業(yè)時(shí)船體底部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;在船底護(hù)底板下方且對(duì)應(yīng)于雙層底桁材的位置沿縱向加裝一定數(shù)量的聚氨酯墊條,如圖4所示,以防坐底作業(yè)時(shí)底部磕碰,并加大底部摩擦系數(shù),從而增加坐底時(shí)的抗滑移能力;對(duì)原貨駁貨艙水密艙壁上的加強(qiáng)筋適當(dāng)加密補(bǔ)強(qiáng),同時(shí)在各貨艙中間位置加設(shè)水密橫艙壁,并在舷側(cè)雙殼內(nèi)增設(shè)若干水平桁材,以提高坐底起重作業(yè)時(shí)抵抗橫向環(huán)境載荷(波浪及流載荷等)的強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度。
圖4 改造后起重駁船典型橫剖面示意
將主船體首部主甲板以下的原貨駁貨艙區(qū)域改造為機(jī)艙、泵艙和淡水艙等艙室,船上各類用電設(shè)備系統(tǒng)及起重機(jī)由主電站提供動(dòng)力。中后部原貨駁的貨艙區(qū)域改為壓載艙,并將兩舷側(cè)空艙及艏艉尖艙也改為壓載艙,在壓載艙底部合適區(qū)域加設(shè)壓載管隧艙,通過(guò)配置合適數(shù)量及能力的壓載泵、布置壓載管系來(lái)實(shí)現(xiàn)壓載及調(diào)載功能。船上壓載泵排量較大、壓載艙數(shù)量設(shè)置較多,一方面通過(guò)對(duì)壓載水快速有效的調(diào)配,滿足浮式起吊作業(yè)時(shí)浮態(tài)及穩(wěn)性要求,另一方面通過(guò)加載或排放壓載水控制船體重量,使船體快速下沉坐底或起浮,并基于作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件和坐底工況及時(shí)調(diào)整船體對(duì)地壓力,從而滿足在惡劣海況條件下坐底作業(yè)時(shí)的抗傾覆和抗滑移要求。
主甲板尾部設(shè)置主起重機(jī),為全回轉(zhuǎn)型式,起重機(jī)基座通過(guò)船體內(nèi)縱向和橫向艙壁、強(qiáng)框架進(jìn)行加強(qiáng);首部主甲板以上增加艏樓、甲板室、煙囪等,滿足100人的定員要求;主甲板尾部和艏樓甲板各設(shè)4只定位錨,組成8點(diǎn)定位錨系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)起重駁船的定位和移船作業(yè)。作業(yè)甲板區(qū)域在舷側(cè)位置加設(shè)2.5 m高的可拆式擋浪板,以保障惡劣海況下坐底作業(yè)時(shí)的甲板作業(yè)人員安全。
改造后起重駁船的主視圖見圖5。
圖5 改造后起重駁船主視圖
本船浮式拖航及起重作業(yè)穩(wěn)性與常規(guī)起重船的校核方法無(wú)異,而作為坐底式起重駁船,需要著重關(guān)注的是坐底作業(yè)狀態(tài)下的坐底穩(wěn)性。船舶在不同坐底工況的環(huán)境載荷作用下應(yīng)具有足夠的抗傾覆能力和抵抗水平滑移的能力,并需考慮坐底礁巖底質(zhì)的承載能力。
船舶受到的傾覆載荷主要為一定吃水狀態(tài)下風(fēng)浪流載荷共同作用引起的力矩、起吊重物引起的力矩、空船重量及裝載不均勻引起的力矩。計(jì)算傾覆力矩時(shí),需考慮上述力矩的疊加的最不利影響,并假定傾覆支點(diǎn)在船舭部與船底的交匯處,坐底作業(yè)狀態(tài)下船舶載荷示意于圖6。
圖6 坐底作業(yè)狀態(tài)船舶載荷示意
對(duì)于入CCS船級(jí)的坐底式海工平臺(tái),需滿足CCS《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》第三篇第2章第5節(jié)的要求計(jì)算船舶坐底時(shí)的抗傾穩(wěn)性和抗滑移穩(wěn)性。而改造前的原貨駁入ABS船級(jí),為保證入級(jí)要求的一致性,根據(jù)使用方要求改造后起重駁船也考慮入ABS船級(jí),滿足ABS有關(guān)規(guī)范、規(guī)則要求。而ABS對(duì)于坐底式起重平臺(tái)的土地承載力和抗滑移能力沒有提出明確的衡準(zhǔn),于是采用ISO標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于海洋油氣平臺(tái)基礎(chǔ)在非標(biāo)準(zhǔn)土壤中的衡準(zhǔn)對(duì)本船進(jìn)行校核,要求礁盤底質(zhì)承載力和抗滑移能力的安全系數(shù)均不小于1.25,抗傾穩(wěn)性衡準(zhǔn)則參照美國(guó)船級(jí)社移動(dòng)平臺(tái)規(guī)范中對(duì)于自升式平臺(tái)的衡準(zhǔn)進(jìn)行校核,即傾覆力矩與復(fù)原力矩的比值不小于1.3。沉船海域現(xiàn)場(chǎng)礁巖底質(zhì)的承載能力和抗滑移摩擦系數(shù)等物理特性均由分析得出。
根據(jù)ABS規(guī)范要求計(jì)算風(fēng)載荷及流載荷。波浪載荷的獲取則相對(duì)復(fù)雜,為較準(zhǔn)確得出坐底工況的波浪載荷,項(xiàng)目組在上海交通大學(xué)海工水池進(jìn)行了坐底狀態(tài)下的各典型有義波高下的波浪載荷模型試驗(yàn),見圖7。
圖7 船舶坐底狀態(tài)下波浪載荷模型試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)
通過(guò)模型試驗(yàn)可知,在不同典型工況波浪周期以及有義波高(1.5、2、2.5、3 m)下0°、45°和90°三個(gè)浪向作用在坐底平臺(tái)的波浪載荷,將其分解為橫向、縱向和垂向3個(gè)方向的波浪力和力矩,見表1。
表1 水池試驗(yàn)結(jié)果
由表1可知,波浪作用在坐底平臺(tái)上時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的垂向作用力,在某些工況下垂向力會(huì)達(dá)到平臺(tái)對(duì)地壓力的80%以上。正向垂向力減小了平臺(tái)的對(duì)地壓力從而影響了平臺(tái)的抗滑能力和抗傾能力,而負(fù)向的波浪力則增加了平臺(tái)底部的對(duì)地壓應(yīng)力。此外,除沿船寬方向產(chǎn)生傾覆力矩外,在船長(zhǎng)方向上也會(huì)產(chǎn)生較大的縱向力矩,對(duì)船舶總縱強(qiáng)度的影響較大。
坐底工況的選取是基于船舶使用方提供的目標(biāo)海域海底礁盤現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)情況、失事船舶船體位置及打撈方案,并最終簡(jiǎn)化成4種起重船的典型坐底工況(見圖8),并將其作為坐底穩(wěn)性校核工況,其中黑色區(qū)域?yàn)榕c船底接觸的礁巖,空白區(qū)域?yàn)榻笢稀?/p>
圖8 基于現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)情況給出的4種坐底工況示意
4種典型工況的坐底面積約占平底面積的70%~75%(含沖刷面積)。每一種坐底狀態(tài)下包含多個(gè)分工況,由模型試驗(yàn)得出的3個(gè)浪向下不同有義波高下的波浪載荷及力矩極值、船上起重機(jī)的典型吊重吊向(橫向、艏向及艉向)組合而成。這些工況對(duì)船體配載的要求并不一致,需通過(guò)對(duì)壓載艙的合理配載,使得靜水載荷時(shí)的船體對(duì)地載荷分布較為均勻,以最大程度地減小因波浪載荷等動(dòng)載荷變化而引起的對(duì)地載荷突變可能發(fā)生的船體結(jié)構(gòu)破壞。結(jié)合風(fēng)、浪、流載荷及船舶配載情況,并配合考慮各種坐底工況的船體強(qiáng)度分析,計(jì)算評(píng)估底質(zhì)承載力、抗滑移和抗傾覆穩(wěn)性。
1)對(duì)底質(zhì)承載力計(jì)算如下。
(1)
式中:為考慮波浪垂向力的最大對(duì)地壓力;為對(duì)地作用面積;及為橫向及縱向傾覆力矩;及為以船體底部重心為原點(diǎn)沿橫向及縱向慣性矩;及為受力點(diǎn)與原點(diǎn)的距離,一般取船底與地面接觸處;為材料系數(shù),取1.25。
以圖8的工況A為例尾吊作業(yè)、橫浪浪向、波高2.0 m。最大對(duì)地壓力=168 762 kN,對(duì)地作用面積=2 186.63 m,包括環(huán)境載荷和非均勻裝載力矩,結(jié)合船模試驗(yàn)結(jié)果及工況配載情況,取為429 880 kN·m;同理取1 329 260 kN·m,最大受力點(diǎn)坐標(biāo)取=4994、=145,計(jì)算得接觸面慣性矩=202 980 m,=2 407 300 m。求得最大對(duì)地壓力169 kPa,許用值353 kPa,滿足作業(yè)要求。
2)抗滑移力計(jì)算如下。
=·
(2)
式中:為考慮波浪垂向力的最小對(duì)地壓力;為最大靜摩擦系數(shù);為材料系數(shù),取125。本船船底敷設(shè)有大量聚氨酯,根據(jù)青島海洋大學(xué)試驗(yàn)表明,底質(zhì)與聚氨酯的最大靜摩擦系數(shù)為=0938、與生銹鋼板的最大靜摩擦系數(shù)=061,計(jì)算實(shí)取=0.80。
以圖8工況A為例,尾吊作業(yè)、橫浪浪向、波高2.0 m。結(jié)合船模試驗(yàn)結(jié)果及工況配載,最小對(duì)地壓力=78 881 kN,環(huán)境橫向力3 500 kN,抗滑移力54 482 kN,滿足作業(yè)要求。
3)抗傾覆力臂計(jì)算如下。
=·
(3)
式中:為考慮波浪垂向力的最小對(duì)地壓力;為全船重量對(duì)傾覆支點(diǎn)的恢復(fù)力臂;為材料系數(shù),取1.30。
以圖8工況A為例,尾吊作業(yè)、橫浪浪向、波高2.0 m。結(jié)合船模試驗(yàn)結(jié)果及工況配載,傾覆力矩(含吊重及環(huán)境載荷)為949 510 kN·m,恢復(fù)力矩1 787 786 kN·m,滿足作業(yè)要求。
分析以上計(jì)算結(jié)果可知,本船在0 °浪向角可承受的最大波高3.0 m;45°浪向角可承受的最大波高2.5 m;90°浪向角可承受的最大波高2.0 m,可滿足使用方對(duì)作業(yè)的基本要求。
本船具備浮吊功能,但本船研制的主要目的是針對(duì)目標(biāo)失事船舶在特定海域及海況下的坐底打撈作業(yè)。本船的坐底工況不同于常規(guī)工程船舶的平沙地坐底,也不同于坐底平臺(tái)的坐底,船級(jí)社也沒有相應(yīng)明確的計(jì)算方法。坐底強(qiáng)度計(jì)算中需考慮以下幾點(diǎn):①坐底工況的確定:由.所述,基于現(xiàn)場(chǎng)情況確定的4種典型坐底工況,即為本船的坐底強(qiáng)度校核工況;②波浪載荷的確定:經(jīng)與ABS船級(jí)社溝通,設(shè)計(jì)前期強(qiáng)度校核暫按北大西洋海況(全球最惡劣海況)下的波浪載荷作為設(shè)計(jì)波浪載荷,但坐底打撈作業(yè)海域的波浪以涌浪為主,根據(jù)坐底工況波浪載荷模型試驗(yàn)情況,常規(guī)的波浪載荷預(yù)報(bào)方法并不適用于本船,最終將模型試驗(yàn)得出的載荷數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)波浪載荷值;③坐底強(qiáng)度校核衡準(zhǔn):按照ABS MODU RULES和BARGE RULES要求,船體梁所有部位的總縱彎曲許用應(yīng)力取175 MPa,剪切應(yīng)力取110 MPa;④坐底強(qiáng)度計(jì)算:坐底強(qiáng)度分為總縱強(qiáng)度和局部強(qiáng)度。總縱強(qiáng)度包括總縱彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度,船體梁所受的載荷包括靜水載荷和波浪載荷,波浪載荷為上述模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的載荷值。局部強(qiáng)度包括船底結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和舷側(cè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,船體在風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷及吊重載荷共同作用下產(chǎn)生傾覆力矩,海底礁盤對(duì)船底結(jié)構(gòu)提供支持力。根據(jù)土工實(shí)驗(yàn)分析海底礁盤底質(zhì)的承壓能力為353 kPa,假定船底剛性變形,船底沿船寬方向所受坐底載荷呈梯形分布,平底部分最外側(cè)載荷最大(另一側(cè)最小),見圖9。
圖9 沿船寬方向坐底載荷的分布
設(shè)計(jì)方采用 Microsoft /Excel 編寫多分段載荷積分迭代語(yǔ)言程序,設(shè)計(jì)了多分段坐底式船型結(jié)構(gòu)物對(duì)地載荷求解方法,與總體配載情況相互匹配,綜合考慮坐底穩(wěn)性、船體強(qiáng)度及環(huán)境載荷,作為對(duì)地載荷求解和船舶壓載水配載依據(jù)。通過(guò)求解各坐底工況下對(duì)地載荷(即坐底載荷),并考慮迎浪工況沿船長(zhǎng)的載荷分布以及橫浪工況沿船寬方向載荷分布,來(lái)校核船底構(gòu)件的強(qiáng)度。
舷側(cè)結(jié)構(gòu)承受波浪載荷,載荷按ABS DRILLSHIP GUIDE相關(guān)規(guī)范要求計(jì)算,見圖10,總的外載荷由靜壓力和動(dòng)壓力組成。
圖10 外板所受外部載荷示意
經(jīng)過(guò)坐底強(qiáng)度計(jì)算,本船坐底工況下的總縱強(qiáng)度、底部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和舷側(cè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均可在本船特定的坐底工況下滿足ABS船級(jí)社的要求。
本船坐底區(qū)域海底地形多變,環(huán)境載荷大小和方向莫測(cè),會(huì)引起船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力大小和應(yīng)力分布發(fā)生變化。由于船體結(jié)構(gòu)受力非常復(fù)雜,環(huán)境隨機(jī)因素造成的結(jié)構(gòu)損傷和破壞難以通過(guò)理論計(jì)算進(jìn)行預(yù)測(cè),為此,設(shè)置船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)船舶指定區(qū)域的結(jié)構(gòu)狀態(tài),對(duì)危險(xiǎn)應(yīng)力進(jìn)行報(bào)警。
該應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)應(yīng)變傳感器和溫度傳感器進(jìn)行測(cè)點(diǎn)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集,將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,得出測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值,隨后進(jìn)行總縱強(qiáng)度和局部強(qiáng)度分析評(píng)估,如超出強(qiáng)度限值要求,則發(fā)出報(bào)警信號(hào)。該系統(tǒng)配有相應(yīng)計(jì)算機(jī),提供系統(tǒng)信息界面顯示及操作,支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出以及報(bào)警信息的打印。應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件功能主要包括:傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、局部屈服強(qiáng)度評(píng)估、總縱強(qiáng)度評(píng)估、預(yù)警預(yù)報(bào)、數(shù)據(jù)管理等。
該應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)含局部屈服測(cè)點(diǎn)43個(gè),每個(gè)測(cè)點(diǎn)含1個(gè)應(yīng)力應(yīng)變儀,并配置相應(yīng)數(shù)量的溫度傳感器;總縱強(qiáng)度測(cè)點(diǎn)3組,每組測(cè)點(diǎn)含3個(gè)應(yīng)力應(yīng)變儀與1個(gè)溫度傳感器。其中,船底傳感器布置位置均布于船底外板內(nèi)縱骨/縱桁腹板,見圖11。
圖11 應(yīng)變傳感器船底布置示意
改造后的坐底式全回轉(zhuǎn)打撈起重駁船運(yùn)往新喀里多尼亞群島的杜蘭德礁區(qū),并成功地對(duì)“Kea Trader”號(hào)沉船進(jìn)行了坐底打撈作業(yè),實(shí)際工程應(yīng)用情況表明:①對(duì)無(wú)人貨駁的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)改造措施和設(shè)備配置合理可行,能有效增加該船的坐底打撈能力;②與有限元計(jì)算相比,船模坐底試驗(yàn)更能準(zhǔn)確地模擬現(xiàn)場(chǎng)坐底環(huán)境條件,從而可更為精確地得出不同環(huán)境條件下不同浪向的波浪載荷;③基于船模試驗(yàn)結(jié)果,通過(guò)計(jì)算表明改造后在一定環(huán)境條件下船舶能滿足相關(guān)規(guī)范對(duì)坐底穩(wěn)性和坐底結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求,從而為實(shí)際坐底打撈作業(yè)提供合理可靠的計(jì)算依據(jù);④船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能有效對(duì)不同坐底工況下的船底結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè),通過(guò)采取及時(shí)有效的安全措施,可進(jìn)一步保證施工作業(yè)安全。
將無(wú)人貨駁改造為坐底式全回轉(zhuǎn)打撈起重駁船,不僅能夠滿足海上浮式起重作業(yè)需求,也能滿足針對(duì)淺水礁區(qū)擱淺失事船舶的搶險(xiǎn)打撈等特殊工程項(xiàng)目的坐底起重作業(yè)需求,通過(guò)進(jìn)一步改造,還可用于沿海淺灘區(qū)域風(fēng)電設(shè)備坐底安裝作業(yè)工程,工程適用面廣。相比新建坐底式起重船,不僅投資成本少,施工周期短,同時(shí)也可為大型無(wú)人駁船的改造和舊船開發(fā)再利用提供新思路、新途徑。