蒋 哲 黄紫岩

（1.交通运输部上海打捞局，上海 200090 2.同济大学机械与能源工程学院，上海 201804）

0 前 言

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，具体分类如图1所示[3]。

图1 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[4]。

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[5]。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[6]。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[7]。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，如图2所示[8]。

图2 “世越”号内置气囊布置示意图

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。

表1 海格隆-1000性能参数

(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。

2.1 双层气囊受力分析

对微分小块的气囊囊体材料进行受力分析，力分解如图3所示[9-10]。

图4 微分小块囊体材料受力分析。(A)为在YZ平面内的视图与在XY平面内的视图完全一致；(B)为(A)在XY平面内的视图

图中，P是气囊内向气囊外的气压；Fx、F-x、Fz、F-z是沿蒙皮切向，大致沿X、Z方向上的蒙皮内的张力；Rx、Rz是蒙皮曲面在X、Z方向上的曲率半径；Θ、β是该矩形蒙皮在X、Z两个方向上的张角；Fxx是Fx在X方向上的投影、Fxy是Fx在Y方向上的投影；lx、ly是蒙皮曲面在XZ平面内投影的矩形边长。Y方向上蒙皮受到的力包括，气囊内压P形成的压力、张力Fx、F-x、Fz、F-z在Y方向上的投影。根据材料力学分析，气囊内压P形成的压力为

由于蒙皮张力Fx、F-x、Fz、F-z在Y方向上的投影足够小，所以使用了弧度与正弦相等的近似简化公式：

根据蒙皮在X、Y、Z方向上的受力分析，构建受力平衡方程，可得：

设σx、σz为X、Z方向上的张力系数，则得到Fx、Fz的计算公式：

将公式(7)和(8)带入公式(6)中并整理，可得蒙皮内压与其曲率半径的关系：

由此可见，气囊的曲率半径越大，相同强度的材料所能承受的内压越小，故除了考虑船舱尺寸外，还需综合考虑蒙皮材料和所需提供浮力，合理地设计气囊的几何尺寸。

一般使用的柱形气囊，可以认为其Z方向上的曲率半径Rz=∞，故公式(9)可进一步简化为：

也就是说一般的柱形气囊，在确定材料的囊体周向抗拉强度和直径后，就可以根据公式(10)计算其理论许用压强。

2.2 双层气囊的爆破压强

爆破压强即气囊充气破裂的极限压强，气囊实际工作时，除通过公式(10)计算理论计算值以外，还要考虑气囊与法兰盘之间的焊缝强度。

使用超高分子量聚乙烯纤维增强TPU膜材料制备双层结构的小气囊进行充水爆破试验，气囊直径为500 mm、长度为1 000 mm、焊缝宽度80 mm。

根据公式(10)，计算爆破压强的理论值为P=1.2 MPa。充水爆破实验的实际爆破值为P'=1.05 MPa。比较理论值和实际值，1.05÷1.2×100%=87.5%，即证明焊缝的强度应大于本体强度的85%。

综上所述，气囊的爆破压强可将材料抗拉强度和气囊尺寸带入公式(10)，再乘以85%计算得出。

3 安全阀数量理论分析

3.1 安全阀数量理论计算

打捞过程中，随着船体上升气囊外压降低，气囊体积不变的情况下，为防止气囊破裂，需要通过安全阀及时放气，使气囊的内外压差不超过爆破压强。

在沉船提升过程中，我们可以认为气囊内温度不变，且处于理想状态。根据气体压力公式，可得到提升前后气体体积变化：

其中P1、P2为提升前后气囊内部压强；V1、V2为提升前后气囊原有内部气体大小。

那么提升前后，气囊应当排出气体体积为V排=V2-V1。气囊上升过程中，安全阀的排气速度v2可以根据伯努利方程：

其中，P1、P2为提升前后气囊内部压强；ρ1、ρ2为气囊内气体密度；V1、V2为安全阀排气速度，初始状态下V1=0；H1、H2为提升前后水深。

安全阀孔径为d、数量为N，则总排气孔面积为S=(Nπd2)/4。船体提升速度为v，则提升时间t=(H2-H1)/v。根据气体流量公式可得：

将前文所求V排、V2、t代入公式(13)，即可求得总排气孔面积S，从而求得排气所需安全阀的数量。

3.2 安全阀数量仿真分析

基于3.1节的安全阀数量理论计算，开展了打捞上升速度、沉船深度、气囊体积对安全阀数量的仿真分析研究。仿真参数分别设定为：空气密度40 kg/m3，上升深度1 m，海水密度1 050 kg/m3，安全阀直径5 mm。以上升速度、沉船深度为输入参数，安全阀数量为响应值，进行仿真分析，仿真结果如图5所示。

在气囊体积一定条件下，在同一沉船深度，随着上升速度的增加，安全阀数量不断增加。在气囊体积一定条件下，在同一上升速度，随着沉船深度的增加，安全阀数量不断减小。在上升速度和沉船深度二者耦合作用下，安全阀数量急剧增加。主要原因是上升速度的增加必然导致单位时间内上升的距离越大，外部海水压力越小。为保持气囊内外气压平衡，需在单位时间内排出更多气体，必然需要更多的安全阀。在保持仿真参数不变的条件下，以上升速度、气囊体积为输入参数，安全阀数量为响应值，进行仿真分析，仿真结果如图6所示。

图6 上升速度、气囊体积对安全阀数量的影响

在沉船深度一定条件下，在同一气囊体积下，随着上升速度的增加，安全阀数量不断增加。在沉船深度一定条件下，在同一上升速度，随着气囊体积的增加，安全阀数量不断增加。在上升速度和气囊体积二者耦合作用下，安全阀数量急剧增加。主要原因是气囊体积的增加必然导致气囊内部承载更多体积的气体，为保持气囊内外压力平衡，单位时间需排泄更多的气体，需更多的安全阀。在保持仿真参数不变的条件下，以沉船深度、气囊体积为输入参数，安全阀数量为响应值，进行仿真分析，仿真结果如图7所示。

图7 气囊体积、打捞深度对安全阀数量的影响

在上升速度一定条件下，在同一气囊体积下，随着沉船深度的增加，安全阀数量不断减小。在上升速度一定条件下，在同一沉船深度，随着气囊体积的增加，安全阀数量不断增加。在气囊体积和沉船深度二者耦合作用下，安全阀数量急剧增加。

4 计算实例

以50 t打捞气囊为例，进行气囊的设计计算。已知，气囊的设计浮力不小于50 t，采用双层膜结构。根据公式(14)，假设海水密度为ρ海=1 050 kg/m3，可得气囊体积不应小于 50 m3。

综合打捞船体的实际情况，可以设计气囊的直径为2.5 m，长度为10.5 m。

气囊选用的材料为海格隆-1000，安全起见认为气囊的周向抗拉强度σx=7 500 N/5 cm。

4.1 双层气囊的承压计算

双层气囊的直径为2.5 m。选用材料为海格隆-1000，其抗拉强度不小于7 500 N/5cm，由于采用双层结构，则气囊体的抗拉强度不小于15 000 N/5cm。焊接采用宽8 cm的搭接焊缝，强度不小于本体的85%。将以上数值代入公式(10)，可得：

取安全系数为5倍以上，则建议气囊的正常充气内外压强差为0.4 bar。

4.2 双层气囊的安全阀个数计算

假设安全阀孔径为d=5 mm，水深为h=300 m，沉船提升速度为v=2 m/min。气囊长度为10.5 m，体积约为51.5 m3。

根据公式(15)可以计算得，初始位置海水压强为P海=3.09 MPa，则气囊内压强为P1=3.13 MPa，提升2 m之后，气囊内压强为P2=3.11 MPa，将数据代入公式(11)，可计算得V排=0.33 m3。

初始状态下空气密度为ρ1=40 kg/m3，提升过程中假设空气密度不变，代入公式(12)可计算得安全阀排气速度为v2=32.2 m/s。总安全阀排气孔面积为S=N*1.96×10-5m2，提升时间t=60 s，将以上数值代入公式(13)中可以求得，N=8.71≈9个，即安全阀不少于9个。

综上所述，50 t双层气囊使用海格隆-1000作为囊体材料，直径2.5 m，长度10.5 m，法兰盘与囊体之间焊接接缝宽度为8 cm。使用过程中充气压强与外部海水压强差不超过0.4 bar，法兰盘上安装安全阀个数为9个。

5 结 论

本文根据沉船打捞实际需求，分析气囊材料力学性能，设计了内置双层气囊结构。结合气囊工作状态，开展了受力分析及气囊爆破压强分析。基于气囊内外压平衡条件，对安全阀数量进行了理论计算。采用控制变量法，分析了沉船深度、气囊体积及上升速度对安全阀数量的影响。仿真结果表明，随着沉船深度，安全阀数量不断减小；随着气囊体积和上升速度的增加，安全阀数量不断增加。最后，针对50 t打捞气囊，进行了气囊的设计计算。设计结果为：囊体材料为海格隆-1000，直径2.5 m，长度10.5 m，法兰盘与囊体的焊缝宽度为8 cm。内外压差不超过0.4 bar，安全阀为9个。本文提出了一种用于大吨位沉船打捞的双层气囊的设计与计算方法，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，避免起浮过程中船体的损坏，适应深海高压作业环境，具有一定的工程应用价值。