對(duì)沉船《夏長(zhǎng)》輪打撈的扳正駁船的結(jié)構(gòu)改裝設(shè)計(jì)

摘? ? 要：本文通過(guò)對(duì)沉船《夏長(zhǎng)》輪打撈的扳正過(guò)程分析，對(duì)提供主要扳正力的扳正駁船的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)，并利用有限元方法進(jìn)行分析計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)扳正駁船船體結(jié)構(gòu)、扳正液壓千斤頂基座及導(dǎo)向輪基座提出設(shè)計(jì)優(yōu)化建議，為以后類似船舶結(jié)構(gòu)改裝提供參考。

關(guān)鍵詞：打撈;沉船扳正;結(jié)構(gòu)改裝;有限元分析

中圖分類號(hào)：U676.62 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Structural Modification and Analysis of Righting Barge for TRANS SUMMER Salvage

LI Jun

（ Guangzhou Salvage， Guangzhou 510260 ）

Abstract： In this paper， the 3D finite element method is applied for the structural modification design and analysis of the righting barge after analyzing the righting operation of TRANS SUMMER salvage. The suggestions for the modification of vessels structure and the righting equipments foundations are made according to the results of the finite element analysis and the reference for similar project is provided according to the results of structural analysis.

Key words： Salvage; Wreck righting; Structural modification; Finite element method

1? ? 概述

沉船整體打撈的兩大關(guān)鍵點(diǎn)是沉船的扳正與整體起浮。沉船的扳正通常是利用外部回復(fù)力矩與內(nèi)部回復(fù)力矩將沉船從較大的橫傾角度，扳正至適合進(jìn)行整體起浮的橫傾角度（通常小于10°）。

在沉船打撈過(guò)程中，大噸位大傾度沉船的扳正是打撈工程技術(shù)上的難題。扳正過(guò)程中載荷及工況的變化多樣，提供扳正力的方式也多種多樣，且大噸位沉船扳正所需扳正力大，僅通過(guò)常用的浮吊提供扳正力矩難以使沉船回正，需要額外的扳正駁船提供更多的扳正力矩，但這對(duì)扳正駁船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高。

本文重點(diǎn)分析扳正船舶的結(jié)構(gòu)改裝及強(qiáng)度，并以《夏長(zhǎng)》輪打撈工程中使用的15 000 t扳正駁船《重任1500》為例，采用有限元分析方法，根據(jù)中國(guó)船級(jí)社（CCS）規(guī)范要求，對(duì)該扳正駁船上14套液壓千斤頂拉力裝置安裝處的船體甲板和基座結(jié)構(gòu)進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)優(yōu)化及局部強(qiáng)度計(jì)算。

2? ?扳正駁船基本情況及模型

2.1 基本情況

受2013年第11號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“尤特”影響，57 000t散貨船《夏長(zhǎng)》輪于2013年8月14日在珠江口小萬(wàn)山島偏南方向約1.2 nm海域沉沒(méi)，沉沒(méi)時(shí)貨艙滿載54750 t鎳礦?！断拈L(zhǎng)》輪主尺度為：LOA×LBP×B×D=189.99×185.00×32.26×18.00 m;船舶沉態(tài)為首向170°、左傾104°、尾傾2°，沉船海域水深約22 m，低潮時(shí)右舷側(cè)全部露出水面約2.5 m。

該沉船整體打撈總體思路：首先是先扳正沉船至左傾10°以內(nèi)，然后再進(jìn)行整體起浮。但要把這艘目前世界最大的散貨沉船整體打撈出水，對(duì)現(xiàn)有打撈技術(shù)是非常重大的挑戰(zhàn)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)分析與初步計(jì)算，目前普遍采用的壓氣排水法、船舶抬撬法、浮筒打撈法、起重船打撈法、半潛駁打撈法等均無(wú)法單一滿足如此重量的大型沉船打撈。因此需要聯(lián)合使用各種打撈方法才能實(shí)現(xiàn)該沉船的整體打撈，這就要求不僅依靠浮吊提供扳正力矩，還需要增加額外的扳正力矩。為此，在扳正駁船上安裝14套液壓拉力千斤頂設(shè)備，每套千斤頂設(shè)備由兩個(gè)反力架、兩個(gè)液壓千斤頂及兩個(gè)導(dǎo)向輪組成，拉力千斤頂通過(guò)反力架及基座和船體相連，每個(gè)千斤頂能提供300 t的拉力。

拉力千斤頂設(shè)備分別安裝在駁船左右舷，左舷14個(gè)千斤頂通過(guò)鋼絲繩及導(dǎo)向輪與安裝在海底的14個(gè)吸力錨相連，用于固定扳正駁船;右舷14個(gè)千斤頂通過(guò)鋼絲繩及導(dǎo)向輪與沉船上焊接好的14個(gè)300 t眼板連接，用于扳正沉船。當(dāng)液壓千斤頂開始工作后，駁船與沉船之間鋼絲繩變短，使沉船緩慢回正（見圖1）。

根據(jù)初步校核結(jié)果和扳正系統(tǒng)類似錨機(jī)的機(jī)理，改裝設(shè)計(jì)的主要思路為：在設(shè)備基座處增加結(jié)構(gòu)與原船強(qiáng)橫梁形成強(qiáng)框架，擴(kuò)大受力范圍，分散集中力，以保證結(jié)構(gòu)受力更加均勻。

2.2? 有限元模型

2.2.1 有限元模型范圍

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社（CCS）規(guī)范要求，本文以安裝有液壓千斤頂設(shè)備甲板處及其基座局部結(jié)構(gòu)作為分析對(duì)象，進(jìn)行有限元計(jì)算，并對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核。有限元計(jì)算采用大型通用有限元分析軟件MSC.PATRAN & NASTRAN進(jìn)行。

扳正駁船的LOA×LBP×B×D = 110.0×32.0×7.5 ×5.0 m，結(jié)構(gòu)形式為縱骨架式，縱骨間距0.8 m，橫向強(qiáng)框架間距為2.5 m。

有限元模型坐標(biāo)系定義為：船長(zhǎng)方向?yàn)閄軸，正方向由船尾指向船首;船寬方向?yàn)閅軸，正方向由船中指向左舷;型深方向?yàn)閆軸，正方向由船底指向甲板?？紤]左右舷的結(jié)構(gòu)相似及簡(jiǎn)化計(jì)算模型，僅建立左舷有限元模型。

模型范圍為縱向取FR8+1.25 m～FR16+1.25 m，橫向取CL8.0 m縱艙壁到左舷外板，垂向取主甲板往下4.50 m，模型包含設(shè)備基座結(jié)構(gòu)。

2.2.2 單元類型

該扳正駁船有限元模型的甲板板、艙壁板、舷側(cè)外板、強(qiáng)橫梁及縱桁等強(qiáng)構(gòu)件的腹板均采用板單元模擬;面板、橫梁、縱骨及艙壁扶強(qiáng)材等弱構(gòu)件采用梁?jiǎn)卧M，并考慮偏心;板單元邊長(zhǎng)約0.1 m。

扳正駁船甲板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的三維有限元模型如圖2所示。

2.2.3 模型材料

該扳正駁船甲板及改裝結(jié)構(gòu)材料采用普通碳素鋼，屈服強(qiáng)度為 fy =235 Mpa;基座材料使用高強(qiáng)度鋼，屈服強(qiáng)度為fy =345 MPa;材料的密度均為7 850 kg/m3，彈性模量E=2.06*105 MPa。

2.2.4 邊界條件

由于對(duì)船體結(jié)構(gòu)及基座結(jié)構(gòu)進(jìn)行的是局部強(qiáng)度分析，因此只要在遠(yuǎn)離載荷施加位置的模型兩端及艙壁端面處施加簡(jiǎn)支約束，限制其X、Y、Z這3個(gè)線自由度，即Ux=Uy=Uz =0，其邊界條件對(duì)局部受力處的結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果影響很小。

2.3? 載荷及工況

2.3.1 結(jié)構(gòu)及設(shè)備自重

船體結(jié)構(gòu)自重通過(guò)施加慣性加速度的方法實(shí)現(xiàn)，加速度取為9.81 m/s2;千斤頂設(shè)備、反力架及導(dǎo)向輪自重分別用質(zhì)量單元模擬，質(zhì)量點(diǎn)位于其重心處，并通過(guò)MPC（多點(diǎn)約束）與設(shè)備基座加強(qiáng)構(gòu)件連接。

2.3.2 液壓千斤頂及導(dǎo)向輪載荷

依據(jù)中國(guó)船級(jí)社（CCS）規(guī)范及設(shè)計(jì)要求：?jiǎn)蝹€(gè)反力架承受300 t的水平拉力;單個(gè)導(dǎo)輪載扳正初始時(shí)刻同時(shí)承受300 t的水平拉力和與水平夾角為15°的300 t的反向拉力;計(jì)算得出水平合力為Fx=300-300*sin75°=10.2 t、垂向壓力為Fz=300*sin15°=77.6 t、動(dòng)力系數(shù)取1.25。

2.3.3橫傾

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社（CCS）規(guī)范的要求，沉船在扳正過(guò)程中扳正駁船是一直處于橫傾狀態(tài)，根據(jù)艙內(nèi)壓載水、沉船扳正鋼絲繩受力及吸力錨鋼絲繩受力情況，計(jì)算得橫傾約為5°。

2.3.4 計(jì)算工況

在扳正過(guò)程中，沉船的橫傾角度不斷變化，鋼絲繩對(duì)扳正船舶的作用力的角度也不斷變化。根據(jù)此角度的變化，設(shè)置一系列的計(jì)算工況，如表1所示。

3? ?計(jì)算結(jié)果及分析

3.1? 強(qiáng)度衡準(zhǔn)

由于該液壓千斤頂設(shè)備與錨機(jī)工作原理類似，故參考中國(guó)船級(jí)社（CCS）規(guī)范“錨機(jī)固定部分的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核建議”：各工況板單元的許用應(yīng)力為0.9*fy;板單元許用剪切應(yīng)力為0.53*fy;梁?jiǎn)卧S向許用應(yīng)力為0.8*fy。

3.2? 各工況應(yīng)力匯總

按照表1所列工況進(jìn)行計(jì)算模擬，對(duì)各個(gè)工況計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總，見表2。

上述三種工況下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，均滿足中國(guó)船級(jí)社（CCS）規(guī)范要求。最大應(yīng)力云圖，見圖3～圖5。

對(duì)于工況1和工況2，板架最大應(yīng)力出現(xiàn)在反力架基座與甲板相連受壓處，這是因?yàn)檫@個(gè)千斤頂受力后，反力架尾部被彎矩拉起，前部被壓下，由于尾部在基座縱桁和船體甲板縱桁對(duì)應(yīng)，而前部受壓處只增加了一小段甲板縱桁，受力范圍較小，故導(dǎo)致應(yīng)力較大;而對(duì)于工況3，隨著鋼絲繩和水平的夾角增大，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在導(dǎo)向輪基座及甲板處，這是因?yàn)榻嵌鹊脑龃髮?dǎo)致鋼絲繩的合力不斷增大。由此可見，模型載荷及約束條件的設(shè)置，真實(shí)地模擬了沉船扳正過(guò)程的受力情況;通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化后的計(jì)算結(jié)果，最大應(yīng)力值均比材料的許用應(yīng)小但又比較接近，證明經(jīng)過(guò)優(yōu)化的改裝設(shè)計(jì)方案的安全性有保障，經(jīng)濟(jì)性也較好。

4? ?實(shí)施效果

船體結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)、扳正反力架基座及導(dǎo)向輪基座的施工是根據(jù)結(jié)構(gòu)改裝設(shè)計(jì)及有限元的模擬、分析及優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行的，確保了整個(gè)扳正過(guò)程的安全可控（見圖6及圖7）。

實(shí)際沉船扳正過(guò)程中，改裝結(jié)構(gòu)受力處變形情況與本文計(jì)算結(jié)果是高度吻合的，證明了分析方法是合理可行的。

5? ? 結(jié)論及建議

（1）扳正過(guò)程中千斤頂反力架下的基座以及甲板處結(jié)構(gòu)的應(yīng)力較大，尤其是反力架前部處甲板應(yīng)力最大;建議設(shè)計(jì)同類安裝基座及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)時(shí)，可采用在受力方向上延長(zhǎng)基座桁材的肘板長(zhǎng)度、增大基座與甲板接觸面積，使得載荷更加均勻分布;

（2）導(dǎo)向輪處基座受力面積小、艙內(nèi)加強(qiáng)空間小，適當(dāng)增加縱向、橫向桁材與原船甲板強(qiáng)橫梁形成范圍較大的強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)，使得加強(qiáng)效果更佳;

（3）應(yīng)用三維有限元法進(jìn)行該類型的強(qiáng)度校核，其結(jié)果較常規(guī)方法更精確直觀，并可以在改裝之前進(jìn)行模擬計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化;

（4）隨著船舶大型化，打撈大型船舶的扳正力配置要求也越來(lái)越高。本文提出的改裝設(shè)計(jì)思路及計(jì)算方法，對(duì)于類似項(xiàng)目具有一定的參考價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

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