“世越”号打捞柔性气囊设计方案
杨鹏 王伟平 蒋岩 汪有军
摘要：2017年3月22日，沉没1 077天的“世越”号在上海打捞局590天的紧张施工下缓缓浮出水面，举世瞩目。以侧卧的姿态从44m水深整体打捞出水重达万吨的沉船被称作世界打捞史上的奇迹。在“世越”号打捞项目最关键的船头起吊过程中，为了建立足够的浮力，除了在难船外部安装橡胶浮筒、钢质打捞浮筒等助浮设备外，新发明的内置柔性气囊发挥了关键的作用。本文从试验的角度对内置气囊的开发过程进行详细介绍。
关键词：“世越”号 整体打捞 柔性气囊 浮力建立
1 概述
2014年4月16日，韩国载有476人的“世越”号客轮在全罗南道珍岛郡海域发生浸水事故后沉没。该事故造成304人死亡，142人受伤，9人下落不明。为寻找9名遇难者遗骸并调查客轮沉没原因，2015年4月22日，韩国政府决定打捞“世越”号。通过激烈的国际竞标，上海打捞局和韩国海洋工程公司在全球25家顶级打捞公司组成的7个联合体竞标中凭借钢梁托底这一人性化施工方案脱颖而出。为了在难船船底安装33根托底钢梁，根据施工方案，需要将难船船首吊起到10m高度。由于难船在海底的净重为7 000多吨，考虑到船体结构较弱，为了尽可能减少集中受力和弯矩，在吊船首过程中必须想尽一切办法来增加船首的自浮力和外部浮力。
除舱室充气、外挂浮筒等常规助浮措施之外，为了充分利用船体内部的空间，通过各种试验和分析，我们开发出了一种柔性的内置助浮气囊，该气囊在“世越”号打捞工程难船吊首过程中发挥了重大的作用。
2设计试验
2.1理论设计
根据需要，内置气囊的内外压差上下限有两个因素来决定：
（1）为了保证内置气囊充满，能够提供最大的浮力，内外压差必须大于某个阈值，该阈值即为气囊上下方压差的最大水头压差，这是气囊内外压差的下限。
（2）由于气囊的质量轻，材料薄，气囊本体有一定的强度限制，这决定了气囊的内外压差不能超过某个阈值，这是气囊内外压差的上限。设计的气囊长度为10m，直径为2m，为保证内置气囊始终充满，气囊的内外最小压差约为1bar。考虑一定的余量，气囊的材料要保证其材质最少能够承受1.5bar的内外压差。
参考气囊蒙皮的相关理论，气囊的计算适用蒙皮计算公式。
蒙皮计算公式：
其中P为气囊内向气囊外的压力；
和是蒙皮曲面在X、Z方向上的曲率半径，单位为m；
和为蒙皮张力系数，单位为N/m。
假设气囊为筒状，，则
由此可见，气囊的筒体部分横向张力与气囊的曲率半径成正比。气囊越大，承受同样的内外压差P，对材料的强度要求越高。基于此公式，我们可以通过小样试验大致估算气囊的爆破强度，从而大大提高气囊试验的效率，减小气囊试验的成本。
气囊计划安装在“世越”号难船的船舱内，舷侧由于有很多结构物而高低不平，因此要求气囊具备一定的抗穿刺性能。考虑到需要潜水员进入船体安装气囊，要求气囊重量轻且柔性好，便于在难船中安装布放。另外，气囊要有一定的强度，保证其不因囊体内外差压过大而破裂。针对以上的要求，我们进行了多方面的有针对性的试验以保证最终设计方案的可靠。
2.2穿刺试验
为了提高气囊的穿刺性能，我们采用了一种新型高分子复合材料作为内置气囊制作本体材料，该材料为聚氨酯和改进型超高分子量聚乙烯纤维织物的复合材料，该材料具有极强的抗拉性能，普通的剪刀很难剪断。此外，在材料外表喷涂一种得到成熟应用的聚脲材料，从而大大增强本体的抗穿刺性能。针对穿刺试验，我们做了若干个Φ40cm x80cm小样（见图2.1所示），在小样的外表分别喷涂0.6mm、1.0mm厚度的聚脲。穿刺试验方法：将气囊小样放入如图2.2所示40cm x40cm的一个矩形铁框中，框中的一侧开孔并安装固定螺杆，之后对气囊小样注水增压，加压过程为逐步加压，每加压一段时间，暂停加压，观察气囊的状态后，再进行加压。加压时除了查看气囊螺杆顶压处的状况，也要注意气囊的密封性能，观察气囊是否存在渗水、漏水的情况。
图2.1试验气囊小样尺寸图
图2.2试验气囊试验框架
试验通过铁框上固定螺杆伸出的长度判断气囊抗穿刺能力。试验的最大的压力为0.4bar，选用的螺杆直径为10mm，试验的气囊喷涂聚脲厚度分别为0.6mm，1mm。
试验开始后，通过高压水泵向试制的气囊小样里注水。气囊慢慢变饱满，螺杆端部开始接触气囊，随着气囊内压变大，气囊螺杆接触位置周边的凹陷区域范围越来越小，当内压达到0.4bar时停止冲压，查看气囊破裂情况。如果气囊破裂，则记录此时螺杆长度；如果气囊未破裂则卸掉气囊的内压，加长螺杆长度，再次进行试验。试验测得的结果见表2.1，通过试验可知，聚脲的厚度的增加能够显著改善气囊的抗穿刺性能，在气囊的外表喷涂一定厚度的聚脲材料，则可以复合出一种抗穿刺的高强度材料以满足气囊的设计需要。
2.3抗压试验
2.3.1 试验1
气囊的抗压性能也是气囊关注的特性之一。试验时对气囊进行持续冲压，通过压力表来测量气囊爆破时的压力值，观察破裂形式便于后续研究。
试验结果显示爆破压力为2.5bar，破裂形式为气囊端部材料本体焊接位置出现撕裂。材料的热合焊缝强度较弱，材料搭接焊缝需要进行改进。
由于我们希望能够做直径2m左右的气囊，根据气囊表面张力与曲率半径的反比关系，要实现气囊承受1.5bar的压差，气囊小样最小能承受7.5bar的压差。由此可知，气囊的抗压性能还需改进。
2.3.2 试验2
总结试验1的经验，我们改进了材料本体接口焊缝的焊接形式，加强了复合材料的材料强度，改变气囊小样的尺寸至110cm X Φ50cm，气囊的结构形式变为双层套装形式。通过测试，气囊的抗压能力达到10.5bar。气囊的破裂形式见图2.5。
结合试验小样的尺寸及气囊爆破的试验压力，3m气囊的换算压力为1.75bar。满足1.5bar要求。在气囊爆破之前，气囊的水密性良好，不存在渗水、漏水的情况出现。
2.4综合试验
结合穿刺试验和爆破试验的测试结果，在内置气囊成品生产之前，我们做了尺寸为10mxΦ2.5m的双层气囊耐压试验。测试所用钢框内部结构形式按照“世越”号船体内部结构设计。保证与内置气囊接触的钢结构形式、尺寸与“世越”号内部船体一致。从而较真实的模拟气囊在船体内的受压状况以检测气囊的抗穿刺性能和耐压性能。如图2.6所示，实尺寸气囊的综合试验设施。气囊置于一个大的钢框内，钢框下四角各固定一个重块，使钢框与重块的重力大于气囊提供的浮力。实验前将气囊充滿并固定在钢框上，并为气囊接上充气管。试验时，将铁框钢丝挂钩吊机上，并将气囊内压加到0.5bar，之后将铁框吊放入水，之后通过连接到气囊充气管上的压力表检测气囊内压。由于气囊端头安装有0.5bar的泄压阀，当气囊内外压差超过0.5bar时，气囊的泄气阀开始泄气，气囊内外压差始终保持不变。
通过测试，气囊的抗穿刺性能和耐压性能得到了再次验证，气囊的工作性能良好，能够满足设计要求。之后，对气囊的固定缆绳、充气阀组进行了改进之后，气囊的设计确定并投入生产。
2016年7月28日，交通运输部上海打捞局成功实施将难船船首吊离海底10m并成功实施安装18根钢梁。在此过程中安装在难船中的27只内置气囊成功提供了约800t浮力，该浮力沿着难船船体分布，有效地保护了难船船体受到大的集中载荷和集中弯矩。为保护难船结构，减少船首吊力起到了关键的作用。
3 总结
高分子复合材料内置柔性气囊的设计是一个创新，该气囊在打捞行业中的第一次使用比较成功，虽然在设计上还有考虑不周的情况，但是该气囊的发明在打捞行业中为助浮开辟了第二战场。该柔性气囊重量轻、柔性大、材料强、抗穿刺，在相对复杂的难船船舱内也可以保证完整性并提供较大的浮力。随着该气囊设计的不断完善，工艺的成熟未来该高分子复合材料气囊一定会在更多领域得到更为广泛的应用。
参考文献：
[1]飞艇气囊压力与蒙皮张力的估算，王文隽等，《宇航学报》第28卷第5期.
摘要：2017年3月22日，沉没1 077天的“世越”号在上海打捞局590天的紧张施工下缓缓浮出水面，举世瞩目。以侧卧的姿态从44m水深整体打捞出水重达万吨的沉船被称作世界打捞史上的奇迹。在“世越”号打捞项目最关键的船头起吊过程中，为了建立足够的浮力，除了在难船外部安装橡胶浮筒、钢质打捞浮筒等助浮设备外，新发明的内置柔性气囊发挥了关键的作用。本文从试验的角度对内置气囊的开发过程进行详细介绍。
关键词：“世越”号 整体打捞 柔性气囊 浮力建立
1 概述
2014年4月16日，韩国载有476人的“世越”号客轮在全罗南道珍岛郡海域发生浸水事故后沉没。该事故造成304人死亡，142人受伤，9人下落不明。为寻找9名遇难者遗骸并调查客轮沉没原因，2015年4月22日，韩国政府决定打捞“世越”号。通过激烈的国际竞标，上海打捞局和韩国海洋工程公司在全球25家顶级打捞公司组成的7个联合体竞标中凭借钢梁托底这一人性化施工方案脱颖而出。为了在难船船底安装33根托底钢梁，根据施工方案，需要将难船船首吊起到10m高度。由于难船在海底的净重为7 000多吨，考虑到船体结构较弱，为了尽可能减少集中受力和弯矩，在吊船首过程中必须想尽一切办法来增加船首的自浮力和外部浮力。
除舱室充气、外挂浮筒等常规助浮措施之外，为了充分利用船体内部的空间，通过各种试验和分析，我们开发出了一种柔性的内置助浮气囊，该气囊在“世越”号打捞工程难船吊首过程中发挥了重大的作用。
2设计试验
2.1理论设计
根据需要，内置气囊的内外压差上下限有两个因素来决定：
（1）为了保证内置气囊充满，能够提供最大的浮力，内外压差必须大于某个阈值，该阈值即为气囊上下方压差的最大水头压差，这是气囊内外压差的下限。
（2）由于气囊的质量轻，材料薄，气囊本体有一定的强度限制，这决定了气囊的内外压差不能超过某个阈值，这是气囊内外压差的上限。设计的气囊长度为10m，直径为2m，为保证内置气囊始终充满，气囊的内外最小压差约为1bar。考虑一定的余量，气囊的材料要保证其材质最少能够承受1.5bar的内外压差。
参考气囊蒙皮的相关理论，气囊的计算适用蒙皮计算公式。
蒙皮计算公式：
其中P为气囊内向气囊外的压力；
和是蒙皮曲面在X、Z方向上的曲率半径，单位为m；
和为蒙皮张力系数，单位为N/m。
假设气囊为筒状，，则
由此可见，气囊的筒体部分横向张力与气囊的曲率半径成正比。气囊越大，承受同样的内外压差P，对材料的强度要求越高。基于此公式，我们可以通过小样试验大致估算气囊的爆破强度，从而大大提高气囊试验的效率，减小气囊试验的成本。
气囊计划安装在“世越”号难船的船舱内，舷侧由于有很多结构物而高低不平，因此要求气囊具备一定的抗穿刺性能。考虑到需要潜水员进入船体安装气囊，要求气囊重量轻且柔性好，便于在难船中安装布放。另外，气囊要有一定的强度，保证其不因囊体内外差压过大而破裂。针对以上的要求，我们进行了多方面的有针对性的试验以保证最终设计方案的可靠。
2.2穿刺试验
为了提高气囊的穿刺性能，我们采用了一种新型高分子复合材料作为内置气囊制作本体材料，该材料为聚氨酯和改进型超高分子量聚乙烯纤维织物的复合材料，该材料具有极强的抗拉性能，普通的剪刀很难剪断。此外，在材料外表喷涂一种得到成熟应用的聚脲材料，从而大大增强本体的抗穿刺性能。针对穿刺试验，我们做了若干个Φ40cm x80cm小样（见图2.1所示），在小样的外表分别喷涂0.6mm、1.0mm厚度的聚脲。穿刺试验方法：将气囊小样放入如图2.2所示40cm x40cm的一个矩形铁框中，框中的一侧开孔并安装固定螺杆，之后对气囊小样注水增压，加压过程为逐步加压，每加压一段时间，暂停加压，观察气囊的状态后，再进行加压。加压时除了查看气囊螺杆顶压处的状况，也要注意气囊的密封性能，观察气囊是否存在渗水、漏水的情况。
图2.1试验气囊小样尺寸图
图2.2试验气囊试验框架
试验通过铁框上固定螺杆伸出的长度判断气囊抗穿刺能力。试验的最大的压力为0.4bar，选用的螺杆直径为10mm，试验的气囊喷涂聚脲厚度分别为0.6mm，1mm。
试验开始后，通过高压水泵向试制的气囊小样里注水。气囊慢慢变饱满，螺杆端部开始接触气囊，随着气囊内压变大，气囊螺杆接触位置周边的凹陷区域范围越来越小，当内压达到0.4bar时停止冲压，查看气囊破裂情况。如果气囊破裂，则记录此时螺杆长度；如果气囊未破裂则卸掉气囊的内压，加长螺杆长度，再次进行试验。试验测得的结果见表2.1，通过试验可知，聚脲的厚度的增加能够显著改善气囊的抗穿刺性能，在气囊的外表喷涂一定厚度的聚脲材料，则可以复合出一种抗穿刺的高强度材料以满足气囊的设计需要。
2.3抗压试验
2.3.1 试验1
气囊的抗压性能也是气囊关注的特性之一。试验时对气囊进行持续冲压，通过压力表来测量气囊爆破时的压力值，观察破裂形式便于后续研究。
试验结果显示爆破压力为2.5bar，破裂形式为气囊端部材料本体焊接位置出现撕裂。材料的热合焊缝强度较弱，材料搭接焊缝需要进行改进。
由于我们希望能够做直径2m左右的气囊，根据气囊表面张力与曲率半径的反比关系，要实现气囊承受1.5bar的压差，气囊小样最小能承受7.5bar的压差。由此可知，气囊的抗压性能还需改进。
2.3.2 试验2
总结试验1的经验，我们改进了材料本体接口焊缝的焊接形式，加强了复合材料的材料强度，改变气囊小样的尺寸至110cm X Φ50cm，气囊的结构形式变为双层套装形式。通过测试，气囊的抗压能力达到10.5bar。气囊的破裂形式见图2.5。
结合试验小样的尺寸及气囊爆破的试验压力，3m气囊的换算压力为1.75bar。满足1.5bar要求。在气囊爆破之前，气囊的水密性良好，不存在渗水、漏水的情况出现。
2.4综合试验
结合穿刺试验和爆破试验的测试结果，在内置气囊成品生产之前，我们做了尺寸为10mxΦ2.5m的双层气囊耐压试验。测试所用钢框内部结构形式按照“世越”号船体内部结构设计。保证与内置气囊接触的钢结构形式、尺寸与“世越”号内部船体一致。从而较真实的模拟气囊在船体内的受压状况以检测气囊的抗穿刺性能和耐压性能。如图2.6所示，实尺寸气囊的综合试验设施。气囊置于一个大的钢框内，钢框下四角各固定一个重块，使钢框与重块的重力大于气囊提供的浮力。实验前将气囊充滿并固定在钢框上，并为气囊接上充气管。试验时，将铁框钢丝挂钩吊机上，并将气囊内压加到0.5bar，之后将铁框吊放入水，之后通过连接到气囊充气管上的压力表检测气囊内压。由于气囊端头安装有0.5bar的泄压阀，当气囊内外压差超过0.5bar时，气囊的泄气阀开始泄气，气囊内外压差始终保持不变。
通过测试，气囊的抗穿刺性能和耐压性能得到了再次验证，气囊的工作性能良好，能够满足设计要求。之后，对气囊的固定缆绳、充气阀组进行了改进之后，气囊的设计确定并投入生产。
2016年7月28日，交通运输部上海打捞局成功实施将难船船首吊离海底10m并成功实施安装18根钢梁。在此过程中安装在难船中的27只内置气囊成功提供了约800t浮力，该浮力沿着难船船体分布，有效地保护了难船船体受到大的集中载荷和集中弯矩。为保护难船结构，减少船首吊力起到了关键的作用。
3 总结
高分子复合材料内置柔性气囊的设计是一个创新，该气囊在打捞行业中的第一次使用比较成功，虽然在设计上还有考虑不周的情况，但是该气囊的发明在打捞行业中为助浮开辟了第二战场。该柔性气囊重量轻、柔性大、材料强、抗穿刺，在相对复杂的难船船舱内也可以保证完整性并提供较大的浮力。随着该气囊设计的不断完善，工艺的成熟未来该高分子复合材料气囊一定会在更多领域得到更为广泛的应用。
参考文献：
[1]飞艇气囊压力与蒙皮张力的估算，王文隽等，《宇航学报》第28卷第5期.
