深度 | 我国大吨位沉船打捞技术有了重大突破！
▲液压链式提升器。
科技兴局，在交通运输部烟台打捞局“十三五”规划中，被赋予了和主业立局、市场强局同等重要的地位，标志着提升科技创新能力已成为该局当前和未来战略布局的重中之重。
日前，由烟台打捞局承担的交通运输部重点课题“大吨位沉船整体打捞探测、起浮技术及装备”项目(简称“大吨位沉船打捞”项目)通过预验收，并完成海试。研究历时三年，是在交通运输部的大力支持下，集合行业内外资源共同参与完成的力作。
“大吨位沉船打捞”项目包含4个子课题，解决了我国大吨位沉船整体打捞过程中面临的沉船探测、起浮等核心问题，重点突破了大吨位沉船水底姿态探测、沉船船体损伤高清晰观测、模拟沉船打捞的计算机处理、可视化监控与指挥、链式液压同步提升技术、冷态磨料水射流开孔等重大关键技术。该项目申请计算机软件著作权3项、发明专利3项、实用新型专利1项，在国内外期刊发表高水平论文20余篇，显著提升了我国大吨位沉船抢险打捞综合技术能力，有助于提升我国快速处置大吨位船舶遇险、沉没等重特大事件的能力，进一步提高了海上交通安全和应急保障水平，树立起一个负责任的大国形象。
近年来，随着全球低碳经济发展，船舶大型化发展趋势愈加明显，大吨位船舶和舰艇不断增多，海上应急抢险打捞形势愈加严峻。一旦大吨位船舶在我国港区或主航道沉没，打捞能力不足可能造成“一船沉没、全港瘫痪”。这给我国海上专业打捞队伍敲响了警钟。
面对如此严峻的形势，“大吨位沉船打捞”项目的顺利完成，可谓是我国救捞水平提升的一场及时雨。课题经费由部拨款500万元，烟台打捞局自筹1500万元。研究过程由烟台打捞局联合大连海事大学、部天津水运工程科学研究院、广西柳州欧维姆机械股份有限公司共同完成。
真金白银的投入，联合跨行业、跨地域科研人员与工程师共同参与、倾心钻研，这对于已经完成转制改革、时刻面临市场竞争压力的烟台打捞局尤为不易。其背后，是该局对供给侧结构性改革的顺势而为，是对海洋工程未来趋势的理性判断，是对自身转型发展与能力建设的主动自觉，更是对中国走向深蓝、建设海洋强国的一份责任与担当。
“目前西方发达国家沉船打捞技术正在向大吨位、快速打捞方向发展，必须大力提升我国大吨位沉船应急抢险打捞能力和技术水平，以保障我国港口、航道等战略资源的安全。海洋工程在海洋业务中处于最尖端的领域，未来水下仍有无限探索的空间。烟台打捞局今后还将继续加大科技投入，希望能够与中国救捞同行一道，尽早占领世界救捞领域战略高地。”烟台打捞局相关负责人告诉记者。
言必信，行必果。近年来，烟台打捞局持续强化科技信息化支撑作用，一批以“大吨位沉船打捞”项目为代表的新技术、新工艺研发应用成效显著。
一边是忠诚履行公益性抢险打捞职责，努力适应国家和社会越来越高的应急救援保障期待，关键时刻发挥关键作用;另一边是在竞争激烈的国际救捞市场参与充分竞争，通过科技引领闯市场、增效益。烟台打捞局已经启程，在科技兴局的路径下探索前行。
大吨位液压链式起重技术与装备研究
拉力无限提升 更深更稳
老办法解决不了新问题，传统的浮筒、浮吊打捞方法，受海况、空间等条件的限制，越来越难以完成深水条件下大吨位沉船打捞作业。
近年来，烟台打捞局在深水大吨位沉船打捞领域，不断探索实践，并联合企业、院校积极开展科研攻关：从2009年“畅通”轮打捞工程中应用的钢绞线液压千斤顶，到如今课题研制成功的链式千斤顶。这些液压提升装置的应用，对深水大吨位沉船打捞整体技术的提升，起到了至关重要的作用。
“畅通”轮艉段打捞工程在我国沉船打捞史上写下了厚重的一笔：当时难船舱室损坏严重，完全丧失内浮力，加之舱内积满淤泥，无异于一坨万吨级的“铁疙瘩”。同时，机舱内重油满仓，一旦泄漏，将造成重大海洋环境污染，因而解体打捞亦无施展之地。
将陆上用的钢绞线液压拉力千斤顶应用于打捞作业!烟台打捞局在一筹莫展中大胆思考。
有了“灵感”，如何实施?烟台打捞局遍访全国机械制造商，最终与柳州欧维姆公司合作，一举攻克了千斤顶在驳船上的固定、导向与生根等技术难题，成功研制了450吨拉力的液压千斤顶系统，前后投资近3000万元，生产出了打捞所需的28台千斤顶系统。由此，“畅通”轮艉段打捞得以圆满完成。
钢绞线液压千斤顶在打捞工程中的首次成功运用，为烟台打捞局开拓思路、勇于创新、联合攻关提供了成功的案例，增强了全局以科研为引领、提升中国打捞技术的决心，更为课题中链式千斤顶的成功研制打下坚实基础。
如果说钢绞线千斤顶解决了大吨位的问题，那么，链式千斤顶便解决了深水环境中大吨位沉船打捞的问题。在“畅通”轮打捞工程中，拉力千斤顶被分别固定在驳船一舷的甲板上，通过钢绞线连接器，带动钢丝绳移动抬升沉船。千斤顶提升的长度受制于驳船宽度。目前，我国驳船最大宽度在70米左右，这就意味着钢绞线的提升水深最大不足70米。能否发明一双可以无限提升的“手”以满足更大水深的打捞?链式千斤顶的研制被列入此次课题项目中。
链式千斤顶内的一根链条，就像一根拔河用的粗绳，没有一双强壮的双手，根本无法控制它。
烟台打捞局再次与柳州欧维姆公司联手，不断优化链式牵引车总体结构设计，持续完善链条夹持结构的合理设计和导向轮装置研究，通过对结构强度和刚度反复进行设计校核试验，加大对符合强度条件的链条抗腐蚀性、耐磨性的研究力度，最终研制出一种强大的夹持装置，使链条在提升过程中保持平稳提升，环环相扣，不受长度限制。这一装置的自主研制、独立生产，一举打破了国外技术的垄断。
打捞沉船时，作业船舶会随风浪上下浮动，这给沉船的同步提升带来了很大干扰。在风浪作用下，抬升一千吨重物有时相当于平时抬升几千吨的重量，千斤顶极易因超负荷而损坏，甚至加剧沉船破损。
为应对风浪影响，项目开展了波浪补偿技术研究，并成功研制出缓冲稳定装置。它如同一根“定海神针”，当风浪过大时，通过调整千斤顶的力量、空间感，再经由链条加以传导，控制沉船位置和稳性，抵抗风浪加速度，即便风起浪涌，沉船也可以按照预设方案稳稳起浮。
荷兰马蒙特公司采用液压同步提升技术，成功打捞俄罗斯“库尔斯克号”核潜艇。该公司采用26套液压起重缸驱动提升钢缆，每套起重缸配备波浪补偿系统，有效控制了船舶摇摆对同步提升系统的影响。在国内，烟台打捞局利用多组钢绞线液压千斤顶提升技术打捞“畅通”轮。由于风浪等的影响，曾出现过单根钢缆受力过大的现象。
针对之前打捞工程中存在的问题，本项目对大吨位液压链式起重系统中的关键技术和装备展开研究，主要内容包括：链式液压同步提升系统机构设计、多缸同步提升控制技术及波浪补偿技术研究。
大吨位沉船水下姿态及损伤探测关键技术研究
让海底世界更清晰
沉船所处环境，水体往往比较浑浊，摸清沉船的水下姿态、局部损伤和水底底质情况，对于打捞方案的制定十分关键。
烟台打捞局携手企业和研究机构，推出“三大利器”，圆满解决了上述问题。
在打捞工程前期准备阶段，项目团队将多波束声呐系统和三维声学扫描声呐有机结合以获取沉船三维点云模型。多波束声呐系统，主要以船载方式获取沉船上侧面的点云数据，来探测沉船位置和姿态。而用水下ROV搭载三维声学扫描声呐则能够在水下根据不同物体的反射频率，判定沉船四周侧面及其周边物体的基础数据，大大提升了设计方案的合理性。
如果说三维点云模型解决了沉船水下姿态的整体探测问题，那么水下低照度照相机的研制成功，便解决了局部损伤观测清晰度的问题。
相关打捞专家介绍说，以前损伤探测往往依靠潜水员目测，或利用皮尺粗测量，需要使用水下照相机时，潜水员只能将装满清水的塑料袋放在船体破损处，再将相机贴在塑料袋表面，实施拍摄作业。即便如此，拍摄出的照片也存在较多噪点，影响决策人员判断。损伤探测基本属于盲人摸象。
如今，水下低照度照相机的研制成功，让潜水员变身摄影师。在低照度环境下，该相机的性能与陆上相机相比，亦毫不逊色，在浑浊的水下，可以拍摄到人眼无法看到的景象，可谓“火眼金睛”。
此外，水底底质情况复杂，在开展打捞作业时，需对其进行判断。例如，沉船部分插入海底或攻打千斤洞时，都需要判断沉船周边详细地层状况。剖面仪在打捞作业中的应用，使海底底质判断难题迎刃而解。
本项目针对大吨位沉船水下姿态探测中存在的问题，改进现有船载多波束声呐沉船姿态探测方法，同时研究水下大吨位沉船姿态探测方法，将三维声学扫描声呐搭载于水下ROV载体，在不同的位置与角度对大吨位沉船进行探测，形成大吨位沉船的三维点云模型，获取沉船的水下姿态。在此基础上，研究将三维点云数据与可见光图像进行融合，形成水下沉船的三维复合图形，可用于综合判断大吨位沉船的姿态和局部损伤情况。此外，针对大吨位沉船高清晰观测中存在的问题，项目成功研制水下低照度摄像机，可在浑浊水体中获取较清晰的可见光图像。
▲2009年，烟台打捞局利用技术创新成功打捞“畅通”轮艉段。
沉船打捞计算机模拟和辅助决策技术研究
模拟全程打捞 水下版“嫦娥登月”面世
大吨位沉船打捞需要投入大量人力和物力。借助计算软件制定合理的打捞方案，可确保资源的有效、精准投放，事半功倍。
以往相关软件之间无法实现数据共享，软件数据相互调用和读取，需要人力中转。项目成功搭建了打捞方案辅助设计平台，实现了实时数据的交互调用，较之以往，效率得到显著提升。为打捞力量的快速、精准配备提供了支撑，提高了前期打捞方案设计效率，缩短了工作周期，节约了工程成本。
打捞方案辅助设计平台融合了多个软件，主力软件包括打捞计算软件(GHS)、水动力分析软件(HydroSTAR)、局部强度校核三种软件，可快速计算沉船打捞吨位、重量分布、浮态和稳性、拖航状态、拖航阻力及风浪影响等方面数据。借助辅助设计平台，软件数据交互融合，对沉船状态及打捞过程进行快速仿真、模拟和计算，大大缩短了方案制定时间。
该平台的设计应用在国内外尚属首次，也标志着我国打捞信息处理技术迈上了一个新台阶。
“嫦娥三号”缓缓展开一对银翅的画面，深深地印在国人心中。如今，依托项目开发的沉船救捞计算机模拟一体化集成监控平台，水下版的“嫦娥登月”三维模型宣告面世。
打捞沉船时，潜水员在沉船关键部位布设传感器，将采集的数据回传至终端并驱动沉船三维模型，现场指挥在救捞母船上通过界面实时观测沉船状态信息，界面上同步显示兜底千斤拉力、千斤顶提升力、沉船姿态、沉船提升速度等信息。数据与画面高度交互，实现了打捞过程的可视化，为构建打捞决策指挥系统提供了重要数据图像支撑。
2007年，烟台打捞局在“奋威”轮打捞工程中，首次采用GHS软件(计算沉船的浮态与稳性)，大幅度提升了打捞方案设计的效率与精度，开创了国内打捞工程引入计算机辅助设计与计算的先河。
但软件平台功能单一、各软件间数据格式不统一、数据跨平台分析尚需人工完成等问题，限制了方案设计效率的进一步提高。为此，项目开发了沉船打捞方案计算机设计与模拟仿真系统，实现了多软件之间的数据传导与交换。
在过往沉船打捞工程中，传感器采集的数据，以多种形式分别显示在对应的终端设备上，决策者无法实时掌握全面数据。项目开发了一套通用的一体化集成监控平台。该平台将多种传感器的数据信息融合显示于单一的终端设备。此外，项目还研制出一种基于虚拟现实的实时监控技术，通过数据驱动的方式，在虚拟的环境中实时显示打捞过程，实现了打捞过程的可视化。
▲海试现场。
超高压水射流船体开孔技术与装备研究
远程遥控 “水刀”智能开孔
水面上下虽只有一线之隔，却存有巨大差别。一颗在陆地射程可达1000米的子弹，在水中射程可能只有两米左右。水的阻力对射程造成了极大影响。为实施沉船开孔作业并提高效率，项目开发了磨料水射流技术，简单说就是在水中用高压水流穿透3厘米厚的钢板，即使面对巨大的水阻，也轻而易举。
以往开孔作业是通过热切割实施。热切割的原理是火焰切割，这种方法虽然速度快，效率高，但火焰遭遇沉船中的油气混合物，极易引起爆炸。与之相较，磨料水射流属于冷切割，切割媒介由水和石榴石组成，切割形态如同一把水刀，在水中可快速实施开孔作业，切割油舱无任何爆燃隐患。
打捞技术专家表示，该装置适用于水下100米的开孔作业，研究成果填补了国内相关技术领域的空白。
如今，潜水员只需下潜到开孔位置，将“水刀”通过磁性装置吸附在船体上即可。技术人员在打捞母船上手持操控盒，根据钢板厚度设置相应的切割速度，“水刀”便可在遥控下高速打击船体表面，自动画出完美的圆圈。切割完毕后，潜水员下水将切割装置取出即可。
一把“水刀”，看似普通，却经过了三年上百次试验，实现了水下冷切割中国制造的华丽转身。
传统的水下电氧切割和等离子切割等热切割技术，在储存有石油及易燃易爆危险品沉船打捞中不能使用。水下切割开孔任务只能倚赖工作性能良好的水下冷切割工具与系统。超高压磨料水混合射流切割开孔技术采用高压水驱动磨料高速打击船体表面，实现对船体钢板的高效切割。海水围压下，较大厚度船体钢板的切割能力和切割效率问题，及切割装置在复杂沉船壁面上的平稳固定问题，限制了磨料水混合射流切割系统在沉船船体切割中的应用。
项目开展了海水围压下冷态磨料高压水射流切割特性研究，超高压水射流开孔切割执行机构与沉船附壁结构设计，解决了上述问题，研制出了一套水下沉船船体冷态切割开孔及附壁固定装备。
1.将陆域技术“嫁接”到海上
2007年，在国内首次将陆基非开挖技术应用于海上沉船打捞攻打过底千斤洞工作中，替代潜水员水下人工作业，极大提高了攻打千斤洞施工效率，解放了人力资源，降低了作业安全风险，开创了救捞工艺新的里程碑。
2.运用计算机控制技术
2009年，在国内首次开创“计算机控制液压同步提升沉船打捞技术”，并在“畅通”轮艉段打捞工程中成功应用。
3.不断引入计算软件
2008年，引进GHS、ABAQUS等工程软件并将其首次应用到“畅通”轮打捞工程。2012年引进SACS软件，为打捞方案的制定和工程决策提供了有力依据。
4.实现快速清障
2014年，引进大吨位水下打捞抓斗并制定了相关作业程序，大大加强了快速清障打捞能力。
5.攻克水下开孔难题
2014年，自行设计建造了新型水下液压开孔机，进一步提高了安装效率和开孔效率。
6.首创打捞浮箱
2016年，在国内首次设计、制造打捞浮箱，并将其应用于难船救捞工程。
7.部颁标准修编
自2016年起，陆续承担了部颁标准《浮筒打捞沉船技术要求》《液压打桩锤作业规程》《水下焊接作业规程》《氦氧常规潜水医疗保障规程》的修订编制工作。目前多数已完成编制。
8.重点科研项目攻关
2014年，作为建设单位承担“大吨位沉船整体打捞探测、起浮技术及装备”项目并顺利完成。2017年，与哈尔滨工程大学联合申报并中标国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项中的“水下目标搜寻探测声呐设备研制及应用”项目。
（作者： 吴楠 刘洋 姜海波 侯交义）
责编/吴倩 审核/田翔