水下回收:拔出、上升与出水

从海床回收设备并非将安装过程倒过来。海床会阻碍设备脱离,设备重量存在不确定性,而船舶升沉驱动的拉拔可能在设备脱离海床前,使起重机承受远超其 SWL 的载荷。本文介绍拔出时会发生什么,以及在我们的吸力筒回收案例中,升沉补偿器发挥了什么作用。

作者 Norwegian Dynamics 工程团队 · 2026 年三月 · 更新于 2026 年九月 · 阅读约 9 分钟
Blender 插图:一个水下模块通过串联升沉补偿器悬挂在海床正上方。
要点速览
  • 回收会带来安装时没有的载荷和风险:海床的约束力、海生物附着及内部积水和积土造成的重量变化,以及多年服役后可能减弱的结构。
  • 吸力筒在拔出时会产生阻力,而且拉得越快,阻力越大,因为水来不及流入筒底。使用未装补偿器的钢丝绳时,船舶升沉决定了拉拔速度。
  • 串联的被动升沉补偿器以行程吸收升沉,使绞车能够缓慢、平稳地拉拔,筒底吸力因而保持较低水平。
  • 在我们的 CONSTELLATION 案例中,CYGNUS 700 t / 5 m 在较坚实的黏土中拔出一个 Ø6 m 吸力筒,水深为 120 m,海况为 Hs 2.5 m;钢丝绳峰值载荷为 566 t,相当于起重机 SWL 的 87 %,该起重机的 SWL 为 650 t。未装补偿器时,钢丝绳载荷达到约 1,280 t,接近起重机 SWL 的两倍。

安装是将已知物体下放到经过准备的海床上。回收则要吊起在海床上停留多年的设备:它受到土体约束,表面附着海生物,内部往往积有水和沉积物,结构强度也可能不如安装时。

为什么回收比安装更难

  1. 海床的约束力。 吸力筒或泥垫下方的吸力,以及裙板沿线的黏附力和摩擦力,会在设备脱离海床前增加所需拉力。
  2. 重量未知。 海生物附着、内部积水和沉积物会增加重量,部件缺失或腐蚀则可能减轻重量。设备现状重量只能估算为一个范围。
  3. 结构强度降低。 吊点和结构构件可能因腐蚀或疲劳而失去强度,能够承受的载荷可能低于安装时。
  4. 突然脱离。 海床一旦松开,原先向下约束设备的力便会瞬间消失。钢丝绳和索具储存的弹性伸长能量会将设备向上弹起,钢丝绳可能先松弛,随后受到猛拉。

拔出

吸力筒最能说明这个问题。通常会向筒盖下方泵入水,将其顶出。若无法这样做,就必须用起重机拉拔,本文建模的正是这种情况。吸力筒上升时,水须经顶部阀门流入筒内。若拉拔速度快于进水速度,筒内压力就会下降,海床的约束力随之增大,直到筒内土体失稳。裙板沿线的摩擦力也会增加阻力,但这一部分随速度变化不大。

使用未装补偿器的钢丝绳时,拉力既来自绞车,也同样来自船舶升沉:每一道波浪都可能带来快速拉拔,使土体阻力和钢丝绳载荷一起上升。若吸力筒在这种拉力下突然脱离,钢丝绳储存的弹性伸长能量会将其向上弹起(图 1)。

一根未装补偿器的钢丝绳从船舶连接至海床上的吸力筒。船舶升沉驱动拉拔;快速拉拔时,水无法及时通过顶部阀门流入,筒底吸力增大;吸力筒脱离时,钢丝绳受到猛拉。黏土升沉驱动拉拔120 m吸力吸力筒顶部阀快速拉拔,高吸力脱离时猛拉A 裸钢丝绳
补偿器串联安装在海床吸力筒正上方。绞车缓慢、平稳地拉拔时,它吸收船舶升沉,使筒底吸力保持较低水平。黏土船舶升沉120 m设备吸收升沉平稳拉拔吸力吸力筒顶部阀缓慢拉拔,低吸力B 串联补偿器
图 1。 从海床拔出吸力筒。(A) 使用未装补偿器的钢丝绳时,船舶升沉驱动拉拔;快速拉拔使筒底吸力增大,因为水无法及时经顶部阀门流入;吸力筒一旦脱离,钢丝绳便会受到猛拉。(B) 串联补偿器吸收升沉,使绞车能够缓慢、平稳地拉拔,筒底吸力保持较低水平。示意图,未按比例绘制。

串联的被动升沉补偿器会改变这一过程。设备以行程吸收船舶升沉,因此吸力筒所受拉力由绞车控制,缓慢而平稳,土体阻力也较低。在我们的案例中,吸力筒以低于 0.1 m/s 的速度平稳拔出,没有突然脱离。若海床约束力突然消失,设备的阻尼会限制设备被向上带离的速度,避免钢丝绳储存的弹性伸长能量将其向上弹起。

上升与出水

设备脱离海床后,将穿过 水柱被吊起,钢丝绳承受其水中重量和阻力;吸力筒内往往仍有土,其他结构中也可能积水。接近水面时,浪溅区的作用方向与入水时相反:设备出水后浮力减小,所携带的水和土也会增加其空气中重量。 DNV-RP-N103 要求在核查回收作业中补偿器的行程时计入这些滞留水。 穿越浪溅区 介绍了水面附近的载荷。

我们的吸力筒回收案例

在一个 CONSTELLATION 模型中,一艘配备 650 t 起重机的工程船回收一个 Ø6 × 10 m 吸力筒(空气中重 107 t,水中重 93 t)。吸力筒通过 Ø0.5 m 顶部阀门进水,仅靠起重机从 120 m 水深的较坚实的黏土中将其拔出。索具使用三倍率 90 mm 钢丝绳,海况为 Hs 2.5 m、Tp 8.0 s。在相同索具和海况下,分别对串联安装的、按该任务选型的 CYGNUS 700 t / 5 m,以及未装补偿器的钢丝绳进行了模拟。

我们的吸力筒回收案例中的钢丝绳峰值载荷。未装补偿器时,钢丝绳载荷达到约 1,280 吨,接近 650 吨起重机安全工作载荷的两倍。使用 CYGNUS 700 吨、5 米被动升沉补偿器时,载荷为 566 吨,相当于起重机 SWL 的 87%。03507001,0501,4001,750峰值钢丝绳载荷 (t)约 1,280 t裸钢丝绳近 2 × 起重机 SWL起重机超载566 tCYGNUS 700 t / 5 m起重机 SWL 的 87 %起重机 SWL 650 t钢丝绳破断载荷 1,658 t
图 2。 我们的吸力筒回收案例中的钢丝绳峰值载荷,对比了相同索具和海况下有无补偿器的结果。两次模拟均未达到钢丝绳 1,658 t 的破断载荷。未使用补偿器时,钢丝绳载荷超过了起重机的 650 t SWL 和钢丝绳的 663 t SWL;起重机的 SWL 更低,因此是控制限值。此结果是 Hs 2.5 m、Tp 8.0 s 的一次海况实现,由 CONSTELLATION 建模。
结果裸钢丝绳使用 CYGNUS
钢丝绳峰值载荷约 1,280 t566 t
相对于 650 t 起重机 SWL接近两倍87 %
相对于钢丝绳的 663 t SWL接近两倍85 %
相对于钢丝绳 1,658 t 破断载荷77 %34 %
吸力筒从黏土中拔出否:上升约 1 m是:以低于 0.1 m/s 的速度平稳拔出;模拟开始约 4.5 分钟后,裙板脱离海床

从开始拔出起,补偿器始终未触及行程限位,大部分时间处于行程下半段,同时绞车将吸力筒从黏土中平稳拔出。模拟在裙板脱离海床时结束,因此未覆盖后续上升和出水。未装补偿器时,吸力筒仍受土体约束,仅上升约 1 m,钢丝绳载荷就已超过起重机的 SWL。这只是一次海况实现,CYGNUS 也按本案例选型;实际回收须根据具体设备、土体和船舶单独建模。

同一案例的视频:CYGNUS 在 120 m 水深处从黏土中拔出吸力筒,由 CONSTELLATION 模拟。

选择设备

RIGEL 保持在甲板上给定的设定值。 CYGNUS 可以释放气体, ANTARES 则既可释放也可补充气体,因此两者都能在拔出后载荷下降时重新调整至合适的行程位置。在我们的案例中,CYGNUS 全程保持拔出阶段的设定值:其充气设定对应数百吨载荷,当吸力筒脱离海床、以 93 t 的水中重量悬挂时,补偿器会收缩至限位,因此上升和出水阶段需要单独核查。这三款产品的额定水深均为 3,000 m。对于最难预测的拔出工况,主动控制可增加调节余地;我们的 VEGA 主动设备正在开发中。

来源与假设
  • 该回收案例采用 CONSTELLATION 模型,模拟吸力筒随拉拔速度变化的拔出阻力:外侧裙板的摩擦力,加上由 Ø0.5 m 顶部阀门流量决定的筒内负压;该负压上限取土体反向承载力与空化限值中的较低者。黏土的不排水抗剪强度约为 42 kPa。船舶运动以六自由度施加于吊臂端点。模拟只覆盖拔出过程,在吸力筒裙板脱离海床时结束。
  • 一次海况实现(Hs 2.5 m、Tp 8.0 s)。CYGNUS 700 t / 5 m 按本案例选型,全程保持同一气体充注状态。
  • 滞留水要求出自 DNV-RP-N103,原编号为 DNV-RP-H103 (2010 年四月,第 4.7.7.4 节)。

常见问题

为什么水下回收比安装更难?

海床约束着设备;设备重量自安装后可能改变,结构可能变弱;拔出时突然脱离还可能使设备向上弹起,猛拉钢丝绳。安装不存在这些情况。

什么是克服海床吸力的拔出过程?

吸力筒或泥垫在从海床拔出时会遇到阻力。吸力筒上升时,水须经顶部阀门流入筒底;若拉拔速度超过进水速度,筒内压力下降,海床的约束力就会增大。对于黏土上的泥垫,吸力持续时间太长,不能等待其自行消散,必须通过起吊克服。裙板沿线的摩擦力也会增加阻力。

升沉补偿器如何帮助拔出?

它以行程吸收船舶升沉,使绞车能够缓慢、平稳地拉拔,土体阻力因而较低。在我们的案例中,吸力筒以低于 0.1 m/s 的速度平稳拔出,没有突然脱离。若海床约束力突然消失,设备的阻尼会限制设备被向上带离的速度,避免钢丝绳储存的弹性伸长能量将其向上弹起。

回收过程中需要调整补偿器设定值吗?

这取决于设备脱离海床后载荷下降的幅度。RIGEL 保持在甲板上给定的设定值;CYGNUS 可释放气体,ANTARES 则可释放和补充气体。在我们的吸力筒案例中,设定值针对拔出阶段选择,因此吸力筒脱离海床后,补偿器会收缩至限位,上升和出水阶段需要单独核查。

回收模型显示了什么?

在我们的 CONSTELLATION 案例中,按任务选型的 CYGNUS 700 t / 5 m 从较坚实的黏土中拔出一个 Ø6 m 吸力筒,水深为 120 m,海况为 Hs 2.5 m;钢丝绳峰值载荷为 566 t,相当于起重机 SWL 的 87 %,该起重机的 SWL 为 650 t。未装补偿器时,钢丝绳载荷达到约 1,280 t,接近起重机 SWL 的两倍。这是一次海况实现,模拟只覆盖拔出过程,未覆盖后续上升。

要从海床回收设备?

请向我们提供:

  • 设备信息、现状重量范围和吊点位置
  • 土质数据或预期拔出阻力
  • 船舶、起重机、索具和海况资料

我们会使用 CONSTELLATION 对有无补偿器的拔出过程分别建模,并根据您的设备和索具核查上升和出水阶段。

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