CN113188387B - 用于沉船船体破碎的水压爆破方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及沉船打捞技术领域，具体而言涉及用于沉船船体破碎的水压爆破方法，包括以下步骤：步骤1：预处理，利用施工船舶和清淤机械清除附着在沉船表面的杂物；步骤2：标定，对沉船船体结构进行探查，确定沉船在水中的状态，并对各部位进行定位，设立浮标；步骤3：装药参数确定，对各标定的船舱中装药位置和装药量进行确定。本发明采用在船舱内爆破的方式，炸药能量利用率高，舱室内部爆炸后，其爆炸产生的冲击波作用和气泡的作用能够同时作用于船舱整体，使船舱整体破坏，从标定到装药，整个过程大部分可以使用机械设备代替人工作业，极大的提高施工工人的人身安全，可提高经济效益，缩短工程的周期。

Description

用于沉船船体破碎的水压爆破方法

技术领域

本发明涉及沉船打捞技术领域，具体而言涉及用于沉船船体破碎的水压爆破方法。

背景技术

经济的高速发展带来水路运输的空前繁荣，但由于各种原因，船只在航行过程中发生事故而沉没，为了疏通航道，减少经济损失，需要对沉船进行打捞，一直以来，沉船打捞一般采用抬撬、浮筒、封舱充气等传统方法。从实际施工效果上来看，传统打捞方法存在以下不足：

一是环境影响较大。沉船打捞清航工程不但受制于水流、潮汛、季节、风力、地质以及水下能见度等环境条件，而且还受制于沉船的吨位、造型、材料及打捞设备、打捞人员业务技术水平等因素。大部分沉船位于海上，海底环境复杂，一些下沉时间较长的船只由于自然水文变化，部分船体埋于泥沙之中，给机械作业带来相当大的不良影响。

二是作业人员安全隐患大。多数沉船位置处海底地质松软、流急、风浪大、流沙多、回淤快，水下能见度低，潜水员要在泥下6～7m深度攻穿整体打捞用的船底钢缆，存在严重的不安全因素。特别是塌方对潜水员生命安全威胁较大。

三是作业周期长，经济效益不高。传统打捞方法无论是从沉船现场勘测、施工人员培训、施工机械调运、航道管理等方面都耗时耗力，极大的影响经济效益。

目前还有以切断船体为目的的外部装药爆破施工方法，主要是利用条形装药在船舱的外部，然后引爆炸药对船舱的钢板进行切割，往往要求工人水下作业，将炸药安放于沉船外部，由于炸药处于水中爆炸，水对炸药影响很大，必须要求炸药与船舱壁体紧密的接触，因此，外部的清理工作多，对在水下作业的工人要求非常高，加上水下的紊流、暗礁等等一系列未知的因素影响，水下施工工人的生命安全受到极大的威胁。

发明人发现，由于缺少爆破目标在水下时水压爆破装药量的计算方法，无法准确计算得到需要的装药量；同时，对于炸药爆炸作用于水和舱体的过程以及毁伤效应认识不清，无法确认装药的最佳位置和最佳装药的形式和预判毁伤程度，因此如何在船舱内装药爆破使船体达到最佳的爆破效果成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于沉船船体破碎的水压爆破方法，在船舱内部进行水压爆破，冲击波和气泡的作用均使结构产生变化，最后导致钢结构内部应力重新分布，最后将在结构应力集中的地方或者最不连续(如开口、焊逢、铆接)的地方产生撕裂和断裂，同时，断裂部位高压水的“水楔”作用在一定程度上也能加强裂纹的扩展，并将破坏的舱壁碎片在高压下向外推动飞散。

为了实现上述目的，本发明提供一种用于沉船船体破碎的水压爆破方法，包括以下步骤：

步骤1：预处理，利用施工船舶和清淤机械清除附着在沉船表面的杂物；

步骤2：标定，对沉船船体结构进行探查，确定沉船在水中的状态，并对各部位进行定位，设立浮标；

步骤3：装药参数确定，对各标定的船舱中装药位置和装药量进行确定；

步骤4：船体开孔，在船舱的预定位置上开孔供炸药放入预定位置；

步骤5：控制起爆，放置好炸药，并设置起爆网络，爆破网络设置成双路复式电力起爆网路；

步骤6：回收钢材，打捞船回收船体破碎钢材；

在步骤3中，装药量Q＝akδR²，其中，

式中，k为将外部的水的抵抗作用折算为壁体厚度的厚度系数，σ_b为钢材料极限拉伸断裂强度；ε_p为拉伸塑性变形量，U为炸药比能，立方体船舱中壁面受到的炸药能量的百分数ξ＝31％，S_R为长方体箱型结构沿长度方向横截面积。

优选的，在步骤3中，装药量的推导步骤包括：

确定能量密度：单位质量炸药在水中爆炸冲击波的能量密度为：

式中，E_d为炸药的单位质量冲击波能量密度(J/m2)，R为距炸药中心的距离，C为能量常数，C＝9.9×10⁴J；

该能量密度已包括首次冲击波与二次加载的能量，占炸药能量的百分数为：

式中，Q为炸药药量，若取单位药量Q＝1kg，U为炸药比能，U＝4×10⁶J/kg，将U、C值代入，得到ξ＝31％；

确定单位壁体所获得的平均能量：对于立方体船舱，由于其密闭性，船舱的6个面上的能量近似相等，因此作用到一个面的平均能量计算式为：

单位壁体质量所获得的平均能量为

式中，δ为船舱壁厚(m)，ρ船舱钢材料密度(kg/m3)；

壁体获得的能量转化为壁体的动能，由此可得：

应用能量准则，壁体的单位质量所获得的动能与壁体断裂的临界拉伸应变能之比为一相似参数，即有

若以N来表示破坏程度，则N应与相似参数π₀存在函数关系，即有

N＝f(π₀) (1-7)

所以有

式中，V_k为质点运动速度，V_*为临界断裂速度，对于钢结构，临界断裂速度应由钢材料的拉伸塑性变形能来决定即：

σ_b为钢材料极限拉伸断裂强度；ε_p为拉伸塑性变形量。

将式(1.8)和式(1.9)带入式(1.5)可得：

装药量和船舱体积之间的关系：变换公式最后得到

将舱壁外部的水的抵抗作用折算为壁体的厚度，相当于增加壁体的厚度，对厚度乘以一个厚度系数k，从而修正空气中的计算公式；

因此，(1-11)式就可以写成

令且取f(N)＝1，则上式变成：

Q＝akδR² (1-13)

当被爆体为长方体箱型结构时，R应为等效半径，即：

式中S_R为长方体箱型结构沿长度方向横截面积。

优选的，在步骤5中，炸药被放置在船舱内距离临空面2L/3处，L为长方体箱型结构沿长度方向横截面的长度。

优选的，在步骤4中，使用聚能爆破的方式在船舱靠近临空面的壁面上开孔。

优选的，开孔药量根据接触爆破破口半径的经验公式计算：

式中，L_p为破口的长度，K₀为经验系数，Q_开为破口装药量的TNT当量，δ为船舱壁厚。

优选的，在步骤5和步骤6中，采用分批爆破的方式，对临近临空面的船舱进行爆破，并回收钢材，增加新的临空面。

优选的，在步骤5中，炸药使用TNT炸药，雷管采用经过防水保护的8号电雷管。

优选的，在步骤2中，采用机器人或潜水员确定沉船在水中的位置状态，包括沉船的倾斜角度和底部淤泥埋深。

优选的，在步骤5中，炸药被设置成球形或筒形。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明采用在船舱内爆破的方式，并且将装药量确定在船舱中部距离临空面2L/3处，炸药爆轰后冲击波首先作用，舱体在压力作用下开始塑性变形，爆炸气体继续膨胀，舱室内部达到准静压状态，舱室在压力的作用下进一步变形，角偶棱线等处产生破裂变形使舱室破坏，炸药能量利用率高，舱室内部爆炸后，其爆炸产生的冲击波作用和气泡的作用能够同时作用于船舱整体，使船舱整体破坏。

在实际工程中；而采用船舱内爆破的方法，只需将炸药置于舱室内部，从标定到装药，整个过程大部分可以使用机械设备代替人工作业，极大的提高施工工人的人身安全。

与条形装接触爆破相比，由于能量利用率高，在炸药使用量打捞的钢材量和工程作业效率方面均具有一定的优势，可提高经济效益，缩短工程的周期。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明实施例中船舱模拟模型的结构示意图；

图2是本发明实施例中船舱模拟模型的剖视结构示意图；

图3是本发明实施例中船舱模拟模型中心爆破后t＝700μs时刻模型应力云图；

图4是本发明实施例中船舱模拟模型爆破压力随时间变化曲线；

图5是本发明实施例中船舱模拟模型等效塑性应变随时间变化曲线；

图6a-6b是船舱模拟模型靠近孔口处爆破后t＝200μs时舱室等效塑性应变云图；

图7a-7b是船舱模拟模型靠近孔口处爆破后t＝700μs时舱室等效塑性应变云图；

图8是本发明实施例临空面和非临空面船舱模型的示意图；

图9是本发明实施例有约束面内壁和临空面外壁角偶处流体单元压力曲线变化图；

图10是本发明实施例有约束面内壁和临空面外壁角偶处壁体单元有效应力曲线变化图；

图11是本发明用于沉船船体破碎的水压爆破方法应用在沉船中的示意图；

图12是本发明用于沉船船体破碎的水压爆破方法中炸药处于船舱中的位置意图；

图13是本发明用于沉船船体破碎的水压爆破方法中船舱上开孔位置的示意图；

图14a是现有技术中使用条形装药爆破方式打捞的船体钢材的效果图；

图14b是本发明实施例中船舱内爆破打捞的船体钢材的效果图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意用于沉船船体破碎的水压爆破方法来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

目前对于船舱内的爆破方式，缺少爆破目标在水下时水压爆破装药量的计算方法，无法准确计算得到需要的装药量；同时，对于炸药爆炸作用于水和舱体的过程以及毁伤效应认识不清，无法确认装药的最佳位置和最佳装药的形式和预判毁伤程度；另外，爆破施工工艺难以达到，特别是开孔的爆破方法及大小还未掌握，以及水下炸药和雷管的防水及在高水压条件下的起爆能力有限，本发明旨在实现，确定船舱内装药量的计算方法和装药量参数，并根据船舱内毁伤效果以及施工难度判断炸药的放置方式以及放置位置。

船体多为箱型结构，整个主船体在各个板和架的相互铆接或焊接下，相互支撑受力，船体结构均是由板架结构通过焊接或铆接而组成的系统，在爆炸冲击荷载作用下，船体整体结构发生塑性变形，由于结构的不均匀，破坏首先出现在应力集中的区域最后造成整体结构的破坏，在船舱内装药的方式进行水压爆破，炸药爆轰后冲击波首先作用，舱体在压力作用下开始塑性变形，爆炸气体继续膨胀，舱室内部达到准静压状态，舱室在压力的作用下进一步变形，角偶棱线等处产生破裂变形使舱室破坏，有利于打捞船和打捞机械对破坏后的船体进行拆解回收。

结合图11-13所示，沉船为8000吨级，长110米左右，宽约10米，高约8米，水深15米，舱体钢板厚度在12-14mm，为普通船用钢，海底为泥质，工程的目的是清理航道，回收废旧钢材，本实施例中提供一种用于沉船船体破碎的水压爆破方法，包括以下步骤：

步骤1：预处理，利用施工船舶和清淤机械清除附着在沉船表面的杂物；为了降低潜水作业风险，确保潜水员的药包安置工作安全顺利，要在潜水员作业之前利用施工船舶和清淤机械清理船舱污泥和附着在沉船表面的渔网水草等杂物。

步骤2：标定，对沉船船体结构进行探查，确定沉船在水中的状态，并对各部位进行定位，设立浮标；采用机器人或潜水员确定沉船在水中的位置状态，包括沉船的倾斜角度和底部淤泥埋深，并在相应的部分，使用浮标标记出首楼、小舱室3、大舱室4、货舱、机舱、尾楼和艏尖舱的位置，便于后续打孔和装药。

步骤3：装药参数确定，对各标定的船舱中装药位置和装药量进行确定；其中，装药位置根据临空面确定，药包2被放置在船舱内距离临空面2L/3处，装药量Q＝akδR²，其中，

式中，L为长方体箱型结构沿长度方向横截面的长度，k为将外部的水的抵抗作用折算为壁体厚度的厚度系数，σ_b为钢材料极限拉伸断裂强度；ε_p为拉伸塑性变形量，U为炸药比能，立方体船舱中壁面受到的炸药能量的百分数ξ＝31％，S_R为长方体箱型结构沿长度方向横截面积。

其中，装药量的确定方法如下：

如图1所示，边长为2R板厚为δ的立方体结构，装药处于立方体中心爆炸，炸药为TNT，内部充满水，结构外部为空气。根据水下爆炸的能量密度的经验公式，可得到单位质量炸药在水中爆炸冲击波的能量密度为：

式中，E_d为炸药的单位质量冲击波能量密度(J/m2)，R为距炸药中心的距离，C为能量常数，C＝9.9×10⁴J。

该能量密度已包括首次冲击波于二次加载的能量，由于外部为空气，可以近似的认为爆炸产生的冲击波和二次加载能量全部作用于立方体薄壁，它约占炸药能量的百分数为：

式中，Q为装药量，若取单位药量Q＝1kg，U为炸药比能，U＝4×10⁶J/kg。将U、C值代入，可得到ξ＝31％，对于立方体船舱，由于其密闭性，船舱的6个面上的能量近似相等，因此作用到一个面的平均能量计算式可以写为：

单位壁体质量所获得的平均能量为

式中，δ为船舱壁厚(m)，ρ为船舱钢材料密度(kg/m3)，M是单位壁体的质量，其它参数意义同上。

壁体获得的能量转化为壁体的动能，由此可得：

应用能量准则，壁体的单位质量所获得的动能与壁体断裂的临界拉伸应变能之比为一相似参数，即有

若以N来表示破坏程度，则N应与相似参数π₀存在函数关系，即有

N＝f(π₀) (1-7)

所以有

式中，V_k为质点运动速度，V_*为临界断裂速度，对于钢结构，临界断裂速度应由钢材料的拉伸塑性变形能来决定即：

σ_b为钢材料极限拉伸断裂强度；ε_p为拉伸塑性变形量。

将式(1.8)和式(1.9)带入式(1.5)可得：

因此最后得到

当计算模型处于水下的环境中的时候，公式必须经过修正才能得到比较符合实际的取值。冲击波在立方体薄壁作用时，其能量一部分用于舱壁变形做功，同时，还要推动薄壁外面的水介质做功，在水中形成冲击波，造成能量部分经过水介质外传、耗散，相比外部为空气时作用于壁体的能量要少，也就是说，ξ的取值会减小，由于其大小与材质、结构形状、壁厚等诸多因素有关，其减小的程度无法直接确定。对于这种特殊情况，药量计算公式的修正往往通过“折算厚度”的方法来实现，所谓折算厚度就是将外部的水的抵抗作用折算为壁体的厚度，这样就相当于增加壁体的厚度，对厚度乘以一个厚度系数k，从而修正空气中的计算公式。

因此，(1-11)式就可以写成

令且取f(N)＝1，则上式变成：

Q＝akδR² (1-13)

当被爆体为长方体箱型结构时，R为等效半径，即：

式中S_R为长方体箱型结构沿长度方向横截面积。

结合表1所示，在可选的实施例中，水深为15m时的不同船舱的折算系数K的取值；

表1

例如小舱室3的高长宽分别为10m、8m、12m采取单药包爆破的方式，上式中R取舱室最大边长的一般，取R＝6m。对于大舱室4的长宽高分别为15m、10m、8m，采用两个药包爆破的方式，取：

对于A、B两个货舱单个药包计算药量分别为

Q_A＝868kg，Q_B＝603kg

结合图2-5所示，为了确定装药位置，首先对船舱内的爆炸效果进行分析；

除了舱室角偶处，孔口附近特征点的压力和等效塑性应变也大于舱室侧壁中心处单元，分析其原因，是因为在爆炸冲击波和气泡的准静压作用下，结构产生塑性变形，由于结构外形的不连续，或者不规则，在这两处产生了应力集中的现象，结构的破坏最先就是从这些地方开始。同时，由于开孔有泄爆的作用，在有开孔一侧舱板角偶中心，其压力与等效塑性应变不及舱室侧壁中心单元。因此，舱室的破坏模式为大至可以归纳如下：舱室侧壁角偶中心>孔口附近>舱室侧壁中心>舱室开孔板角偶中心。

数值计算分析的结果充分验证了船舱在内部爆炸作用的情况下的爆破机理。冲击波和气泡的作用均使结构产生变化，最后导致钢结构内部应力重新分布，最后将在结构应力集中的地方或者最不连续(如焊逢、铆接)的地方产生断裂，同时，断裂部位高压水的“水楔”作用在一定程度上也能加强加强裂纹的扩展，最后破坏的壁体又在高压水的推动下向外运动，飞散。

另外，为了进一步确定爆破位置与爆破效果之间的关系，结合图6和图7所示，分析当装药位置距孔口分别5cm和15cm时对舱室(舱室的边长为20cm)的破坏影响，t＝200μs时舱室装药距孔口距离为5cm和15cm时距离装药近的舱壁开始产生明显的破坏，并且变形和破坏时集中在装药附近，而距离装药较远的一段变形和破坏不明显，在时装药附近的舱壁开始进一步撕裂破坏。当装药距离舱壁距离越近时，炸药产生的气体产物对舱壁作用越明显，其高温高压的状态导致舱壁迅速的破坏，而另一端距装药较远的舱壁，由于舱室破坏后，能量迅速流出，产生的破坏并不明显。

为了保证最大的破坏和其破坏的均匀性，利于扩口和对舱室角偶部及舱板结合部的破坏，并合理控制使应力集中部位不因为破坏过强而飞散，产生泄爆现象，影响施工进度，且沉船所在部位海床较软，舱底部分被淤泥覆盖并与海底充分接触，强化了底部舱体的抵抗破坏能力，所以，药包2被放置在船舱内的空间并距离临空面2/3处。

进一步的，为了获得船舱在有临空面和没有临空面的爆破效果差异，结合图8-10所示，其中有约束舱壁角偶处模型舱体单元设为A点和临空面角偶处的舱体模型单元设为B点，炸药爆轰后，冲击波在t＝60μs时到达模型舱壁角偶处，由于舱壁的阻挡，发生透射和反射。这个过程中伴随着舱体的塑性变形，由于约束面的作用，点A处受到的反射波的影响明显强于B点，由于没有约束面的影响，临空面舱壁角偶处流体单元压力峰值要大于有约束面单元。在压力的衰减过程中，由于反射波的作用，A点处流体所受压力一度超过B点，但总的来说，B点处流体所受压力要高于A点，即临空的舱壁角偶附近压力作用更大。

t＝60μs时，AB两点有效应力迅速升高，且B点升高较快，当冲击波到达舱壁处时，发生透射和反射现象，有约束面的舱体受反射作用更强，应力急剧增加，当t＝280μs时，B点在舱体内部复杂的反射效应后，有效应力超过A点，并急剧增加，体现在工程实践中即舱体角偶处发生撕裂破坏，有临空面的部分破坏效果要高于有约束面舱体，这说明，约束面对工程实践的影响是巨大的，实际操作时，应尽量创造临空面，增加爆破效果。

步骤4：船体开孔，在船舱的预定位置上开孔供炸药放入预定位置；由于开孔位置位于水下，机械作业不便，所以工程采用爆破开孔法，将炸药装于聚能管中，然后将聚能管设置在船体预先设定的位置，利用炸药接触爆炸的能量使船体炸开一个孔，形成药包2的放置孔5。

其中，开孔药量根据接触爆破破口半径的经验公式计算：

式中，L_p为破口的长度，K₀为经验系数，Q_开为破口装药量的TNT当量，δ为船舱壁厚。

步骤5：控制起爆，放置好炸药，并设置起爆网络，爆破网络设置成双路复式电力起爆网路。

为了使得药包不会在深水中浮动、飘移，难以定位，炸药密度要大；并且炸药在水中的溶解度要小，炸药如果有水渗入，爆炸性能往往有不同程度的变化，甚至发生拒爆有现象；另外炸药耐水性要强，耐压性越高，表明炸药的爆炸性能受水压影响越小。装药处在水的压力作用下，所受水压的大小与水深成正比。因此，选用TNT炸药，TNT炸药在水中爆炸时的爆速无明显变化。

在水深为15m时通过实验8号电雷管可以达到起爆的要求，起爆主线及区域连接选用有足够抗拉强度及抗剪强度的电缆线，以防线路被水流或风浪冲断，或被钢板割断，采用塑料薄膜将加工好的TNT药包包好，并将口部扎紧。使用时放入炸药和雷管，电雷管用于水中爆破，必须作防水处理。电雷管的口部用黄油进行密封，使密封部位与管壳以及与脚线引出部位的空隙完全封闭。

爆破网路设计成双路复式电力起爆网路，即将两条或多条串联线路11并联在起爆主线1上，先在作业平台船上制作好药包2连好起爆线路，用麻绳将药包2捆扎好，在事先开好放置孔5的位置，将捆扎好的药包2先放到船底再向上提升约舱室高度的1/3，确定高度后，采用电点火法引爆。

结合图12所示，船舱的顶壁31和侧壁32为临空面，在顶壁31和侧壁32均可以开设放置孔5，船舱的底部与淤泥接触。

步骤6：回收钢材，打捞船回收船体破碎钢材。

进一步的，在步骤5和步骤6中，采用分批爆破的方式，对临近临空面的船舱进行爆破，并回收钢材，增加新的临空面。

在可选的实施例中，在步骤5中，炸药被设置成球形或筒形。柱状装药下对角隅处压力峰值高于球状装药压力峰值；柱状装药下作用于舱壁的压力峰值低于球状装药舱壁处压力峰值；球形装药的气泡效应对模型的破坏效果更为明显；扩孔爆破效果柱状装药效果较好，加大药量整体破坏球形装药效果较好。

在可选的实施例中，如沉船下部被泥沙或淤泥掩盖，机械作业和外部切割爆破作业存在难度时，可加大药量，将炸药安置位置选择在舱体偏下部位，加大对下部泥少和淤泥掩盖部的破坏效能，可获得较好的效果，如工程目的倾向于舱体的整体破碎，可将炸药安置在舱体中部，获得较为平衡的爆破效果。

结合图14a-14b所示，在相同的水深、淤泥及相同船体结构条件下，通过定量的工程实践施工进行对比，舱室内部装药水压爆破与舱室外部条形装药相比工期快约2.5倍，船体打捞率也相对较高，只是回收的钢板没有整齐的割缝，但是各个连接件均已断裂，比较易于打捞，采用水压爆破的方法取得了比较好的效果。

通过对比，集团装药水压爆破分别具有工期短、炸药量利用率高、作业难度低等一系列特点，较大的提高了工程实际效益，因此，水下水压爆破拆除沉船的方法是一种可以推广的施工工艺。

结合以上实施例，本发明采用在船舱内爆破的方式，炸药能量利用率高，舱室内部爆炸后，其爆炸产生的冲击波作用和气泡的作用能够同时作用于船舱整体，使船舱整体破坏，而条形装药在外部接触爆炸时，只是作用于局部，能量有很大一部分耗散于水中。

在实际工程中，使用条形装药接触爆破时，往往要求工人水下作业，将炸药安放于沉船外部，由于炸药处于水中爆炸，水对炸药影响很大，必须要求炸药与船舱壁体紧密的接触，因此，对在水下作业的工人要求非常高，加上水下的紊流、暗礁等等一系列未知的因素影响，水下施工工人的生命安全受到极大的威胁；而采用船舱内爆破的方法，只需将炸药置于舱室内部，从标定到装药，整个过程大部分可以使用机械设备代替人工作业，极大的提高施工工人的人身安全。

与条形装接触爆破相比，由于能量利用率高，在炸药使用量打捞的钢材量和工程作业效率方面均具有一定的优势，可提高经济效益，缩短工程的周期。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (8)

1.用于沉船船体破碎的水压爆破方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：预处理，利用施工船舶和清淤机械清除附着在沉船表面的杂物；

步骤2：标定，对沉船船体结构进行探查，确定沉船在水中的状态，并对各部位进行定位，设立浮标；

步骤3：装药参数确定，对各标定的船舱中装药位置和装药量进行确定；

步骤4：船体开孔，在船舱的预定位置上开孔供炸药放入预定位置；

步骤5：控制起爆，放置好炸药，并设置起爆网络，爆破网络设置成双路复式电力起爆网路；

步骤6：回收钢材，打捞船回收船体破碎钢材；

在步骤3中，装药量Q＝akδR²，其中，

式中，k为将外部的水的抵抗作用折算为壁体厚度的厚度系数，k的取值为0.8、1.2、3，δ为船舱壁厚，R为等效半径,σ_b为钢材料极限拉伸断裂强度；ε_p为拉伸塑性变形量，U为炸药比能，立方体船舱中壁面受到的炸药能量的百分数ξ＝31％，S_R为长方体箱型结构沿长度方向横截面积；

在步骤3中，炸药被放置在船舱内距离临空面2L/3处，L为长方体箱型结构沿长度方向横截面的长度。

2.根据权利要求1所述的用于沉船船体破碎的水压爆破方法，其特征在于，在步骤3中，装药量的推导步骤包括：

确定能量密度：单位质量炸药在水中爆炸冲击波的能量密度为：

式中，E_d为炸药的单位质量冲击波能量密度(J/m²)，R为距炸药中心的距离，C为能量常数，C＝9.9×10⁴J；

该能量密度已包括首次冲击波与二次加载的能量，立方体船舱中壁面受到的炸药能量占炸药能量的百分数为：

式中，Q为装药量，若取单位药量Q＝1kg，U为炸药比能，U＝4×10⁶J/kg，将U、C值代入，得到ξ＝31％；

确定单位壁体所获得的平均能量：对于立方体船舱，由于其密闭性，船舱的6个面上的能量近似相等，因此作用到一个面的平均能量计算式为：

单位壁体质量所获得的平均能量为

式中，δ为船舱壁厚(m)，ρ船舱钢材料密度(kg/m3)，M是单位壁体的质量；壁体获得的能量转化为壁体的动能，由此可得：

应用能量准则，壁体的单位质量所获得的动能与壁体断裂的临界拉伸应变能之比为一相似参数，即有

若以N来表示破坏程度，则N应与相似参数π₀存在函数关系，即有

N＝f(π₀) (1-7)

所以有

式中，V_*为质点运动速度，V_k为临界断裂速度，对于钢结构，临界断裂速度应由钢材料的拉伸塑性变形能来决定即：

σ_b为钢材料极限拉伸断裂强度；ε_p为拉伸塑性变形量。

将式(1.8)和式(1.9)带入式(1.5)可得：

装药量和船舱体积之间的关系：变换公式最后得到

将舱壁外部的水的抵抗作用折算为壁体的厚度，相当于增加壁体的厚度，对厚度乘以一个厚度系数k，从而修正空气中的计算公式；

因此，(1-11)式就可以写成

令且取f(N)＝1，则上式变成：

Q＝akδR² (1-13)

当被爆体为长方体箱型结构时，R为等效半径，即：

式中S_R为长方体箱型结构沿长度方向横截面积。

3.根据权利要求1所述的用于沉船船体破碎的水压爆破方法，其特征在于，在步骤4中，使用聚能爆破的方式在船舱靠近临空面的壁面上开孔。

4.根据权利要求3所述的用于沉船船体破碎的水压爆破方法，其特征在于，开孔药量根据接触爆破破口半径的经验公式计算：

式中，L_p为破口的长度，K₀为经验系数，Q_开为破口装药量的TNT当量，δ为船舱壁厚。

5.根据权利要求1所述的用于沉船船体破碎的水压爆破方法，其特征在于，在步骤5和步骤6中，采用分批爆破的方式，对临近临空面的船舱进行爆破，并回收钢材，增加新的临空面。

6.根据权利要求1所述的用于沉船船体破碎的水压爆破方法，其特征在于，在步骤5中，炸药使用TNT炸药，雷管采用经过防水保护的8号电雷管。

7.根据权利要求1所述的用于沉船船体破碎的水压爆破方法，其特征在于，在步骤2中，采用机器人或潜水员确定沉船在水中的位置状态，包括沉船的倾斜角度和底部淤泥埋深。

8.根据权利要求1所述的用于沉船船体破碎的水压爆破方法，其特征在于，在步骤5中，炸药被设置成球形或筒形。