劉增澤

（上海師范大學 數(shù)理學院，上海 200234）

基于連通器結(jié)構(gòu)的油水分離清污船設(shè)計

劉增澤

（上海師范大學 數(shù)理學院，上海 200234）

文章介紹一種基于密度法與連通器結(jié)構(gòu)所設(shè)計的清理大面積水面油污的清污船舶。船舶采用穿浪雙體船型，利用船體前進的動力與特殊的機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)油污的匯集，運用密度法與連通器原理實現(xiàn)油水分離，結(jié)構(gòu)簡單使本身成本及維護使用成本較低。

清污船；密度法；連通器

0 引言

原油出口催生起了原油運輸，原油運輸又難免出現(xiàn)原油泄漏；除此之外隨著路上原油資源日進枯竭，海上原油開采成為未來原油開采的大趨勢，同樣催生原油泄漏的問題。而現(xiàn)今原油泄漏大多是采用人工打撈、化學藥劑分解、物理法吸油等措施，不僅效率低下，而且可能對海洋造成二次污染。隨著船舶制造業(yè)的發(fā)展，不應(yīng)只在噸位上有所發(fā)展，在船舶的種類上更應(yīng)有所發(fā)展。運油量逐漸增加，高效率的清污船則成為急需之物。本文主要闡述了一種為處理溢油事故的船舶，該設(shè)計運用密度法，通過獨特的機械格局設(shè)計，使這種特殊船舶不僅能滿足日常航運，同時能夠處理固體與溢油等多種水域污染，能夠?qū)崿F(xiàn)收油穩(wěn)定，“遺漏油”少，且操作維護簡單，本身成本及維護使用成本較低。

1 研究背景

1.1 國內(nèi)背景

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我國石油消耗量逐年提高，石油進口量也越來越多。從1993年開始，我國逐步成為世界最主要的石油進口國，我國石油進口年增20%，對外依存度達55.2%[1]。

目前，我國石油進口主要通過海運方式進行，陸路方式所占比例極小，因此，我國在很多沿海城市都設(shè)置有煉油廠和儲油基地。隨著我國對海上油田技術(shù)的逐步掌握，目前我國在沿海海域也建設(shè)有多處海上油氣田。不管是海上輸油、海上采油，還是沿海煉油、沿海輸油，由于煉油、儲油和輸油的安全性要求非常高，因此，稍有疏忽便會引發(fā)嚴重的海上漏油事故，如2010年的大連漏油事故、2011年渤海灣漏油事故等。

1.2 國際背景

國際溢油事故主要也集中在海上鉆井平臺事故、輸管道事故、運油船舶泄露等情況，其中國外海上開采技術(shù)應(yīng)用較早，現(xiàn)有海上鉆井平臺和輸油管道也都使用多年，逐漸老化，暴露出各種危險的信號，使未來原油泄漏的幾率增加。

近些年較為典型的事故是 2010年墨西哥海灣鉆井平臺爆炸，造成墨西哥灣大面積污染，生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴重破壞，而除油措施仍然不見改善，依然是效率低下的人工、化學除油法，雖然有部分專業(yè)除污船，但效率不盡人意。

1.3 技術(shù)背景

目前沒有專用的水面油污清理船舶，在清理海面或河面的水面油污時，一般采用設(shè)置油污隔離柵進行隔離、吸油氈吸油和人工撈油的方式進行清潔，不但操作麻煩，而且由于水面風浪不平靜，導(dǎo)致隔離效果或收油率低下。

中國專利號為201320185917.4的實用新型專利公開了一種離心式吸油船，該船通過在主動輪和從動輪之間連接傳送皮帶，使傳送皮帶沾上油水混合物，并依靠與從動輪配合的傳送皮帶轉(zhuǎn)向而產(chǎn)生離心力，將沾上的油水混合物甩到集油箱內(nèi)，從而實現(xiàn)油水初步分離和初步收集。這種離心式吸油船具有自動吸油、甩油（收油）的功能，節(jié)省了人工，但是由于使用高速離心發(fā)動機造成成本過高；離心皮帶轉(zhuǎn)速高，可以將油水分離，但是分離不徹底，大量油污依然返回到水面[2]。

中國專利號為201310542154.9的發(fā)明專利公開了一種水面油污清理船，該船利用吸油輥進行吸油，并利用刮刀將油刮出，并通過流油溝淌到集油槽中，具有自動吸油、儲油的功能。但是該船具有以下不足：依靠吸油軸吸油，僅適用于極薄的水面浮油，較厚的油層必然需要多次清理，吸油不徹底；刮油裝置不徹底，會造成油污反流；設(shè)計上存在油污收集盲區(qū)，影響吸油效率；成本較高[3]。

以上兩個專利設(shè)計還都具有一個共同的缺點，就是沒有調(diào)整吸油輥或傳送皮帶高度的功能，這樣隨著吸油的不斷進行，船體總重必然增加，吸油輥或傳送皮帶浸入水中的部分將更多，這樣就不能使吸油輥或傳送皮帶處于最佳吸油狀態(tài)，工作狀態(tài)不穩(wěn)定，也就是說吸油效果會越來越差。

海上溢油事故幾乎每年都會發(fā)生，造成的生態(tài)污染是不可估量的，一次溢油將會影響該水域數(shù)十年的生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)與重建，造成不可估量的損失。同時現(xiàn)有各項技術(shù)并不成熟，存在各種弊端，該類設(shè)計極其缺少，并且很少轉(zhuǎn)入實際生產(chǎn)與作業(yè)，造成水域污染處理沒有大的進展。在水域出現(xiàn)大規(guī)模污染時，人們只有悲嘆與憐惜。因此研究一款高效的清污船勢在必行。

2 設(shè)計介紹

2.1 理論基礎(chǔ)

2.1.1 密度法

密度法指利用物體物理密度來測定測量區(qū)分物體的方法。本設(shè)計針對溢油事故的處理，面對兩種需要分離的物質(zhì)為海水（或淡水）和原油，通常海水的密度為：1.025 g/cm3，通常原油密度為：0.81 g/cm3，可以看出原油密度小于海水密度，因此兩者的密度決定了它們的分布。溢油事故發(fā)生時，原油漂浮在海水上層表面，形成粘連性油層，基于密度法的理論，可利用兩者密度不同而形成不同的分層進行油水分離處理[4]。

2.1.2 連通器原理

連通器中等高度液體壓強相同，不同密度液體在連通器中液面高度不一致。利用本原理，設(shè)計油水分離器為一個異形連通器，圖1是油水分離裝置的水與油分離原理圖，一次油水分離室與二次分離室（儲油室）與大海組成了底部相連上端開口的三管連通器，由于一次分離室與二次分離室內(nèi)上部有密度較小的原油，因此高度略高于外部海平面，隨著船體向前運動，進入的原油逐漸增多，質(zhì)量增大便會擠壓位于連通器下部密度較大的海水溢出，流向大海這一端的連通器，維持連通器同一高度壓強相等，從而通過兩級過濾（或多級過濾），將海水排出，儲存原油。配合吸、刮等形式收集二次分離室上部初步存儲的原油，使二次分離室原油與水的比例穩(wěn)定，確保原油不從二次分離室底部溢出，進而實現(xiàn)原油的分離、匯聚、回收。

圖1 油水分離裝置的水與油分離原理簡圖

2.1.3 透光性物質(zhì)識別法

物質(zhì)由不同的元素和結(jié)構(gòu)組成，不同物質(zhì)存在不同的透光性，利用不同物質(zhì)的透光性不同，實現(xiàn)物質(zhì)的初步判斷。原油與海水是兩種密度、結(jié)構(gòu)、元素等均不相同的物質(zhì)，它們的透光性存在差異，由實驗可以觀察，原油的透光性較弱，海水透光性較好?；诖嗽恚O(shè)置垂直的多組光強探頭（一端時強光源，一端為高靈敏度光強探頭），并自帶水壓清洗，防止探頭及光源被污染物質(zhì)覆蓋影響探測結(jié)構(gòu)，通過光強反饋，來追蹤原油與海水的交界面，便于收集裝置跟蹤，自動變化吃水深度，不放過任何油層，保持進入分離器的油污占比最大，提高原油分離回收效率。

由以上3大理論基礎(chǔ)支撐，船體的油水分離裝置整體造型及跟蹤控制就解決了。船體采用密度法、連通器結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及利用物質(zhì)的透光度對物質(zhì)進行識別等技術(shù)，都是在本領(lǐng)域未曾出現(xiàn)過的，也是本設(shè)計創(chuàng)新之處，不僅改變傳統(tǒng)清污船技術(shù)上不能根據(jù)實際油污厚度、船體吃水變化而改變收集裝置的高度，還通過連通器原理解決了油水分離，結(jié)構(gòu)原理簡單且簡便易行，分離可控且更加徹底。

2.2 機械結(jié)構(gòu)論證

機械結(jié)構(gòu)簡圖見圖2。

圖2 機械結(jié)構(gòu)簡圖

2.2.1 油污匯集裝置

油污匯集裝置位于船體前端，張角大于船體寬度，減少油污對船體的阻力，裝置可伸縮，在正常航行時，收縮于船體中央空隙；工作時伸展形成張角，并與油水分離裝置相連，使油水混合物能匯集進入油水分離室，采用伸縮氣桿驅(qū)動。

2.2.2 油污推進裝置

該裝置位于油水分離室入口以及二次油水分離室與入口，由滾軸、驅(qū)動電機、高壓氣槍裝置、刮板構(gòu)成，滾軸上裝有毛刷，由驅(qū)動電機帶動滾軸，滾軸帶動毛刷向前推動混合物前進，由于刷毛容易粘連油污，在滾軸內(nèi)部設(shè)有高壓氣槍清洗裝置，避免油污被吹落到油水分離室，確保推送裝置的自重，保證其正常運轉(zhuǎn)。

2.2.3 回流控制板

由于油水混合物密度小于海水，油水分離室內(nèi)界面高度會略高于外界面，由此可能會出現(xiàn)回流問題。所以，在油水分離室前端放置可調(diào)節(jié)角度的回流控制板，防止出現(xiàn)油污反向逆流現(xiàn)象，便于內(nèi)部存儲更多原油。

2.2.4 吸、撈、滲、吹過濾收集裝置

前兩級利用連通器原理和密度法對油水混合物進行初步分離后，便是最終環(huán)節(jié)的油污收集工作。為了增加船舶清理的海域面積，需要考慮船舶的載重。如果油污分離不充分就會造成船舶過早達到船體載重上限，影響油污收集效率。因此在前兩級的油水分離與匯聚后，最后收集油污不僅僅依靠吸油，同時需要對油污進行進一步的濾水處理。模擬平時撈魚的動作進行油污濾水和收集過程，主要結(jié)構(gòu)包括透水親油氈、網(wǎng)篩、旋轉(zhuǎn)牽引臂、高壓氣槍吹洗裝置。親油濾水氈夾于網(wǎng)篩的上網(wǎng)下網(wǎng)中間，起到撈油濾水的效果，網(wǎng)篩與旋轉(zhuǎn)牽引臂由旋轉(zhuǎn)驅(qū)動圓軸相連，使其網(wǎng)篩能夠上下180°旋轉(zhuǎn)，便于豎直深入油水混合物中，后旋轉(zhuǎn)至水平進行撈油，水由于重力的作用，向下從親油濾水氈滲出，后由牽引臂引導(dǎo)旋轉(zhuǎn)至背側(cè)集油箱，通過上部高壓氣槍吹吸濾網(wǎng)，使其油污完全落入集油箱。不僅高效，并且提高油水分離率。

2.2.5 穿浪雙體船

穿浪高速雙體船船型最早由澳大利亞國際雙體船公司提出，它是在高速雙體船船型基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，即將小水線面和深V型船在波浪中的優(yōu)良航行性能特點、雙體船的結(jié)構(gòu)形式及水翼船的弧形支柱等揉合在一起。艏部線型特別尖削，能穿浪而行，使其在波浪中的航行性能有很大提高。該型船的靜水高速性能明顯優(yōu)于小水線面船，而其在波浪中的航行性卻與小水線面船接近。改載波航行為穿浪航行，具有低阻力、高航速、平穩(wěn)的優(yōu)良綜合運動性能。它擁有水翼船的高速性、小水線面船的低阻特性和雙體船的穩(wěn)定性，并具備了寬大的上層建筑，可供多種艙室布置。利用本船型，一是便于高速行駛至事發(fā)地，二是可充分利用其中間空隙搭載油污清理設(shè)備，且在自然航行時有助于將設(shè)備升至上層工作層，且能搭載其他救援清污設(shè)備[5]。

3 結(jié)論

本設(shè)計改變傳統(tǒng)清污船的整體設(shè)計，采用穿浪雙船設(shè)計，運行高速，運載能力強，空間適宜搭載各類清污救援設(shè)備；其次，依靠船體前行動力實現(xiàn)油污匯集，并采用物理法中的密度法，結(jié)合機械設(shè)計，借助連通器結(jié)構(gòu)原理，實現(xiàn)初級自行油水分離；再次，引入透光度追蹤物質(zhì)的方法，實現(xiàn)收集裝置自動跟蹤油水分界面，使其集油效果更佳；最后，采用吸、撈、滲、吹的過程收集分離后的原油，分離更徹底，提升船體的處理油污能力，相同載重的狀況下，收集更多油污。綜上，基于連通器結(jié)構(gòu)的油水分離清污船具有清污效率高、成本低、油水分離率高、遺漏油少等特點，彌補了油污清理船這一船種的空缺。

[1]張祺.中國石油進口依存度問題研究[D].武漢大學,2013.

[2]王沖,張舒展,孫洪滿,等.離心式吸油船[EB/OL].國家知識產(chǎn)權(quán)局,2013.

[3]郭樹國,王麗艷,徐升智,等.一種水面油污清理船[EB/OL].國家知識產(chǎn)權(quán)局,2014.

[4]陳國華,季榮,謝式南,等.黃河口及渤海灣海水的密度[J].海洋與湖沼,1993(2)： 183-190.

[5]徐菊英.國內(nèi)外高速雙體船市場及技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].船舶,1994(6)： 26-40.

Design of Clean-up Ship Based on Communicating Structure

LIU Zengze
(College of Mathematical and Physical Scien ces of Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China)

The paper introduces a clean-up ship designed based on the density method and the communicating structure for cleaning large areas of oil pollution on water surface.The ship adopts the type of catamaran.Using the forward power of the hull and the special mechanical structure,the collection of oil pollution is achieved.The separation of oil and water is achieved by the density method and the communicating structure.The simple structure makes low cost and low maintenance cost.

clean-up ship; density method; communicating structure

U662.2

A

10.14141/j.31-1981.2017.05.005

劉增澤（1993—），男，碩士研究生，研究方向：儀器設(shè)備研究、實驗設(shè)計和實驗?zāi)M。