張德文， 鄒云飛， 張 鵬， 宋志國(guó)， 丁 敏

(交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院， 北京 100088)

全液壓驅(qū)動(dòng)船用雙臂架溢油回收機(jī)研制

張德文， 鄒云飛， 張 鵬， 宋志國(guó)， 丁 敏

(交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院， 北京 100088)

研制全液壓驅(qū)動(dòng)船用雙臂架溢油回收機(jī)，主要由收油頭、動(dòng)力站、管路系統(tǒng)、電氣控制柜、無線遙控器、卷管架及儲(chǔ)油罐等部件組成?；厥諜C(jī)采用船舶柔性側(cè)掛四連桿同步定向、收油帶線速度與水流速度及油膜厚度匹配、集油井油水界面檢測(cè)與輸油泵自動(dòng)控制等關(guān)鍵技術(shù)，并進(jìn)行回收機(jī)的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和海上試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，回收機(jī)的回收速率可達(dá)237 m3/h，回收效率可達(dá)97%，輸油泵排出來的垃圾碎屑最大尺寸≤35 mm。

船舶工程； 溢油；回收機(jī)；回收速率；回收效率

Abstract: The full hydraulic marine skimmer with sweeping arm is mainly composed of oil recovery head, power pack, pipeline system, electric control cabinet, wireless remote control, reel rack, tanks, and other components composition. The key technologies of the first developed ship side flexible hanging four connecting rod synchronized orientation mechanism, speed matching relation, automatic control of oil pump are adopted. The skimmer is tested in the lab and at sea. The experiment results show that recovery rate reaches 237 m3/h, the recovery efficiency reaches 97%, and the maximum size of the garbage debris discharged by the oil pump is not greater than 35 mm.

Keywords: ship engineering; oil spill; skimmer; recovery rate; recovery efficiency

近幾年，海上溢油事故和碼頭接卸油作業(yè)引起的近岸區(qū)域溢油事故[1]時(shí)有發(fā)生，全球每年發(fā)生的溢油事故多達(dá)240余起[2]，嚴(yán)重影響著海上航運(yùn)安全和海洋生態(tài)環(huán)境，因此加強(qiáng)水上交通安全和提高環(huán)境事故處理能力刻不容緩[3]。2010年美國(guó)墨西哥灣和我國(guó)大連“7·16”重大海上溢油污染事故[4]造成的巨大損失和嚴(yán)重危害反映出當(dāng)前溢油應(yīng)急處置技術(shù)和裝備水平亟待提高。

溢油回收機(jī)是溢油回收最為重要的手段和工具。世界上比較典型的回收機(jī)產(chǎn)品主要包括英國(guó)Vikoma公司的盤式回收機(jī)、美國(guó)SlickBar公司下屬JBF公司的DIP回收機(jī)、芬蘭Lamor公司的LSC刷式回收機(jī)、挪威Framo公司的堰式回收機(jī)、丹麥Ro-Clean公司的復(fù)合式回收機(jī)和荷蘭KOSEQ公司的VOS系列收油機(jī)等。

目前國(guó)內(nèi)還沒有適用于海洋溢油回收的臂架型收油機(jī)系列產(chǎn)品，尤其針對(duì)大規(guī)模海上溢油回收，現(xiàn)有設(shè)備無法滿足使用要求。與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，國(guó)內(nèi)還有許多關(guān)鍵技術(shù)需要突破。

為提升我國(guó)重大海上溢油事故的應(yīng)急處置能力，交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院等單位聯(lián)合研制全液壓驅(qū)動(dòng)船用雙臂架溢油回收機(jī)(簡(jiǎn)稱溢油回收機(jī))。

1 主要技術(shù)性能參數(shù)

溢油回收機(jī)系統(tǒng)主要技術(shù)性能參數(shù)為：回收速率200 m3/h；理論回收效率97%；適應(yīng)浪高1.8 m；雙臂架最大張開角度120°；雙臂架張開后最大掃油寬度10 m；工作航行速度0～5 kn。

2 整機(jī)構(gòu)造

研制的溢油回收機(jī)是一種機(jī)械式動(dòng)態(tài)大型高效水面溢油回收裝置，主要由收油頭、動(dòng)力站、管路系統(tǒng)、電氣控制柜、無線遙控器、卷管架和儲(chǔ)油罐等組成(見圖1)。

2.1收油頭

收油頭是漂浮在水面上的部分，用于水面溢油的回收，采用可開合的雙剛性導(dǎo)油臂結(jié)構(gòu)型式，由撇油器總成、后浮筒、雙導(dǎo)油臂、導(dǎo)油臂開合驅(qū)動(dòng)液壓缸、四連桿定向機(jī)構(gòu)和卷揚(yáng)機(jī)等組成，其中導(dǎo)油臂的前部為前浮筒。

收油頭的2個(gè)導(dǎo)油臂前部和收油頭尾部共有4個(gè)浮桶，保證收油頭在水面上的工作浮性和穩(wěn)性。撇油器總成設(shè)置在2個(gè)后浮桶之間。收油頭不工作時(shí)，2個(gè)導(dǎo)油臂可合攏，減少運(yùn)輸和儲(chǔ)存空間；船舶拖帶收油頭航行時(shí)，2個(gè)導(dǎo)油臂同樣處于合攏狀態(tài)，以減少船舶航行阻力；收油頭收油工作時(shí)2個(gè)導(dǎo)油臂可張開，形成V字型導(dǎo)油結(jié)構(gòu)，2個(gè)導(dǎo)油臂夾角可在0～120°任意調(diào)整。圖2為收油頭雙導(dǎo)油臂最大張開狀態(tài)俯視圖。

撇油器總成是回收機(jī)系統(tǒng)收油的核心部件，運(yùn)用水動(dòng)力收油的原理[6-7]，由收油帶、集油井、垃圾切碎機(jī)、輸油泵和垃圾隔柵等組成。

2.2動(dòng)力站

溢油回收機(jī)采用自備的動(dòng)力站，無須任何外接動(dòng)力，以降低對(duì)船舶的配套要求，適應(yīng)溢油快速處置要求。動(dòng)力站是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力源，布置在工作船甲板上，由柴油機(jī)、液壓系統(tǒng)及其附件等組成，可有效避免電氣設(shè)備接近溢油可能導(dǎo)致的爆炸、燃燒等事故。

回收機(jī)系統(tǒng)的5個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)全部采用液壓驅(qū)動(dòng)方式，其中導(dǎo)油臂的開合機(jī)構(gòu)采用2個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)，收油帶、垃圾切碎機(jī)、輸油泵和卷揚(yáng)機(jī)各采用1個(gè)液壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)雙臂架同步開合的液壓控制系統(tǒng)主要有串聯(lián)液壓油缸開環(huán)同步控制系統(tǒng)、流量閥開環(huán)同步控制系統(tǒng)和液壓閉環(huán)同步控制系統(tǒng)[8-9]，為降低液壓控制系統(tǒng)的成本，同時(shí)滿足一定的控制精度(5%)要求，雙臂架同步工作采用溫度壓力補(bǔ)償?shù)恼{(diào)速閥開環(huán)同步控制系統(tǒng)。此外，為實(shí)現(xiàn)撇油器收油帶、輸油泵和垃圾切碎機(jī)的調(diào)速要求，這3個(gè)回路均采用電磁比例換向閥控制。

2.3管路系統(tǒng)

回收機(jī)系統(tǒng)的管路系統(tǒng)包括液壓軟管和輸油管。在非工作狀態(tài)下，管道可全部有序地纏繞在卷管架上，方便運(yùn)輸、貯存和使用。

收油頭的動(dòng)力來自于動(dòng)力站，系統(tǒng)工作時(shí)，動(dòng)力站置于工作船甲板上，收油頭置于水面上進(jìn)行收油作業(yè)，二者通過液壓軟管相連。溢油經(jīng)過輸油管輸送到工作船的船艙或儲(chǔ)油罐、浮動(dòng)油囊等儲(chǔ)油裝置中。為減少動(dòng)力站與收油頭之間的液壓軟管數(shù)量，同時(shí)降低成本，通過優(yōu)化收油頭總體布局，在滿足穩(wěn)性要求的情況下，將液壓控制閥組集成在收油頭頂部，使動(dòng)力站與收油頭之間只有3根液壓軟管連接，且液壓軟管與動(dòng)力站和收油頭的連接全部采用快速接頭。

2.4電氣系統(tǒng)及無線遙控器

電氣系統(tǒng)主要包括電氣控制柜和無線遙控器等組件?；厥諜C(jī)系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程無線遙控技術(shù)，對(duì)回收機(jī)五大機(jī)構(gòu)的電磁液壓換向閥實(shí)施控制，能有效控制半徑為50 m的圓形區(qū)域，且不受障礙物的影響。回收機(jī)系統(tǒng)五大機(jī)構(gòu)既可全部采用無線遙控，也可采用現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制。電氣控制柜和電氣元件全部采用防爆技術(shù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1收油帶線速度與水流速度、油膜厚度匹配技術(shù)

合理匹配收油帶運(yùn)轉(zhuǎn)速度與相對(duì)水流速度、油層厚度的關(guān)系是提高回收機(jī)系統(tǒng)回收速率和回收效率的關(guān)鍵。應(yīng)用CFX仿真軟件對(duì)下行帶式撇油器的收油過程進(jìn)行三維建模、量綱分析和仿真分析，研究得出收油帶線速度與相對(duì)水流流速和油膜厚度的匹配關(guān)系。通過系統(tǒng)檢測(cè)的收油頭與水流的相對(duì)速度和油膜厚度，根據(jù)匹配關(guān)系，由比例換向閥智能調(diào)節(jié)收油帶的線速度，獲得最佳收油效果。

3.2集油井油水界面檢測(cè)與輸油泵自動(dòng)控制技術(shù)

收油頭的集油井為近似錐形封閉結(jié)構(gòu)，其上部收口與垃圾切碎機(jī)的入口銜接，便于溢油或垃圾在輸油泵的抽吸作用下通過垃圾切碎機(jī)。

收油頭的收油帶回收的油水混合物沿收油帶下行，繞過收油帶底部的改向滾筒后在集油井集聚，并在重力的作用下快速分離，溢油上浮到集油井頂部。集油井內(nèi)設(shè)有油水分界面檢測(cè)裝置，根據(jù)分界面的高低變化自行判定集油井內(nèi)溢油的多少，通過比例換向閥自動(dòng)控制輸油泵的啟停和轉(zhuǎn)速變化，確保輸油泵輸出的油水混合物中水含量盡可能低，提高系統(tǒng)的回收效率(即回收油的純度)。

3.3垃圾切割輸油泵技術(shù)

回收機(jī)系統(tǒng)的輸油泵為凸輪轉(zhuǎn)子泵，具有自吸能力強(qiáng)、揚(yáng)程大、耐磨損、壽命長(zhǎng)、設(shè)計(jì)緊湊和適宜輸送不同黏度的介質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。

收油頭進(jìn)水口前部安裝有垃圾隔柵，大塊垃圾可被有效地過濾，而透過垃圾隔柵進(jìn)入集油井和輸油泵的小量垃圾仍有可能導(dǎo)致系統(tǒng)工作實(shí)效。為此，在收油頭集油井與輸油泵之間設(shè)置專用的垃圾切碎機(jī)，轉(zhuǎn)速可在一定范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，粒度在40 mm以上的大塊垃圾可自行切割打碎，并順利通過輸油泵，有效避免水面漂浮物對(duì)收油頭堵塞的影響。

3.4船舶柔性側(cè)掛四連桿同步定向技術(shù)

圖2中，收油頭采用船舶柔性側(cè)掛四連桿作為同步定向機(jī)構(gòu)，四連桿在導(dǎo)油臂開合液壓缸的作用下運(yùn)動(dòng)，在收油頭牽引纜繩的作用下確保導(dǎo)油臂前浮桶外側(cè)和四連桿拐點(diǎn)與船體側(cè)舷接觸，從而保證收油頭的導(dǎo)油臂開口方向與船體航行方向一致，提高收油頭姿態(tài)調(diào)整的準(zhǔn)確性，確?；厥账俾屎突厥招首罴?。

基于船舶柔性側(cè)掛四連桿同步定向技術(shù)的最大特點(diǎn)：

1) 四連桿的動(dòng)作無需專門動(dòng)力，巧妙地利用導(dǎo)油臂開合液壓缸的動(dòng)力，同時(shí)設(shè)計(jì)上要確保四連桿機(jī)構(gòu)避開運(yùn)動(dòng)死點(diǎn)。

2) 無論2個(gè)導(dǎo)油臂開合多大角度，四連桿機(jī)構(gòu)始終同步動(dòng)作，確保收油頭導(dǎo)油臂開口方向始終與船舶航行方向近似一致。

4 試驗(yàn)研究

回收機(jī)系統(tǒng)的試驗(yàn)工作主要依據(jù)《帶式收油機(jī)》交通運(yùn)輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)工作主要分為3個(gè)階段，各階段具有不同的試驗(yàn)?zāi)康暮驮囼?yàn)方案。

4.1靜水無油試驗(yàn)

該階段試驗(yàn)在交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院大興實(shí)驗(yàn)基地綜合消防水池中進(jìn)行，在收油頭未涂裝面漆之前，整機(jī)下水進(jìn)行試驗(yàn)。

在靜水條件下逐項(xiàng)驗(yàn)證收油頭浮筒等主結(jié)構(gòu)的氣密性及導(dǎo)油臂開合過程中收油頭的穩(wěn)性、漂浮性、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性和安全性等指標(biāo)，測(cè)量導(dǎo)油臂開合角度和掃油寬度等，檢驗(yàn)收油帶、切碎機(jī)、輸油泵、卷揚(yáng)機(jī)、臂架開合機(jī)構(gòu)及四連桿機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)單獨(dú)和聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)的平順性等，對(duì)不滿足要求的項(xiàng)目進(jìn)行整改，直至所有項(xiàng)目均滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2靜水真油試驗(yàn)

該階段試驗(yàn)在采用高強(qiáng)度PVC布料、各種鋼管及型材等搭建的臨時(shí)溢油試驗(yàn)水池中進(jìn)行。水池長(zhǎng)22 m，寬13 m，高1.75 m，水深1.4 m，蓄水量約400 m3；臨時(shí)儲(chǔ)油罐容積為5～10 m3，4套；試驗(yàn)用油為原油，7.5 t；55 kW變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)造流裝置1套(包括變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的調(diào)速水泵、緩沖罐、循環(huán)管道、導(dǎo)流槽等)；輸油泵2臺(tái)。圖3為溢油試驗(yàn)原理與試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。

由圖3可知，收油頭置于試驗(yàn)水池中央位置，其后部出水口連接變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的調(diào)速水泵，水泵輸出水進(jìn)入緩沖罐，經(jīng)過循環(huán)管道將水輸送至導(dǎo)流槽內(nèi)形成勻速的水流，流向收油頭的進(jìn)水口形成水流循環(huán)。變頻電動(dòng)機(jī)通過對(duì)水泵進(jìn)行調(diào)速實(shí)現(xiàn)導(dǎo)流槽內(nèi)水流速度的變化，水流流速可控制在0～5 kn。

4.2.1回收速率和效率試驗(yàn)

通過投油管道向?qū)Я鞑蹆?nèi)投入不同黏度和不同流量的原油，原油與水混合后進(jìn)入到收油頭內(nèi)，通過收油頭收油。回收的油水混合物由輸油泵和輸油管道輸送至臨時(shí)儲(chǔ)油罐中。

回收速率除了可按照《帶式收油機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法求取之外，還可將流量計(jì)直接連接到輸油泵的出口處，測(cè)其穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的輸出流量，取3次測(cè)量的平均值。

為準(zhǔn)確檢測(cè)溢油回收機(jī)的回收效率，專門制作檢測(cè)設(shè)備，包括油水分離罐和儲(chǔ)水容器等。油水分離罐和儲(chǔ)水容器應(yīng)便于計(jì)算及測(cè)量所含液體的體積(見圖4)。

在模擬相對(duì)水流速度為3 kn的條件下，回收機(jī)回收速率達(dá)到237 m3/h，回收效率達(dá)到97%。

試驗(yàn)過程中，當(dāng)回收機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通過三通轉(zhuǎn)換開關(guān)將回收的油水混合物直接注入到油水分離罐內(nèi)。油水混合物靜置一段時(shí)間后在重力的作用下分離，水下沉到分離罐的底部。打開分離罐底部的排水開關(guān)，分離水流到儲(chǔ)水容器內(nèi)，通過控制開關(guān)使流量適中，直至有塊狀原油溢出。此時(shí)測(cè)量3次排出水的體積，計(jì)算收油機(jī)的回收效率。檢測(cè)過程中應(yīng)控制好環(huán)境溫度，不宜在高溫條件下檢測(cè)，以減少原油的乳化。

4.2.2垃圾適應(yīng)性試驗(yàn)

采用稻草、樹葉、雜草、三合板、紙盒、包裝泡沫、各種蔬菜和冰塊等模擬水面垃圾，以盡可能地反映事故水面的垃圾種類和特性(見圖5a)。

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，回收機(jī)垃圾切碎機(jī)完全可以自行切割大塊垃圾(一般塊狀最大尺度<120 mm，條狀的長(zhǎng)度<300 mm)，順利通過輸油泵。經(jīng)實(shí)測(cè)，輸油泵排出來的垃圾碎屑最大尺寸≤35 mm(如圖5b所示)，不影響輸油泵的正常工作。

4.3海上試驗(yàn)

在青島市中苑碼頭外側(cè)海域?qū)σ缬突厥諜C(jī)的牽引航行、船舷柔性側(cè)掛、穩(wěn)性、導(dǎo)油臂開合、四連桿定向、各機(jī)構(gòu)獨(dú)立和聯(lián)合動(dòng)作等進(jìn)行試驗(yàn)及演習(xí)(見圖6)。通過海上試驗(yàn)，驗(yàn)證收油機(jī)在3級(jí)海況環(huán)境條件下具有較好的穩(wěn)性和波浪適應(yīng)性，各機(jī)構(gòu)工作情況良好。

5 結(jié)束語

研制的全液壓驅(qū)動(dòng)船用雙臂架溢油回收機(jī)主要由收油頭、動(dòng)力站、管路系統(tǒng)、電氣控制柜、無線遙控器、卷管架及儲(chǔ)油罐等部件組成?；厥諜C(jī)采用船舶柔性側(cè)掛四連桿同步定向技術(shù)、收油帶線速度與水流速度及油膜厚度匹配、集油井油水界面檢測(cè)與輸油泵自動(dòng)控制等關(guān)鍵技術(shù)，并搭建臨時(shí)溢油試驗(yàn)水池進(jìn)行回收機(jī)的靜水試驗(yàn)及海上試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，回收機(jī)的回收速率可達(dá)237 m3/h，回收效率可達(dá)97%，輸油泵排出的垃圾碎屑最大尺寸≤35 mm。

從目前的研究成果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，研制的全液壓驅(qū)動(dòng)船用雙臂架溢油回收機(jī)具有掃油寬度大、回收速率和回收效率高、垃圾適應(yīng)性強(qiáng)、布放速度快和自動(dòng)化水平高等特點(diǎn)。我國(guó)大型高效溢油回收機(jī)的研制工作仍處于起步階段，與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比有較大差距，仍需積極推進(jìn)相關(guān)研發(fā)工作。此外，溢油應(yīng)急技術(shù)與裝備的試驗(yàn)檢測(cè)工作專業(yè)性很強(qiáng)，而我國(guó)目前沒有專門的試驗(yàn)水池，溢油檢測(cè)方法和檢測(cè)設(shè)備還需進(jìn)一步完善。

[1] 張樂, 竺柏康, 李翠翠,等. 自航式海上溢油回收裝置研究[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保, 2014, 40(11):82-84.

[2] 史一凡, 孫健, 胡昊. 基于無人機(jī)技術(shù)的低空海洋溢油監(jiān)測(cè)巡航路徑[J]. 中國(guó)航海, 2014, 37(1):136-140.

[3] 楊瑞, 顧群. 基于北斗衛(wèi)星的溢油跟蹤浮標(biāo)[J]. 上海海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 35(3):23-27.

[4] 蘭冬東, 鮑晨光, 馬明輝,等. 海洋溢油風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)方法及其應(yīng)用[J]. 海洋環(huán)境科學(xué), 2014, 33(2):287-292.

[5] 張銀東, 張興明, 楊杰,等. 動(dòng)態(tài)斜面式海上溢油機(jī)械回收技術(shù)改進(jìn)[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 33(12):1702-1706.

[6] 王世剛, 楊前明, 郭建偉,等. 船攜式海面溢油回收機(jī)液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備, 2012(3):1-2.

[7] 羅艷蕾. 液壓同步回路及同步控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方法[J]. 液壓與氣動(dòng), 2004(4):65-67.

[8] 任大林. 液壓同步控制系統(tǒng)控制方法及應(yīng)用研究[D]. 沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué), 2009.

[9] 張德文, 張同戌, 賈志平,等. 全液壓驅(qū)動(dòng)內(nèi)河水上溢油高效回收系統(tǒng)[J]. 水運(yùn)科學(xué)研究, 2010(2):18-22.

DevelopmentofFullHydraulicMarineSkimmerwithSweepingArm

ZHANGDewen,ZOUYunfei,ZHANGPeng,SONGZhiguo,DINGMin

(China Waterborne Transportation Research Institute, Beijing 100088, China)

U698.7

A

2016-11-15

國(guó)家發(fā)改委海洋工程裝備研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目(發(fā)改辦高技〔2015〕1409號(hào))；國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2012BAC14B01)

張德文(1966—)，山東萊陽人，研究員，碩士，主要研究方向?yàn)橐缬蛻?yīng)急與處置技術(shù)及裝備研發(fā)。E-mail:zhangdw@wti.ac.cn

1000-4653(2017)01-0016-04