謝飛

中海石油（中國(guó)）有限公司崖城作業(yè)公司

隨著油品運(yùn)輸量增長(zhǎng)，碼頭裝卸作業(yè)變得日益頻繁，油品屬于危險(xiǎn)化學(xué)品[1]，而國(guó)家對(duì)安全環(huán)保的重視使碼頭作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化成為必然[2]。油碼頭裝卸作業(yè)時(shí)存在較大的溢油事故風(fēng)險(xiǎn)[3]，為避免油泄漏造成大面積海面和沙灘污染，必須在船舶靠泊碼頭裝卸作業(yè)時(shí)布設(shè)圍油欄，防止事故溢油的油層擴(kuò)散[4]，對(duì)裝卸或過(guò)駁作業(yè)的液貨船布放圍油欄作為一種有效的溢油防范措施已得到業(yè)界認(rèn)可[5]。圍油欄的布放、回收等工作需要大量人員和工作艇協(xié)助[6]。作業(yè)中圍油欄在碼頭或船體上滑動(dòng)磨損，回收時(shí)圍油欄攜帶大量的海水和油污，對(duì)圍油欄及其附屬設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕。圍油欄的常規(guī)清洗是待裝卸油作業(yè)完成后，逐節(jié)拆除圍油欄，將其平鋪在地面上翻轉(zhuǎn)兩面清洗，清洗費(fèi)時(shí)耗力且浪費(fèi)資源，裝卸頻繁的碼頭每年圍油欄的維護(hù)費(fèi)都較高。

1 圍油欄傳統(tǒng)布放與清洗

圍油欄在岸或船上向水中布放時(shí)，應(yīng)有拖船或其他輔助設(shè)施配合，布放拖動(dòng)掃油常用U(V)型和J型雙船拖動(dòng)[7]。圍油欄在岸和船邊滑動(dòng)摩擦易被刮傷，通常選用滾輪或溜槽等放在凸角處收放，但無(wú)法完全避免圍油欄的磨損或刮傷。為防止圍油欄的滑動(dòng)磨損，布放、回收圍油欄時(shí)，最少還需要11人協(xié)同作業(yè)，6人在岸邊或拖船上托起輸送圍油欄，1人操作圍油欄液壓卷繞機(jī)，1人現(xiàn)場(chǎng)指揮協(xié)調(diào)，拖帶船或艇上3人牽引拖帶圍油欄和連掛浮子等。

傳統(tǒng)的清洗方式是利用液壓卷繞機(jī)[8]回收圍油欄，然后大量人員配合液壓卷繞機(jī)將圍油欄平放在寬闊的地面上，用高壓水槍逐節(jié)清洗，清洗完圍油欄的一面再清洗另一面，待清洗完成后再通過(guò)液壓卷繞機(jī)逐節(jié)收回。連續(xù)裝卸油作業(yè)時(shí)，為不影響裝卸周期，需等連續(xù)裝卸油作業(yè)結(jié)束后才能清洗，故圍油欄及其液壓卷繞機(jī)受海水或油污的長(zhǎng)期浸泡而嚴(yán)重腐蝕。清洗平鋪在地面的圍油欄時(shí)，清洗污水反復(fù)回流污染干凈的圍油欄，而清洗質(zhì)量本身受人為因素影響較大，因此整個(gè)作業(yè)效率較低。另外，清洗污水難以有效回收，容易造成二次環(huán)境污染。

以三亞南山基地碼頭裝卸油為例，每次布放7節(jié)（每節(jié)長(zhǎng)30 m）浮式圍油欄，最少需要11人約4 h協(xié)助收放作業(yè)和10人約10 h的清洗勞動(dòng)，耗用淡水約5 m3。

2 新型裝置構(gòu)成及其工作原理

針對(duì)圍油欄和傳統(tǒng)收放方法的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)輔助布放、回收和洗清為一體的裝置協(xié)助作業(yè)，實(shí)現(xiàn)圍油欄快速布放、回收時(shí)保護(hù)圍油欄及其清洗工作一體化，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度和減少人力投入。

2.1 收放結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圍油欄存儲(chǔ)有排放、堆放，也可用絞盤卷繞。布放時(shí)圍油欄在水里不能扭絞，其浮體穩(wěn)定漂浮在水面，裙體應(yīng)正常展開(kāi)，張力帶連接牢固，配重下垂使圍油欄處于理想狀態(tài)，接頭連接牢固等[9]。為滿足圍油欄的布放、回收和存儲(chǔ)要求，設(shè)計(jì)裝置分為兩部分：輔助布放、回收和作業(yè)時(shí)保護(hù)圍油欄；圍油欄清洗。

2.1.1 收放結(jié)構(gòu)

如圖1所示，快速收放結(jié)構(gòu)主要包括底座支架、角度支架、角度調(diào)節(jié)螺桿、活動(dòng)連接套、托輥、立柱滾筒。

圖1 圍油欄快速收放清洗裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematic diagram of fast up-down and cleaning device for oil containment boom

圍油欄從液壓卷繞機(jī)上放出和回收時(shí)，利用支架支撐取代人力托起傳送。為使裝置適應(yīng)不同尺寸的卷繞機(jī)和圍油欄，設(shè)計(jì)兩層支撐架（固定支架和活動(dòng)可調(diào)支架），都可作為布放和回收圍油欄的輔助支架，并可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和圍油欄的尺寸選擇使用。

角度支架通過(guò)銷軸固定安裝在底座上，靠近卷繞機(jī)一端的支架長(zhǎng)度和角度都可調(diào)節(jié)，用活動(dòng)連接套的伸縮來(lái)調(diào)整支架的長(zhǎng)度，用角度調(diào)節(jié)螺桿來(lái)調(diào)節(jié)角度，范圍在0°～85°之間，支架用鋼材制作而成。為減小圍油欄穿過(guò)支架時(shí)的摩擦力，設(shè)計(jì)可沿軸自轉(zhuǎn)的托輥來(lái)支撐和傳輸圍油欄，托輥軸的兩端固定在支架上。圍油欄滑行通過(guò)支架時(shí)，托輥隨圍油欄的滑落傳帶而自轉(zhuǎn)，有效降低圍油欄的滑動(dòng)摩擦力，支架相當(dāng)于輸送帶。如圖2所示，托輥由滾筒、軸及軸承組成。為防止圍油欄在支撐架上滑動(dòng)時(shí)跑偏，角度支架兩端設(shè)置立柱滾筒起限位作用。

圖2 托輥示意圖Fig.2 Schematic diagram of roller

2.1.2 收放原理

根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整適當(dāng)?shù)闹Ъ荛L(zhǎng)度和傾斜角度。圍油欄從液壓卷繞機(jī)上平輔放出滑行穿過(guò)支架，圍油欄在支架與海面的高度上懸空，懸空段圍油欄在重力作用下自滑到海面，滑落速度受制于支架角度和卷繞機(jī)的轉(zhuǎn)速兩個(gè)因素，角度越大滑落速度越快，反之亦然。布放時(shí)，懸空段圍油欄因配重部件較重，致使懸空段配重部件垂直入水，穩(wěn)定漂浮在海面上。

圍油欄由浮體、裙體、張力帶、配重和接頭組成[10]，其兩面都垂直于海面?；厥諘r(shí)，圍油欄在脫水點(diǎn)與第一個(gè)托輥之間懸空，圍油欄受卷繞機(jī)的拉力、重力、水面浮力和阻力[11]、托輥支撐力和摩擦力的作用，懸空段圍油欄使裙體垂直向下，拉到第一個(gè)托輥上后，全部重力支撐在托輥上，在支架上的圍油欄由垂直向下轉(zhuǎn)換為水平方向。卷繞機(jī)需克服懸空段圍油欄的重力、海面段的阻力和支架上的摩擦力才能拉起圍油欄，此時(shí)支架角度越小，懸空段圍油欄的重力分力就越小，卷繞機(jī)絞盤的回收拉力也越小。立柱滾筒在支架兩邊，防止圍油欄左右橫向移動(dòng)而滑離支架。

2.2 清洗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圍油欄需要清洗的原因有兩種：沒(méi)有發(fā)生油品泄漏，清洗圍油欄攜帶的海水，用淡水沖洗便可，清洗污水無(wú)污染，可直接排放；裝卸油作業(yè)時(shí)已發(fā)生油品泄漏，圍油欄表面吸附的油污和攜帶的海水都需要清洗，清洗污水須作回收處理。

圍油欄需要兩面清洗，要求無(wú)人力投入、自動(dòng)化機(jī)械清洗和清洗污水的回收。為避免反復(fù)放、收作業(yè)，在圍油欄回收穿過(guò)支架時(shí)完成清洗最合適。

如圖3所示，清洗結(jié)構(gòu)包括上、下兩條清洗水管和外接水管，從上、下兩個(gè)方向噴水兩面清洗圍油欄。水管上設(shè)噴水孔，保證噴出的水形成沖洗水幕覆蓋圍油欄的兩面，擰調(diào)清洗水管的連接螺紋，可改變水幕噴射方向，清洗水管用U型卡固定在底座上。選用淡水作為清洗用水較方便，用快速接頭連接接入，利用進(jìn)水閥（球閥）調(diào)控水量。清洗水管頂部設(shè)置人字形擋水蓋遮擋噴射飛濺水流，導(dǎo)流清洗污水。

圖3 清洗結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of cleaning structure

2.3 噴嘴和水量計(jì)算

根據(jù)水經(jīng)小孔射流漸進(jìn)成形結(jié)構(gòu)分段特性，噴嘴噴射水流基本段的末段水射流具有較大的沖擊壓力和沖洗橫截面，因此選擇基本段末段作為清洗端。

2.3.1 噴嘴直徑和選型

根據(jù)圍油欄尺寸和清洗水源壓力確定上、下2條清洗管間距，得到清洗水柱射流起始段長(zhǎng)度lf，數(shù)值為噴嘴出水口到清洗點(diǎn)的直線距離。依據(jù)薛勝雄在《高壓水射流技術(shù)工程》書(shū)中介紹的前蘇聯(lián)學(xué)者根據(jù)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)公式[12]反推計(jì)算出噴嘴直徑，即

式中：lf為射流起始段長(zhǎng)度（取上、下兩條清洗管線噴嘴出水口到清洗點(diǎn)的直線距離158 mm），mm； A為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取決于孔內(nèi)表面加工質(zhì)量，查表為112；B為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，主要取決于雷諾數(shù)，取68×10-6； Re為基本段的雷諾數(shù)，取0.2×106；v為射流速度，m/s； μ為運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s，取1.0×10-6[14]。

因圍油欄通常為橡膠復(fù)合制品，清洗圍油欄表面吸附的油污和攜帶的海水時(shí)，選用中低壓射流清洗[13]，加壓后的淡水壓力按10 MPa計(jì)算，再依據(jù)南山終端碼頭使用的圍油欄尺寸（浮筒直徑100 mm，寬度570 mm），由公式（1）計(jì)算出噴嘴直徑d為1.61 mm。

在射流噴嘴系列中，扇形噴嘴產(chǎn)生平坦均勻的扁平射流，其射流致密性好，擴(kuò)散角可以在較大范圍變化，射流打擊力大且分布均勻，同時(shí)適用于低壓和高壓清洗；回收圍油欄時(shí)清洗屬于通過(guò)式清洗，所以選擇扇形噴嘴作為清洗噴嘴[15-16]，考慮到發(fā)生油品泄漏概率很少，常用自來(lái)水作為清洗水源，噴嘴直徑圓整為2.0 mm。

2.3.2 噴嘴總數(shù)和清洗水量

依據(jù)圍油欄的寬度確定清洗長(zhǎng)度，為確保清洗質(zhì)量而適當(dāng)預(yù)留余量，利用圍油欄的寬度乘保險(xiǎn)系數(shù)（1.1）得清洗長(zhǎng)度l為627 mm，選定噴嘴噴射角a為120°，計(jì)算出水射流基本段清洗射流截面底邊寬度A，即

由公式（2）可得 A為547.32 mm，上、下2條清洗管線的長(zhǎng)度可由下式求得

由公式（3）計(jì)算出噴嘴數(shù) n為1.15，取2，上、下2條管線的總清洗噴嘴為4個(gè)。

噴嘴的選擇和設(shè)計(jì)要根據(jù)與之相匹配的泵的排量和揚(yáng)程來(lái)確定。對(duì)于連續(xù)射流，在噴嘴出口截面內(nèi)外兩點(diǎn)應(yīng)用伯努利方程，忽略兩點(diǎn)之間的高度差且通過(guò)噴嘴前后液體相等[17-18]可推導(dǎo)出

式中：qt為射流理論流量，L/min；d為噴嘴出口直徑，mm； p為射流壓力，MPa。

未發(fā)生油品泄漏時(shí)，清洗圍油欄攜帶的海水，取射流壓力為0.3 MPa，單個(gè)噴嘴淡水用量為4.6 L/min。已發(fā)生油品泄漏時(shí)，清洗圍油欄表面吸附的油污和攜帶的海水，由公式（5）計(jì)算出理論單個(gè)噴嘴清洗水量為26.56 L/min，清洗水總流量計(jì)算式為

式中：Qs為清洗水總流量，m3；t為清洗時(shí)間，min，取 18 min。

由公式（6）可得，未發(fā)生油品泄漏時(shí)，用自來(lái)水作為清洗水源，國(guó)家規(guī)定的自來(lái)水管網(wǎng)水壓在0.14～0.35 MPa之間[19]，取射流壓力為0.3 MPa，計(jì)算出清洗用水量為0.331 m3；發(fā)生油品泄漏后，清洗用水量為1.91 m3。

2.4 清洗原理和方法

未發(fā)生油品泄漏時(shí)，圍油欄只攜帶海水，適當(dāng)調(diào)節(jié)清洗水管的連接螺紋。圍油欄通過(guò)支架時(shí)，水從噴嘴噴射沖洗圍油欄，噴射流與圍油欄回收滑行移動(dòng)方向成一定楔角，射流水楔角橫掃圍油欄，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的橫移速度可增強(qiáng)噴射沖擊力，利于海水的剝離脫落。因支架托輥2高于支架托輥1，清洗污水從高到低流向未清洗的圍油欄端直接排放，確保已清洗過(guò)的圍油欄不受污水的浸染。

已發(fā)生油品泄漏時(shí)，圍油欄表面吸附著油污和海水，自來(lái)水需增壓才能滿足清洗要求。在水源接入口處增設(shè)1臺(tái)水壓增壓泵和清洗劑的虹吸泵，按比例吸入清洗劑助力清洗效果，因清洗過(guò)的污水含油污需回收處理，可將快速收放清洗裝置置于容器中。圍油欄通過(guò)支架托輥1上方后，在支架上有多種繞法：①底座托輥1下→支架托輥2下或上（可根據(jù)實(shí)際情況確定）→支架托輥3、4、5上；②底座托輥1上→支架托輥2下→底座托輥2下→支架托輥4、5上；③支架托輥2下→支架托輥3、4、5上，等等。根據(jù)實(shí)際需要，利用托輥之間的相對(duì)位置關(guān)系，創(chuàng)造出圍油欄的清洗、污水排放和收集的有利條件，同時(shí)避免清洗后的污水造成圍油欄二次污染。

如選用①繞法且圍油欄從支架托輥2的下方通過(guò)，圍油欄在支架托輥1、底座托輥1、支架托輥2和支架托輥3的相互作用下，形成V形槽。清洗時(shí)，水和清洗劑的混合物從噴嘴噴射橫掃圍油欄，在清洗劑和射流水楔力沖擊下，油污垢層破碎脫落并剝離沖走。支架托輥3高于支架托輥2和底座托輥1，清洗污水流向V形槽的低處；而支架托輥1高于底座托輥1，阻止污水沿圍油欄表面流向海里，從V形槽的最低點(diǎn)兩側(cè)向外排到底部容器，被收集的清洗污水經(jīng)油水分離處理合格后再排放。如一次清洗潔凈度不夠，通過(guò)托輥之間的配合卷繞，可再增加1套收放清洗裝置作二次清洗。

清洗時(shí)，上清洗管線的噴嘴向下噴水，射到圍油欄上的水沖擊圍油欄，反彈飛濺，未噴在圍油欄上的水射向地面或底座容器中；下清洗管線的噴嘴向上噴水，未射到圍油欄上的水射向空中霧化消散，污染環(huán)境且淋濕作業(yè)人員。擋水蓋在前后兩個(gè)方向擋住飛濺水流，同時(shí)擋住下水管噴嘴射向空中的無(wú)用水流，導(dǎo)流回到圍油欄，防止水霧飛揚(yáng)的場(chǎng)面。

3 效益評(píng)價(jià)結(jié)果

如表1所示，基于南山終端碼頭裝卸油作業(yè)，綜合統(tǒng)計(jì)裝置使用前后各320船次的平均數(shù)據(jù)，檢測(cè)對(duì)比新型裝置使用前后的作業(yè)時(shí)間、投入人力、油水消耗，驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果。

以南山終端碼頭裝卸油作業(yè)為例，檢測(cè)結(jié)果表明，使用新裝置可保護(hù)圍油欄在布放、回收過(guò)程中不受損傷，清洗及時(shí)，避免圍油欄造成損害。與傳統(tǒng)的清洗方式相比，工作時(shí)間由原來(lái)的4 h縮短到現(xiàn)在的1.5 h，節(jié)省布放、回收作業(yè)時(shí)間2.5 h，3人就可操作，相比之前節(jié)省最少需要8人托起圍油欄的勞動(dòng)力；每次用水量?jī)H為0.5 m3，液壓卷繞機(jī)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間減少12.5 h，節(jié)省燃油50 L，作業(yè)要求人員少，清洗及時(shí)且清洗質(zhì)量顯著提高。每次作業(yè)節(jié)省10人10 h的清洗工作，節(jié)省清洗淡水量4.5 m3。根據(jù)5年的統(tǒng)計(jì)，圍油欄消耗（更換或修補(bǔ)）從平均每年3～4條減少到5年1～2條。

表1 使用設(shè)計(jì)裝置前后作業(yè)平均數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.1 Avarage data comparison before and after using the designed device

4 結(jié)束語(yǔ)

水上運(yùn)輸是我國(guó)綜合運(yùn)輸體系中的重要組成部分，正日益顯示出其巨大作用，對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的全球化和世界范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)聯(lián)系發(fā)揮著極其重要的作用。海上或碼頭裝卸油作業(yè)時(shí)，圍油欄面積、質(zhì)量大，布放、回收作業(yè)耗時(shí)長(zhǎng)，人工清洗工作量很大。圍油欄價(jià)格昂貴，保護(hù)好圍油欄、節(jié)省勞動(dòng)力和提高工作效率非常必要。通過(guò)設(shè)計(jì)和使用該裝置，實(shí)現(xiàn)了圍油欄的收放、清洗一體化，可降低勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短作業(yè)時(shí)間，提高工作效率。