李國斌，孫志輝，周董明，呂天帥，周 巖

（青島歐森系統(tǒng)技術(shù)有限公司，山東 青島 266071）

1 研究?jī)?nèi)容

為了進(jìn)行有效的沉潛油回收處置，文章以“研發(fā)一套小型快速反應(yīng)沉潛油移動(dòng)回收裝備，其依托母船進(jìn)行工作，可以對(duì)海底或圍控后成穩(wěn)定狀態(tài)的固相、液相沉潛油進(jìn)行高效率回收清除”為目標(biāo)，以達(dá)到最大深度為30m、最大作業(yè)半徑為50m、可處理沉潛油油量為60m3/h以及回收率不小于70%的考核指標(biāo)。

2 各單元試驗(yàn)

研究人員以工作母船作為載體，設(shè)計(jì)了由前端集油裝置、高效吸油泵、沉潛油回收控制系統(tǒng)、零浮力纜、卷纜架等關(guān)鍵裝置組成的沉潛油移動(dòng)回收裝備。在作業(yè)時(shí)，通過母船上的吊機(jī)將前端集油裝置、高效吸油泵及輸油管路布放到水中，由安裝在母船甲板上的沉潛油回收控制系統(tǒng)和動(dòng)力單元對(duì)其進(jìn)行操控。以下介紹具體的裝備結(jié)構(gòu)信息。

2.1 前端集油裝置

前端集油裝置主要由收油頭、水下載體、集成附件（深水?dāng)z像頭、LED照明）等組成，被設(shè)計(jì)為可通過遙控或潛水員2種形式進(jìn)行操作。其主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選型包括如下方面。

（1）收油頭（見圖1）。收油頭的功能是收集水中的半潛油或沉到海底的沉降油。為提高吸附面積，收油頭的前端集油口1設(shè)計(jì)成喇叭口形式，在集油口內(nèi)設(shè)有隔柵5，防止大塊沙石進(jìn)入輸油管，阻塞管道?？紤]到沉降到海底砂石上的溢油，集油口前方設(shè)置滾刷2，能夠?qū)⒏街胶５咨笆系囊缬颓宄聛恚苯铀偷捷斢凸芪?，黏附在毛刷上的溢油則由輸油管前端的刮油板4刮下。

圖1 收油頭結(jié)構(gòu)圖

（2）滾刷驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)選型。滾刷在水下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)速度n=100r/min，滾刷半徑R=100，其中無刷絲部分半徑r=40mm，則其所需要的電機(jī)力矩按式（1）計(jì)算。

式中：M為電機(jī)所需提供的力矩，Nm；MV為滾刷滾動(dòng)時(shí)水的黏滯阻力矩，Nm；Mf為滾刷與砂石的摩擦阻力矩，Nm；MG為滾刷的慣性力矩，Nm。

最終計(jì)算得：M=4.32Nm

則電機(jī)功率P=2πnM/60=90W

根據(jù)計(jì)算選取無刷力矩電機(jī)型號(hào)TBSM60-50A27，選用減速比為1∶20的行星減速器60-L2。

（3）滾刷擺動(dòng)電動(dòng)推桿的設(shè)計(jì)選型。在處理海底砂石上的沉降油時(shí)需要用滾刷回收。針對(duì)半潛油時(shí)可以直接用集油口回收，這時(shí)為了擴(kuò)大集油面積，提高集油效率，滾刷就需擺動(dòng)到集油口上端，讓出集油口位置，這個(gè)動(dòng)作需要采用電動(dòng)推桿來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)相關(guān)力學(xué)模型分析（見圖2），計(jì)算得出電動(dòng)推桿推力F。

式中：G=70N；L1=0.086m；L2=0.187m。計(jì)算得出F=152N。

取安全系數(shù)5，測(cè)量電動(dòng)推桿行程小于65mm，電動(dòng)推桿最終選型推拉力1500N，行程100mm。

圖2 滾刷電動(dòng)推桿的力學(xué)模型

2.2 水下載體

水下載體是沉潛油回收裝置水下主要承載部件，前端連接收油頭，后端連接船上輸油管，自身還集成了水下攝像頭、LED燈、水下推進(jìn)器、潛水員操作手柄等。

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。沉潛油回收裝置在水下的移動(dòng)速度不宜太快，選擇在0.5m/s；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合水下30m要求，材料具備抗海水腐蝕性。連接收油頭、輸油管及自身附件后，整體所受重力和浮力相等且重心（Xg、Yg、Zg）和浮心（Xc、Yc、Zc）在同一鉛垂線上，即Xg=Xc，Zg=Zc。為了保證載體的穩(wěn)定平衡狀態(tài)，其浮心必須低于重心。這樣，當(dāng)載體受到海流作用而傾斜的時(shí)候，就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)原力矩，使載體回到原來的平衡位置。對(duì)于整套系統(tǒng)而言，采用模塊化的組裝方式，先對(duì)分系統(tǒng)進(jìn)行重心分析及浮力配平操作，然后對(duì)總系統(tǒng)進(jìn)行浮力配平。由模型軟件直接計(jì)算得出水下集油裝置參數(shù)：質(zhì)量=92988.24g；體積=91478175.50mm3；表面積=13184274.85m2；靜穩(wěn)心高h(yuǎn)=Yc-Yg=79.53mm。依據(jù)以上要求，結(jié)合沉潛油回收的實(shí)際工況，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（見圖3）。

圖3 沉潛油回收裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

（2）推進(jìn)器的設(shè)計(jì)及功率選擇。水下載體由于本身重量太大，潛水員很難在水下自如操作，需要推進(jìn)器輔助。設(shè)5臺(tái)推進(jìn)器（選擇正反轉(zhuǎn)能提供推力13kgf的水下推進(jìn)器），升降動(dòng)作1臺(tái)，前后及轉(zhuǎn)向動(dòng)作4臺(tái)。

第一，前進(jìn)運(yùn)動(dòng)方向。迎水阻力面積，由軟件計(jì)算得出迎水面積s=0.372m2。水阻力按式（4）計(jì)算。

帶入數(shù)值，計(jì)算可得：F正阻=0.5×1025×1.5×1.5×0.372×1=428.963N，即F正阻=42.9kg。

前端集油裝置能提供最大前進(jìn)推力F正推=F1×-cos20° +F2×cos20° +F3×cos20° +F4×cos20°。帶入數(shù)值可得：F正推=13×cos20°×4=48.86kg＞F正阻=42.9kg。故選用4臺(tái)水平推進(jìn)器能夠滿足前進(jìn)推進(jìn)動(dòng)力。

第二，橫移運(yùn)動(dòng)方向。迎水阻力面積，由軟件計(jì)算得出迎水面積s=0.592m2。水阻力按式（4）計(jì)算。帶入數(shù)值，計(jì)算可得：F側(cè)阻=0.5×1025×0.6×0.6×0.592×1=109.3N，即F側(cè)阻=10.9kg。前端集油裝置能提供最大橫移推力F側(cè)推=F1×sin20° +F2×sin20° +F3×sin20°+F4×sin20°。帶入數(shù)值，可得：F側(cè)推=13×sin20°×4=17.79kg＞F側(cè)阻=10.9kg。故選用4臺(tái)水平推進(jìn)器能夠滿足橫移推進(jìn)動(dòng)力。

第三，上升下降運(yùn)動(dòng)方向。迎水阻力面積，由軟件計(jì)算得出迎水面積s=0.7058m2。水阻力按式（4）計(jì)算。帶入數(shù)值，計(jì)算可得：F浮阻=0.5×1025×0.5×0.5×0.7 058×1=90.43N，即F浮阻=9.43kg。前端集油裝置能提供最大上升推力F浮推=13kg＞F浮阻=9.43kg。故選用1頂升推進(jìn)器結(jié)構(gòu)滿足上升推進(jìn)動(dòng)力需求。

2.3 集成附件

除了收油頭，水下載體上還集成了為完成沉潛油回收作業(yè)所必需的其他附件（見表1）。

2.4 沉潛油回收控制系統(tǒng)

沉潛油回收控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制操作前端集油裝置及高效吸油泵對(duì)沉潛油進(jìn)行自動(dòng)捕捉和變頻收集。通過沉潛油探測(cè)器對(duì)沉潛油的精準(zhǔn)定位，可驅(qū)使前端集油裝置捕捉沉潛油（需借用北海分局現(xiàn)有SEAWOLF 5 ROV的USBL進(jìn)行前端集油裝置的水下定位）；通過控制單元控制前端集油裝置的各種動(dòng)作并接收、顯示各動(dòng)作狀態(tài)信號(hào)；通過控制單元接收沉潛油探測(cè)器信號(hào)并判斷沉潛油量大小，相應(yīng)調(diào)節(jié)變頻器以控制吸油泵流量大小，實(shí)現(xiàn)變頻收集的功能。

表1 沉潛油回收作業(yè)的必要附件清單

2.5 油水初分離裝置、卷纜架

油水初分離裝置安裝在母船載體上，可將回收的含水沉潛油進(jìn)行初步分離，分離效率約80%。卷纜架用于儲(chǔ)存和布放零浮力臍帶纜，手動(dòng)控制。

3 系統(tǒng)試驗(yàn)

在完成了對(duì)沉潛油回收系統(tǒng)各單元的試驗(yàn)后，進(jìn)一步對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容主要包括空載運(yùn)行試驗(yàn)、海域試驗(yàn)和負(fù)載試驗(yàn)?？蛰d運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果表明，前端集油裝置在水下的運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)，控制系統(tǒng)對(duì)該裝置的控制靈敏性、準(zhǔn)確性及狀態(tài)回饋性能良好，動(dòng)力單元穩(wěn)定可靠。海域試驗(yàn)結(jié)果表明，控制沉潛油回收裝置收油頭的各項(xiàng)動(dòng)作（如毛刷擺動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)等）均能夠在受控下順利完成。負(fù)載試驗(yàn)結(jié)果表明，在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)指定預(yù)設(shè)沉潛油目標(biāo)進(jìn)行回收試驗(yàn)時(shí)，該沉潛油回收裝置均具有達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的回收效率。

4 研究結(jié)論

目前，研究工作進(jìn)展順利，均能夠按照研究進(jìn)度計(jì)劃按時(shí)完成。在已有研發(fā)成果的基礎(chǔ)上，計(jì)劃開展的下一步工作如下：（1）按照已完成的沉潛油移動(dòng)回收裝置的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案開展樣機(jī)的試制工作；（2）樣機(jī)試驗(yàn)完成，模型方案經(jīng)修正后，立即依據(jù)課題組提供北海分局現(xiàn)有SEA-WOLF 5 ROV開展搭載ROV詳細(xì)改裝設(shè)計(jì)及工程；（3）圍繞已編制完成的移動(dòng)式沉潛油移動(dòng)回收裝備設(shè)計(jì)方案為主體，結(jié)合樣機(jī)試制及試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題，完善目前的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案。（4）準(zhǔn)備沉潛油移動(dòng)回收裝置的相關(guān)試驗(yàn)。