張高宇，王帥軍，陳麒石，林嘉斌

(浙江海洋大學(xué) 船舶與海運(yùn)學(xué)院，浙江 舟山 316022)

近年來，隨著海洋石油勘探開發(fā)和海洋運(yùn)輸活動(dòng)日益頻繁，溢油事故頻發(fā)，海洋溢油污染已成為海洋環(huán)境的最主要威脅之一。溢油會(huì)在海洋中經(jīng)過一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)變化直至分解消失[1]，若不及時(shí)處理會(huì)導(dǎo)致海洋環(huán)境受到嚴(yán)重污染。溢油漂浮在大海中時(shí)所處的形態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡均對(duì)回收溢油有至關(guān)重要的影響。2022年1月，湯加火山爆發(fā)，引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致秘魯一煉油廠發(fā)生原油泄漏，受污染的海洋面積約7.13 km2。然而秘魯開展吸油工作時(shí)，卻多采用傳統(tǒng)方法，用大量頭發(fā)吸油，雖說1 kg頭發(fā)可吸收約8 kg原油，但在處理方式、時(shí)效性等方面限制了溢油的回收效率。

1 傳統(tǒng)溢油回收方法存在的問題

目前，傳統(tǒng)的海洋溢油回收裝置從原理上分為3種[2]：①物理處理法。該方法雖污染小，但人工成本高，局限性大，易受溢油量及海況影響；②化學(xué)處理法。該方法處理成本高，易造成二次污染，且不適用于溢油量較大的溢油現(xiàn)場(chǎng)；③生物處理法。該方法易受限于環(huán)境因素，對(duì)微生物的作用效果也無法快速確定，目前還無法被熟練地實(shí)際應(yīng)用。這些傳統(tǒng)的方法往往存在時(shí)效性差、特點(diǎn)單一、自動(dòng)化程度低、受海況影響大、成本高、運(yùn)用不靈活等問題。

2 基于雙向掃油臂系的溢油回收裝置的設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)要求

針對(duì)傳統(tǒng)的溢油回收裝置或方法存在的問題。本文設(shè)計(jì)了一種基于雙向掃油臂系的內(nèi)嵌式海面溢油回收裝置，其設(shè)計(jì)要求包括以下方面。

1)從節(jié)省外部空間與提高回收效率的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)雙向內(nèi)嵌式系統(tǒng)，內(nèi)置圍油欄與收油機(jī)，以達(dá)到精準(zhǔn)收油的目的。

2)為防止因惡劣海況導(dǎo)致溢油擴(kuò)散難以回收的情況，設(shè)計(jì)雙向掃油臂系，在海面上形成一個(gè)可調(diào)節(jié)大小的圍油面積，以便于圍攏海面溢油。

3)通過對(duì)泄漏溢油的黏度分析，設(shè)計(jì)吸油組件和發(fā)熱導(dǎo)油通道，使得裝置對(duì)溢油的吸取效率更高，進(jìn)而提高溢油回收效率。

2.2 工作原理

利用AutoCAD軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)出基于雙向掃油臂系的溢油回收裝置示意圖，如圖1所示。

圖1 基于雙向掃油臂系的溢油回收裝置示意圖

由圖1可知，雙向掃油臂系及圍油欄設(shè)于溢油回收裝置兩側(cè)，吸油機(jī)以及紅外線傳感器置于裝置本體內(nèi)部，紅外線傳感器與推進(jìn)裝置及蓄電池用電路相連，裝置由遙控器傳導(dǎo)信號(hào)至紅外線傳感器操縱裝置運(yùn)行工作。

操作者在岸上操縱遙控發(fā)出的指令通過葉輪驅(qū)動(dòng)裝置，快速精準(zhǔn)地到達(dá)溢油事發(fā)地，判斷溢油泄漏量的程度，同時(shí)控制掃油臂系的方位角度來改變圍油面積。溢油及海水在掃油臂系的圍攔下，前后通過導(dǎo)流門、通孔、吸油機(jī)本體、吸油組件、發(fā)熱導(dǎo)油通道的一系列回收處理，最終流入儲(chǔ)油體內(nèi)。如此，不僅節(jié)省了裝置的外部空間，且長(zhǎng)而寬的裝置本體又可在惡劣的海況下盤踞在海平面上，獨(dú)立進(jìn)行收油作業(yè)，極大提高了溢油吸收效率。

2.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容

1)內(nèi)嵌式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。將收油機(jī)及圍油欄置于裝置內(nèi)部，并在裝置本體左右兩側(cè)各安裝一套內(nèi)嵌式溢油回收裝置，形成雙內(nèi)嵌溢油回收系統(tǒng)，先后開啟前后導(dǎo)流門，控制掃油臂與卷筒，將圍油欄伸出；完成收油作業(yè)后，再將圍油欄收回裝置內(nèi)。

2)裝置本體兩側(cè)雙向掃油臂系配合圍油欄設(shè)計(jì)。裝置兩側(cè)圍油欄布放后，圍油欄上的浮筒使圍油欄在海面上形成2個(gè)掃油截面，其作用是圍攏海面溢油，防止因惡劣海況導(dǎo)致溢油擴(kuò)散而造成的收油作業(yè)困難[3]。在裝置行進(jìn)過程中，可控制掃油臂系的方位角度，來控制掃油面積的大小[4]。

3)基于壓力板與吸油組件相結(jié)合的吸油機(jī)設(shè)計(jì)。掃油截面內(nèi)的浮油、海水經(jīng)前導(dǎo)流門流入基于壓力板的吸油機(jī)。吸油機(jī)的側(cè)邊各面設(shè)計(jì)有20個(gè)大小相同的圓形通孔，以便溢油的流入。當(dāng)電機(jī)所帶動(dòng)的鏈條使壓力板上升時(shí)，通孔在垂直方向上位于壓力板的下側(cè)，圍油截面圍攏的油水混合物在壓強(qiáng)的作用下進(jìn)入吸油機(jī)本體；當(dāng)電機(jī)所帶動(dòng)的鏈條使壓力板向下壓，在壓力板下壓至壓到吸油組件時(shí)，在豎直方向上，壓力板的上方正好將各個(gè)通孔堵住，避免了過多的油水混合物流入。同時(shí)，壓力板產(chǎn)生的由上至下的壓力也可防止油水流出本體。 同時(shí)，黏附在吸油組件上的溢油在壓力板的作用下，通過發(fā)熱導(dǎo)油通道表面上的方形通孔流入導(dǎo)油通道內(nèi)，最后儲(chǔ)存在儲(chǔ)油體中?；趬毫Π迮c吸油組件相結(jié)合的吸油機(jī)示意圖如圖2所示，鏈條上的固定壓力板工作示意圖如圖3所示。

圖2 基于壓力板與吸油組件相結(jié)合的的吸油機(jī)示意圖

圖3 鏈條上的固定壓力板工作示意圖

4)相互配合的吸油組件和發(fā)熱導(dǎo)油通道設(shè)計(jì)。在吸油組件的下方設(shè)計(jì)發(fā)熱導(dǎo)油通道，該通道上方連接吸油組件，與吸油組件相互配合，吸油材料選擇剛性合金材料、外部涂覆有新型海花草材料涂層的高回彈海綿制件。發(fā)熱導(dǎo)油通道與吸油組件接觸的表面上設(shè)計(jì)了7個(gè)發(fā)熱柱，發(fā)熱柱在通電加熱后，把熱量傳導(dǎo)至吸油組件，升溫后的吸油組件對(duì)溢油的吸收會(huì)更加迅速，并且加熱后的吸油組件可以吸收更高黏度的溢油，提高對(duì)溢油的吸收效率。發(fā)熱導(dǎo)油通道與吸油組件示意圖如圖4所示。

圖4 發(fā)熱導(dǎo)油通道與吸油組件示意圖

3 研究方案

3.1 研究路線

首先基于對(duì)掃油臂系的設(shè)想，結(jié)合基礎(chǔ)理論及分析，初步確定本裝置的形態(tài)及其特征，并對(duì)其建模。其次結(jié)合裝置各個(gè)部件的材料選型特性，確立裝置的基本模型[5]，根據(jù)多功能化的要求，設(shè)計(jì)能對(duì)抗環(huán)境因素和滿足回收效率的裝置。然后利用STAR仿真軟件對(duì)已建立的三維模型進(jìn)行多方位模擬分析，并優(yōu)化結(jié)構(gòu)。再次，通過模型實(shí)驗(yàn)，對(duì)比仿真模擬計(jì)算數(shù)據(jù)并多次借助仿真軟件進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)。最后，結(jié)合實(shí)地實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)作對(duì)比和分析，總結(jié)參數(shù)關(guān)系，最終確定具有最優(yōu)收油效果及穩(wěn)定性的模型。

3.2 仿真測(cè)試數(shù)值并優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)

運(yùn)用STAR對(duì)三維建模軟件建立的基于雙向掃油臂系的溢油回收裝置模型進(jìn)行水面模擬航行，分析圍油欄興波和浮力大小問題與掃油臂系的長(zhǎng)度角度之間的關(guān)系，探究圍油欄受到的阻力系數(shù)變化對(duì)圓形通孔進(jìn)油效果的影響，進(jìn)而確定掃油臂系、圍油欄長(zhǎng)度寬度、圓形通孔位置之間的關(guān)系。調(diào)節(jié)壓力板的作用大小，控制對(duì)吸油組件的壓力，以達(dá)到收油的目的。利用STAR軟件對(duì)掃油臂系的動(dòng)力進(jìn)行調(diào)試，計(jì)算溢油回收裝置的掃油最穩(wěn)定性能[6]，再通過三維軟件確立模型，憑借Patran等專業(yè)的有限元軟件對(duì)設(shè)備進(jìn)行受力分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)[7]，最后實(shí)踐操作，繼續(xù)優(yōu)化，以達(dá)到最優(yōu)效果。

4 可行性分析

1)結(jié)構(gòu)可行性分析。本溢油回收裝置基于機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的原理設(shè)計(jì)。在改變收油面積的同時(shí)，也可進(jìn)行吸油工作，使得收油吸油同步進(jìn)行，并最終能在吸油機(jī)中高效地完成回收工作。裝置整體運(yùn)轉(zhuǎn)流暢，結(jié)構(gòu)合理，各組件之間相互作用，完美配合，發(fā)揮出最大優(yōu)勢(shì)，提升溢油回收的效率。

2)技術(shù)可行性分析。當(dāng)突發(fā)溢油事件時(shí)，工作人員操作遙控裝置發(fā)送可接受紅外線，紅外線傳感器收到紅外線信號(hào)，便會(huì)傳送電信號(hào)至刷機(jī)后的PLC控制器，再傳送電信號(hào)到空腔內(nèi)的電機(jī)使其工作。該裝置可適用于各種復(fù)雜水域或惡劣海洋環(huán)境下的溢油回收，可通過遠(yuǎn)程操縱，大大縮短了溢油回收時(shí)間，節(jié)約了人力物力，具有一定的技術(shù)可行性和實(shí)用性。

3)操縱可行性分析。該裝置操縱簡(jiǎn)單，不需耗費(fèi)人力。若發(fā)現(xiàn)溢油區(qū)域，操縱人員可操縱該裝置前往溢油區(qū)域進(jìn)行回收工作，且裝置適用于惡劣海況，即使不使用掃油臂系，溢油也可在通孔的作用下流入吸油機(jī)完成回收，降低了工作人員靠近溢油區(qū)域所受到的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提升了回收效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)出一款具有雙向掃油臂系以及內(nèi)嵌式吸油機(jī)等特點(diǎn)的溢油回收裝置。介紹了該裝置的工作原理和主要組成部件，基于仿真及數(shù)值模擬對(duì)其進(jìn)行了可行性分析，得出該裝置具有可實(shí)現(xiàn)性，能夠?yàn)楹Ｑ笠缬褪录峁└玫奶幚項(xiàng)l件。