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张高宇，王帅军，陈麒石，林嘉斌
(浙江海洋大学 船舶与海运学院，浙江 舟山 316022)
近年来，随着海洋石油勘探开发和海洋运输活动日益频繁，溢油事故频发，海洋溢油污染已成为海洋环境的最主要威胁之一。溢油会在海洋中经过一系列复杂的物理、化学变化直至分解消失[1]，若不及时处理会导致海洋环境受到严重污染。溢油漂浮在大海中时所处的形态和运动轨迹均对回收溢油有至关重要的影响。2022年1月，汤加火山爆发，引发连锁反应，导致秘鲁一炼油厂发生原油泄漏，受污染的海洋面积约7.13 km2。然而秘鲁开展吸油工作时，却多采用传统方法，用大量头发吸油，虽说1 kg头发可吸收约8 kg原油，但在处理方式、时效性等方面限制了溢油的回收效率。
目前，传统的海洋溢油回收装置从原理上分为3种[2]：①物理处理法。该方法虽污染小，但人工成本高，局限性大，易受溢油量及海况影响；
②化学处理法。该方法处理成本高，易造成二次污染，且不适用于溢油量较大的溢油现场；
③生物处理法。该方法易受限于环境因素，对微生物的作用效果也无法快速确定，目前还无法被熟练地实际应用。这些传统的方法往往存在时效性差、特点单一、自动化程度低、受海况影响大、成本高、运用不灵活等问题。
2.1 总体设计要求
针对传统的溢油回收装置或方法存在的问题。本文设计了一种基于双向扫油臂系的内嵌式海面溢油回收装置，其设计要求包括以下方面。
1)从节省外部空间与提高回收效率的角度出发，设计双向内嵌式系统，内置围油栏与收油机，以达到精准收油的目的。
2)为防止因恶劣海况导致溢油扩散难以回收的情况，设计双向扫油臂系，在海面上形成一个可调节大小的围油面积，以便于围拢海面溢油。
3)通过对泄漏溢油的黏度分析，设计吸油组件和发热导油通道，使得装置对溢油的吸取效率更高，进而提高溢油回收效率。
2.2 工作原理
利用AutoCAD软件平台设计出基于双向扫油臂系的溢油回收装置示意图，如图1所示。
图1 基于双向扫油臂系的溢油回收装置示意图
由图1可知，双向扫油臂系及围油栏设于溢油回收装置两侧，吸油机以及红外线传感器置于装置本体内部，红外线传感器与推进装置及蓄电池用电路相连，装置由遥控器传导信号至红外线传感器操纵装置运行工作。
操作者在岸上操纵遥控发出的指令通过叶轮驱动装置，快速精准地到达溢油事发地，判断溢油泄漏量的程度，同时控制扫油臂系的方位角度来改变围油面积。溢油及海水在扫油臂系的围拦下，前后通过导流门、通孔、吸油机本体、吸油组件、发热导油通道的一系列回收处理，最终流入储油体内。如此，不仅节省了装置的外部空间，且长而宽的装置本体又可在恶劣的海况下盘踞在海平面上，独立进行收油作业，极大提高了溢油吸收效率。
2.3 设计内容
1)内嵌式系统设计。将收油机及围油栏置于装置内部，并在装置本体左右两侧各安装一套内嵌式溢油回收装置，形成双内嵌溢油回收系统，先后开启前后导流门，控制扫油臂与卷筒，将围油栏伸出；
完成收油作业后，再将围油栏收回装置内。
2)装置本体两侧双向扫油臂系配合围油栏设计。装置两侧围油栏布放后，围油栏上的浮筒使围油栏在海面上形成2个扫油截面，其作用是围拢海面溢油，防止因恶劣海况导致溢油扩散而造成的收油作业困难[3]。在装置行进过程中，可控制扫油臂系的方位角度，来控制扫油面积的大小[4]。
3)基于压力板与吸油组件相结合的吸油机设计。扫油截面内的浮油、海水经前导流门流入基于压力板的吸油机。吸油机的侧边各面设计有20个大小相同的圆形通孔，以便溢油的流入。当电机所带动的链条使压力板上升时，通孔在垂直方向上位于压力板的下侧，围油截面围拢的油水混合物在压强的作用下进入吸油机本体；
当电机所带动的链条使压力板向下压，在压力板下压至压到吸油组件时，在竖直方向上，压力板的上方正好将各个通孔堵住，避免了过多的油水混合物流入。同时，压力板产生的由上至下的压力也可防止油水流出本体。
同时，黏附在吸油组件上的溢油在压力板的作用下，通过发热导油通道表面上的方形通孔流入导油通道内，最后储存在储油体中。基于压力板与吸油组件相结合的吸油机示意图如图2所示，链条上的固定压力板工作示意图如图3所示。
图2 基于压力板与吸油组件相结合的的吸油机示意图
图3 链条上的固定压力板工作示意图
4)相互配合的吸油组件和发热导油通道设计。在吸油组件的下方设计发热导油通道，该通道上方连接吸油组件，与吸油组件相互配合，吸油材料选择刚性合金材料、外部涂覆有新型海花草材料涂层的高回弹海绵制件。发热导油通道与吸油组件接触的表面上设计了7个发热柱，发热柱在通电加热后，把热量传导至吸油组件，升温后的吸油组件对溢油的吸收会更加迅速，并且加热后的吸油组件可以吸收更高黏度的溢油，提高对溢油的吸收效率。发热导油通道与吸油组件示意图如图4所示。
图4 发热导油通道与吸油组件示意图
3.1 研究路线
首先基于对扫油臂系的设想，结合基础理论及分析，初步确定本装置的形态及其特征，并对其建模。其次结合装置各个部件的材料选型特性，确立装置的基本模型[5]，根据多功能化的要求，设计能对抗环境因素和满足回收效率的装置。然后利用STAR仿真软件对已建立的三维模型进行多方位模拟分析，并优化结构。再次，通过模型实验，对比仿真模拟计算数据并多次借助仿真软件进行数值实验。最后，结合实地实验和模拟数据作对比和分析，总结参数关系，最终确定具有最优收油效果及稳定性的模型。
3.2 仿真测试数值并优化模型结构
运用STAR对三维建模软件建立的基于双向扫油臂系的溢油回收装置模型进行水面模拟航行，分析围油栏兴波和浮力大小问题与扫油臂系的长度角度之间的关系，探究围油栏受到的阻力系数变化对圆形通孔进油效果的影响，进而确定扫油臂系、围油栏长度宽度、圆形通孔位置之间的关系。调节压力板的作用大小，控制对吸油组件的压力，以达到收油的目的。利用STAR软件对扫油臂系的动力进行调试，计算溢油回收装置的扫油最稳定性能[6]，再通过三维软件确立模型，凭借Patran等专业的有限元软件对设备进行受力分析，优化结构[7]，最后实践操作，继续优化，以达到最优效果。
1)结构可行性分析。本溢油回收装置基于机械设计基础的原理设计。在改变收油面积的同时，也可进行吸油工作，使得收油吸油同步进行，并最终能在吸油机中高效地完成回收工作。装置整体运转流畅，结构合理，各组件之间相互作用，完美配合，发挥出最大优势，提升溢油回收的效率。
2)技术可行性分析。当突发溢油事件时，工作人员操作遥控装置发送可接受红外线，红外线传感器收到红外线信号，便会传送电信号至刷机后的PLC控制器，再传送电信号到空腔内的电机使其工作。该装置可适用于各种复杂水域或恶劣海洋环境下的溢油回收，可通过远程操纵，大大缩短了溢油回收时间，节约了人力物力，具有一定的技术可行性和实用性。
3)操纵可行性分析。该装置操纵简单，不需耗费人力。若发现溢油区域，操纵人员可操纵该装置前往溢油区域进行回收工作，且装置适用于恶劣海况，即使不使用扫油臂系，溢油也可在通孔的作用下流入吸油机完成回收，降低了工作人员靠近溢油区域所受到的风险，同时提升了回收效率。
本文设计出一款具有双向扫油臂系以及内嵌式吸油机等特点的溢油回收装置。介绍了该装置的工作原理和主要组成部件，基于仿真及数值模拟对其进行了可行性分析，得出该装置具有可实现性，能够为海洋溢油事件提供更好的处理条件。
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