雙殼油船液貨泄漏機(jī)理及預(yù)防措施探究

張志斌，徐 敏，盧金樹(shù)，李玉樂(lè)，朱發(fā)新

●（1．浙江海洋學(xué)院，浙江舟山 316000；2．廣州廣船國(guó)際股份有限公司，廣州 510000）

雙殼油船液貨泄漏機(jī)理及預(yù)防措施探究

張志斌1，徐 敏2，盧金樹(shù)1，李玉樂(lè)1，朱發(fā)新1

●（1．浙江海洋學(xué)院，浙江舟山 316000；2．廣州廣船國(guó)際股份有限公司，廣州 510000）

針對(duì)雙殼油船在惡劣海況下可能泄漏的問(wèn)題，分別對(duì)泄漏發(fā)生在船底和舷側(cè)進(jìn)行了研究。并就此建立了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，模擬了油船在晃動(dòng)環(huán)境下的泄漏行為。最后，提出了減少溢油的方案。

雙殼油船；泄漏；破損；溢油

0 引言

近年來(lái)，隨著船舶溢油事故的日益增多，對(duì)海洋環(huán)境和世界經(jīng)濟(jì)都造成了巨大的損失。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，世界上海洋環(huán)境受到污染，所有污染物中由船舶造成的占35%，其中來(lái)自油船海損事故的污染物占了12%。油船所造成的污染已成為海洋的主要污染源之一[1-4]，海上溢油事故已逐漸成為一項(xiàng)重大的環(huán)境問(wèn)題和社會(huì)問(wèn)題。特別是 1989年3月，“埃克遜－瓦爾德茲”號(hào)油輪溢油在威廉王子海灣擱淺造成重大泄油事故為世所驚。從此，IMO通過(guò)不斷出臺(tái)限制油污染的修正案，特別是 1992年修訂的MARPOL公約附則I第13F條規(guī)定，自1993年7月6日以后訂造的5000DWT及以上油船，必須設(shè)置雙層船體或IMO認(rèn)可的其它替代結(jié)構(gòu)形式[5-7]。

我國(guó)作為一個(gè)原油進(jìn)口大國(guó)，自1993年成為石油凈進(jìn)口國(guó)以來(lái)，石油進(jìn)口不斷上升。資料顯示我國(guó)進(jìn)口石油90%是通過(guò)海上船舶運(yùn)輸來(lái)完成，油船特別是超大油船在我國(guó)水域出現(xiàn)頻率不斷增大。而其在航行途中會(huì)因觸礁、碰撞和擱淺等意外情況引發(fā)溢油事故，給海洋生態(tài)環(huán)境及沿岸帶來(lái)不可估計(jì)的災(zāi)難。因此，如何最大限度地減少海上溢油造成的污染，已成為一個(gè)日益迫切的社會(huì)問(wèn)題。世界各國(guó)政府和學(xué)術(shù)團(tuán)體都高度重視，加大治理和科研力度。近20年來(lái)，對(duì)船舶溢油污染的研究無(wú)論在廣度還是深度上都有長(zhǎng)足的發(fā)展。尤其是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和觀測(cè)、試驗(yàn)條件的飛速發(fā)展，使人們?nèi)媪私獯耙缬蛣?dòng)態(tài)成為可能。而據(jù)溢油的資料來(lái)看，人們的重心主要集中在對(duì)溢油的應(yīng)急反應(yīng)、污染控制、減少污染損失和及時(shí)清除污染等方面的研究，而對(duì)溢油泄漏的動(dòng)態(tài)過(guò)程及如何減少溢油的泄漏量甚至控制在船體內(nèi)的研究明顯不足。基于以上說(shuō)明，本文主要以研究雙殼油船水下破艙原油特征，尤其為改進(jìn)現(xiàn)有雙殼油船結(jié)構(gòu)的阻漏效果做出有益探索。

1 船舶破損部位溢油研究

船舶在航行途中常遇到各種預(yù)想不到的碰撞，會(huì)造成不同程度的損傷，進(jìn)而產(chǎn)生溢油。由于不同部位的破損造成溢油過(guò)程及行為不同，因此對(duì)這些碰撞可大致分為兩部分：在船底泄漏和船側(cè)泄漏。然后分開(kāi)對(duì)其進(jìn)行溢油研究。

1.1 雙殼油船底部破損

MARPOL附則I第23條規(guī)定，為了提供在碰撞或擱淺事故中防止油污染的保護(hù)，符合附則定義的在2010年1月1日或以后交付的油船須滿(mǎn)足該條“意外泄油性能”的要求。該要求須對(duì)每個(gè)貨油艙在底部和舷側(cè)破損的可能性進(jìn)行全面有效限制泄油的設(shè)計(jì)以滿(mǎn)足其對(duì)意外泄油性能要求[2]。

通常來(lái)說(shuō)，油船的體積龐大，且吃水深，在過(guò)狹窄航道或偏離航道時(shí)，有可能與海底巖石發(fā)生碰撞，使雙殼油船破損發(fā)生泄漏。其模型示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 雙殼油船底部破損示意圖

由圖1可以看出，當(dāng)雙殼油船底部發(fā)生碰撞破損時(shí)，由于雙層底的外層先于內(nèi)層破損，通常情況下時(shí)差在0.5s~1s范圍，且外層破損面積大于內(nèi)層。在這段時(shí)間內(nèi)，海水優(yōu)先進(jìn)入雙層底空間且流量大于油量。當(dāng)海水在雙層底空間的底部形成水層時(shí)，這時(shí)，油艙內(nèi)的油泄漏到船體外的油量取決于ρ油gHi與ρ水gHo的大小（海水密度、貨油密度和油水分界面到海面與油艙中油的高度有關(guān)）。當(dāng)ρ油gHi＜ρ水gHo時(shí)，說(shuō)明此時(shí)雙層底的水層成為“水封水”，從而阻止貨油泄漏到船體外。當(dāng)然，在“水封水”水形成之前，由于雙層底高度的存在，且油船的干舷普遍超過(guò)3m（對(duì)于萬(wàn)噸級(jí)油船）使得泄漏初始油壓大于水壓，從而產(chǎn)生油品的泄漏。而且在雙層底內(nèi)部空間，由于油、水、氣多相流屬于紊流，會(huì)造成一些油泄漏到船體外。因此，據(jù)現(xiàn)有的資料顯示，自油船使用雙殼結(jié)構(gòu)后，因船體底部破損發(fā)生溢油事故的泄漏量比船側(cè)破損的泄漏量相對(duì)較少，即對(duì)于不設(shè)中間貨油艙的船舶，船舷側(cè)破損溢油的權(quán)重較船底破損溢油概率大。

1.2 雙殼油船舷側(cè)破損

由于在裝載油的情況下，壓載艙多為空艙。當(dāng)船側(cè)破損時(shí)，海水、貨油都進(jìn)入到壓載艙（雙殼間），在泄漏的過(guò)程中，油、海水流動(dòng)過(guò)程異常復(fù)雜，且較易受外界因素影響。根據(jù)已有資料分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)于雙殼油船的船側(cè)溢油物理過(guò)程研究較少且研究差不多都基于靜水環(huán)境或過(guò)于簡(jiǎn)單的假設(shè)，這些研究雖能幫助人們探索實(shí)際環(huán)境中油船溢油規(guī)律，但并不能準(zhǔn)確估計(jì)雙殼油船破損后的實(shí)際泄漏行為。因而存在明顯的應(yīng)用范圍局限性，無(wú)法應(yīng)用于實(shí)際最易發(fā)生大面積破艙的泄漏情況。由于已經(jīng)對(duì)破艙進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)值模擬，因此，為了預(yù)測(cè)油船在真實(shí)的晃動(dòng)環(huán)境中的溢油行為，本文作者建立了在晃動(dòng)環(huán)境中的油艙溢油的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)裝置的原理圖如圖2所示，試驗(yàn)裝置主要包括雙殼油艙模型、水池（由鋼化玻璃制成）、電動(dòng)機(jī)、激振器（制造船模的擺動(dòng)）等。水池的尺寸長(zhǎng)5m，寬0.8m，高 1.0m。考慮到船模晃動(dòng)過(guò)程中激起回波的影響，可將水池在船模晃動(dòng)方向設(shè)置為斜面。因此，將水池在長(zhǎng)度方向制作成梯形面（上底長(zhǎng)為5 m，下底為4m），并在水池斜面上鋪設(shè)軟材料（如海綿或泡沫），從而減少水池回波對(duì)船模擺動(dòng)的干擾。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，迅速拔掉測(cè)試孔（孔位置在油艙的中部，孔的直徑為 23mm），并啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，使船模在15°范圍內(nèi)搖擺。由于在實(shí)驗(yàn)初始，油與海水進(jìn)入雙殼空間，且他們的流動(dòng)非常紊亂，無(wú)法看清油水的流動(dòng)規(guī)律，但隨著時(shí)間的延續(xù)，由于油水重力差，使得雙殼空間底部基本上被水占據(jù)，更為有趣的是水也進(jìn)入油艙模型內(nèi)，并且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，在晃動(dòng)的條件下，水不斷地進(jìn)入油艙，與油發(fā)生置換，油艙內(nèi)的水位越來(lái)越高，這就意味著油不斷的泄漏到船體外，直到水完全淹沒(méi)破孔為止，從而到達(dá)平衡的動(dòng)態(tài)過(guò)程，如圖3所示。由圖可知，船側(cè)破損造成的溢油現(xiàn)象相對(duì)比較嚴(yán)重。因此，為了減少溢油，無(wú)論從船舶設(shè)計(jì)還是在人員管理方面，我們都應(yīng)該做相應(yīng)的改進(jìn)。

圖3 雙殼油艙船側(cè)破損實(shí)驗(yàn)圖

2 減少溢油方法的探求

1）減少人為因素影響（正確操作）。據(jù)國(guó)際海事組織統(tǒng)計(jì)，80%的油船溢油事故是人為因素造成的，主要表現(xiàn)在：船員的素質(zhì)及業(yè)務(wù)水準(zhǔn)低；航運(yùn)公司的管理水平低；過(guò)度疲勞和不良的工作生活環(huán)境；外部監(jiān)管不力等。針對(duì)以上問(wèn)題，首先應(yīng)保證船舶工作人員的睡眠和休息時(shí)間，改善睡眠質(zhì)量。其次，加強(qiáng)實(shí)踐技能和各項(xiàng)能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練且應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)法。

2）在船體內(nèi)鋪設(shè)軟材料（軟袋的應(yīng)用）。該設(shè)計(jì)方案的要點(diǎn)[3]是：在每個(gè)貨油艙內(nèi)鋪設(shè)一個(gè)軟袋，以及填平或鋪平貨油艙內(nèi)壁骨架及艙底骨架的可移動(dòng)防護(hù)塊。軟袋是一個(gè)與貨油艙尺度相近的內(nèi)層可裝油外層可裝水的雙層水密軟袋，分別與泵油系統(tǒng)和壓載水系統(tǒng)連接。可移動(dòng)的防護(hù)塊與貨油艙內(nèi)的內(nèi)壁及艙底的船體結(jié)構(gòu)輕微固定。當(dāng)撞擊物體穿透船體外板時(shí)，防護(hù)塊隨撞擊物的深入而后斜。在防護(hù)塊的保護(hù)下，軟袋只擠壓變形而不易被刺破。為防止軟袋被擠破，另設(shè)計(jì)一個(gè)與油袋連接的由限壓間、輸油管及小型輸油容器構(gòu)成的輸油系統(tǒng)。軟袋采用以纖維織物為基體，雙面為耐油的水密柔性材料，為防止靜電的聚積，軟袋的表面可噴涂一層導(dǎo)電的薄層。裝油時(shí)，泵油系統(tǒng)將貨油灌入內(nèi)層油袋，泵滿(mǎn)后外層的水袋處于空癟狀態(tài)，泄油時(shí)，泵油系統(tǒng)抽出貨油，可同時(shí)通過(guò)壓載水系統(tǒng)將水泵入內(nèi)層水袋。

3）油艙上部負(fù)壓或密封。眾所周知，當(dāng)氧氣含量（以體積計(jì)算）低于11.5%時(shí)，不管可燃?xì)怏w濃度為多少，油艙的貨油均不能燃燒爆炸。因此現(xiàn)有油船基本上以向油艙內(nèi)沖入惰性氣體來(lái)防止油艙燃燒及爆炸，近年來(lái)此方法在油船上被廣泛使用。

目前，本課題組已開(kāi)發(fā)出漏油控制系統(tǒng)并獲得相關(guān)專(zhuān)利。該系統(tǒng)是把帶有盲板的各條管線穿過(guò)毗鄰的各貨油艙和專(zhuān)用壓載艙之間的各艙壁，在壓載艙中使用的管線末端要安裝一個(gè)抬起的端面凸緣，用一個(gè)帶有插銷(xiāo)的盲板可以將其關(guān)掉。并把一根不加壓的液壓軟管放在盲板和凸輪之間。并在油艙的上方加裝真空泵把油艙上部的空氣抽出，這樣不僅可以保持油艙上部的含氧量低于規(guī)定值，并且還可使油艙內(nèi)氣體壓力降低。當(dāng)油艙破損時(shí)，會(huì)使液壓壓力管加壓，在此壓力下，軟管將沖破插銷(xiāo)，這時(shí)，盲板會(huì)自動(dòng)脫離，從而使貨油從破損口自動(dòng)流到緊急援救艙（相連的壓載艙）。并且在貨油流出時(shí)，開(kāi)動(dòng)真空泵，保持油艙上部空間壓力為低壓，這時(shí)可以相應(yīng)的減慢或阻止貨油通過(guò)破損口溢入大海。

3 結(jié)束語(yǔ)

油船在航運(yùn)過(guò)程中發(fā)生碰撞等意外事故不可避免，所導(dǎo)致的石油泄漏事故不容忽視，對(duì)船上的操作人員安全造成嚴(yán)重的威脅。本文通過(guò)對(duì)油船的泄漏行為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究，通過(guò)對(duì)船底及船側(cè)的泄漏模擬，總結(jié)出油船的溢油規(guī)律，并給出了防止溢油的對(duì)策。

[1]許穎. 船舶溢油過(guò)程及溢油量的精細(xì)計(jì)算的方法研究[D]. 大連: 大連海事大學(xué), 2007.

[2]陳曉隆. 關(guān)于油船意外泄油性能的優(yōu)化[J]. 廣東造船, 2010(1): 32-35.

[3]建通. 邁入“綠色船舶”行列的油船——防止油船溢油污染的新概念[J]. 航海, 1998(3): 35-37.

[3]嚴(yán)志宇, 肖井坤, 殷佩海. 溢油蒸發(fā)過(guò)程的研究[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2001, 26(4): 21-24.

[4]馬友光, 楊雄文, 馮惠生, 等. 界面湍動(dòng)對(duì)氣液傳質(zhì)的影響[J]. 化學(xué)工程, 2004, 32(4): 1-4.

[5]趙濟(jì)川. 破損油船溢油控制系統(tǒng)發(fā)展新動(dòng)向[J]. 世界海運(yùn), 1992(3): 48-49.

[6]李有觀. 破損油輪溢油控制系統(tǒng)[J]. 知識(shí)天地, 2008(2): 18.

[7]柳衛(wèi)東. MARPOL公約新的附則I對(duì)油船總體設(shè)計(jì)的影響[J]. 上海造船, 2006(1): 28-30.

Exploration on Leakage Mechanism and Preventive Measures of Double Hull Tanker

ZHANG Zhi-bin1, XU Min2, LU Jin-shu1, LI Yu-le1, ZHU Fa-xin1
(1. Zhejiang Ocean University, Zhejiang Zhoushan 316000, China; 2. Guangzhou Shipyard International Company Limited, Guangdong Guangzhou 510000, China)

Aiming at the problem of which double hull tanker probably divulges in rough sea condition, the leakages in the bottom and side are studied. And an experimental platform is established. Divulging behavior under oil tanker moving environment is simulated. Finally, the scheme to reduce oil spilling is presented.

double hull tanker; leakage; damage; oil spilling

U676.3

A

張志斌（1982-），男，講師，研究生。主要從事船舶溢油控制方面研究。