海上溢油圍油欄研究現狀

張 勤，孫永明

（上海海事大學 商船學院，上海201306）

1 引言

石油和應用領域的發展帶動了海洋石油的快速增長，同時也增加了海上石油污染的風險。在海上發生溢油的事故時，要對溢油進行處理，對于海上溢油如何處理如何圍控以及更好地回收則需要使用很多專業的工具，目前在船舶市場上陳列著各式各樣的類型的設備。然而最常用最有效最普通的還是圍油欄。首先它不會對海洋造成二次污染，體積很輕，投放與回收更方便，并且很多經過優化結構的圍油欄使攔截效率有了很大的提高。

圍油欄在研制初期被看作是一種緊急情況的急救措施，主要用于煉油廠、儲油廠等地方。然而它真正被重視是在20世紀60年代初、70年代末，那時原油泄漏事故頻發，為了防治與處理海上的溢油事故，隨著專家、學者深入、廣泛地研制，圍油欄才真正逐漸成為一種高效的防污器材［1］。

2 圍油欄的結構、特性與分類

圍油欄構造簡單、操作方便、投資很小，大致分為三個作用。

（1）溢油圍控。指把泄漏的油控制集中到一個很小的范圍內，防止其繼續擴散，然后對溢油進行回收和處理。

（2）溢油疏導。指利用圍油欄使溢油按特定的路線流到某個地點進行處理，防止其流到某些敏感區域。

（3）防止潛在溢油。是指在某些溢油事故頻發的地方，根據實際的水流和地形，提前布置圍油欄防控，這樣當溢油事故發生時，就能及時有效地進行處理［2］。

圍油欄種類很多形式各異，但是其基本結構都是大同小異的，組成部分是：浮體、裙體、張力帶、配重和接口。浮體又叫浮子，為圍油欄提供浮力，使得圍油欄能夠飄浮在海面。裙體是浮體以下的連接部分，作用是防止溢油從圍油欄的下面逃逸。張力帶是承受圍油欄水平拉力的部件，包括鏈條和帶子，其主要作用是用來承受風浪、潮流等所產生的拉力。配重是在裙體下面，是使圍油欄保持平衡的壓載物，使圍油欄的性能保持最理想的狀態。

在圍油欄研制初期，日本將圍油欄分為A、B、C、D 型［3］。

A型圍油欄：吃水深度30cm，高出水面20cm；

B型圍油欄：吃水深度40cm，高出水面30cm；

C型圍油欄：吃水深度60cm以上，高出水面40cm以上；

D型圍油欄：吃水深度80cm以上，高出水面60cm以上。

目前圍油欄大致可以分為以下5類［4］。

（1）按圍油欄結構形態分，可分為柵欄式圍油欄和屏障式圍油欄。

（2）按圍油欄放置和浮沉情況，可以分為浮沉式圍油欄、浮上式圍油欄、定置式圍油欄和非定置式圍油欄。

（3）根據圍油欄使用場所，分為外海圍油欄、港口圍油欄和河流圍油欄。

（4）根據圍油欄的使用方法，可分為可搬式圍油欄、固定圍油欄、拖帶式圍油欄和船載圍油欄。

（5）根據圍油欄硬度，可分為柔性圍油欄、半柔性圍油欄和剛性圍油欄［5］。

目前應用最普遍的圍油欄是固體浮子式圍油欄和充氣式圍油欄，結構如下。

（1）固體浮子式圍油欄的結構。固體浮子式圍油欄由裙體、浮體、脊繩、接頭、配重鏈和柔性段等組件組成，每隔20m為一組，圍油欄的浮體是PVC包布內夾固體泡沫，各個浮體之間依靠柔性段連接，如圖1所示［6］。

（2）充氣式圍油欄的結構。充氣式圍油欄由接頭板、配重鏈、張力帶、充氣閥、氣室和本體等組件構成，其圍油欄本體是一條耐油膠帶，在水面之上和水面之下形成薄薄的屏障，其上部設有氣囊，且每個氣囊間是互不相通的，在使用的時候，氣囊就會充滿氣，再用于截攔溢油，如圖2所示。

3 國內外研究現狀

圖1 固體浮子式圍油欄基本結構

圖2 充氣式圍油欄基本結構

隨著科學技術的發展，計算機和軟件的普及，人們已經逐漸由實驗的方法轉變為運用計算機軟件來模擬波浪、風、水流等因素對圍油欄的影響從而檢驗圍油欄的性能。這樣不僅節約了大量的人力、財力和物力，而且還大幅提升了試驗的效率和準確性［7］。

浮子結構對攔油的效果有比較大的影響。C.M.Lee和K.H.Kang通過實驗得出圍油欄的浮子式為圓柱形時的攔油效果最好，在矩形的浮子和裙體之間沒有鉸鏈，使得浮子和裙體不能自由轉動，從而不能更好地適應各種海上環境。H.M.Brown，C－F AN等人用計算機成功地模擬了圍油欄攔油過程的攔油失效現象，并利用二維模擬得到了三種圍油欄攔油失效的形式。張政等人在AN的基礎上，通過自己編輯程序，采用VOF的方法數值模擬攔油過程，得出了低粘度的油易反正“反射”現象的結論，同時成功模擬出油滴夾帶失效與臨界累計失效（粘度很大的油在水流的速度超過臨界速度的時候發生的累積失效現象）［8～10］。

由于風浪與水流等條件影響，過去傳統單一結構的圍油攔不能很好適用在某些惡劣的海況，而一味地增加圍油欄深度，雖能改善攔油的效果，但是圍油欄在水流和波浪的影響下容易發生變形，使得有效欄深減小。于是Lee等人提出了雙體圍油欄，并運用拉格朗日粒子追蹤法，得到雙體圍油欄的欄間距在8.0倍欄深時，攔油效果最好。于桂峰等人應用Fluent軟件對單、雙體圍油欄適用的條件進行模擬，得到在水流速度在每秒0.2 m時攔油能力相對提高率達到2.66667。

孫添虎研究了不同結構和材料的網－柵結構圍油欄的攔油特性，根據不同水流、風速和波浪環境的變化分析其攔油特性，并進行優化選取［11］。王緒勝等人通過對傳統圍油欄攔油失效原因的研究，提出了一種新型結構，并利用Fluent軟件對其進行數值模擬實驗，為新型結構的優化提供了理論依據。蔡軍、陳新響等人提出了一種自充氣圍油欄的設計思路，及自充氣圍油欄利用自帶的二氧化碳的氣瓶對圍油欄的浮體進行充氣，從而實現圍油欄浮體的自動充氣，并且在此基礎上，實現充氣和回收的自動化。由于Wong等人對傳統實心圍油欄的形狀進行優化的過程過于復雜，在現實中難以實現，魏芳、劉曉峰等人從實際出發，對其進行簡易的優化，得到了4種優化方案，并通過數值模擬方法對形狀優化后圍油欄的攔油失效時間、欄前受壓分布和攔油失效速度進行詳細的計算分析，從而說明其提出的優化具有可行性，并對圍油欄技術改進提供了理論數據。

王建偉通過多組的數值模擬，分析了溢油的品質和水流速度對圍油欄攔油效果的影響，并實現了圍油欄在受到船舶牽引的狀態下的隨動模擬，為不同結構圍油欄的優化和選擇提供的依據。張博實現了圍油欄在不同海況和風浪下的隨動模擬，不同海況條件下對不同形狀的圍油欄的攔油特性進行研究，并進行優化選取，為不同海況下圍油欄的選擇優化提供了依據。劉獻強等人通過分析圍油欄在急流溢油使用中的4個典型問題（圍油欄不穩定性、溢油逃逸、溢油泄漏、溢油飛濺），談論了4種情況的應對措施與相應圍油欄的優化選擇，為急流條件下對溢油污染防治以及圍油欄的選擇提供了參考借鑒。

4 結論

近幾年來，對圍油欄的研究大約分為三個方面。第一，從圍油欄利用數值分析模擬進行研究。通過分析溢油的品質和水流速度對圍油欄攔油效果的影響，實現圍油欄在受到船舶牽引的狀態下的隨動模擬，或者實現圍油欄在不同海況和風浪下的隨動模擬，在不同海況條件下對不同形狀的圍油欄的攔油特性進行研究等。第二，對圍油欄結構的研究和優化。利用Fluent軟件對一個或者多個圍油欄在適用條件下進行模擬對比，通過結論進行分析，然后對圍油欄進行優化。第三，從圍油欄分類進行研究。外海圍油欄主要用于風、浪較大的情況，它的柔性和乘波性較好，且重量和總高度較大。河流圍油欄主要用于內陸河流、湖泊，它的體積小、重量較輕。港口圍油欄主要適用于港口圍船和圍油，其大小和重量介于外海圍油欄和河流圍油欄之間。

5 結語

如今，由于計算機的飛速發展，人們大多采用數值模擬的方法對圍油欄材料、性能和結構進行研究，這樣既避免了在極度惡劣的環境下進行實驗可能產生的危險，又很大程度上節約了資源。不同結構的圍油欄的出現大大地提高了圍油欄的攔油效果，在以后的研究中，應該加大對不同結構圍油欄的數值模擬分析，為圍油欄結構的優化提供理論依據。

［1］魏 芳，林建國，許 穎.圍油欄研制的歷史、現狀及數值模擬的應用展望［C］//中國船舶學會.船舶防污染學術年會論文集.西寧：船舶防污染學術年會，2006.

［2］魏 芳，劉曉峰，林建國，等.圍油欄性能優化的數值模擬［J］.交通環保，2007（7）：39～44.

［3］孫永明.海洋與港口船舶防污染技術［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［4］王緒勝.某新型結構圍油欄的數值模擬分析［J］.中國高新技術企業，2011（7）.

［5］李長海.曲面式集油器內部流道結構的優化研究［D］.大連：大連海事大學，2013.

［6］許祖美.日本的海洋污染防治技術［J］.海洋環境科學，2010（9）.

［7］F.Fang，A，J.Johnston.Oil Containment by Boom in Waves and Wind：III：Containment Failure［J］.Journal of Waterway，Port，Coastal，and Ocean Engineering.2001，127（4）：234～239.

［8］F.Fang，A，J.Johnston.Oil Containment by Boom in Waves and Wind：II：Waves［J］.Journal of Waterway，Port，Coastal，and O－cean Engineering.2001，127（4）：228～233.

［9］于桂峰.基于Fluent典型結構圍油欄適用條件數值實驗［J］.大連海事大學學報：自然科學版，2010（2）.

［10］寧成浩.圍油柵失效的數值模擬研究［D］.北京：北京化工大學，2008.

［11］魏 芳.圍油欄在多種海況卜攔油效果及形狀優化的數值模擬［D］.大連：大連海事大學，2007.