船舶近體應急圍油欄的設計與研究

侯恕萍，王欽政，張俊，于海洋，黃衛聯

船舶近體應急圍油欄的設計與研究

侯恕萍1，王欽政1，張俊1，于海洋1，黃衛聯2

為解決現有船載圍油欄的溢油圍控面積較大和布放操作不便捷的問題，針對常見工況設計船舶近體應急圍油欄，說明該裝置的結構組成和功能，并通過仿真分析進行磁吸附方案的優化設計，結果表明船舶發生破損溢油事故后，船舶近體應急圍油欄能迅速地完成布放，把溢油等漂浮污染物圍控在船體周圍較小范圍內。

船體破損溢油；近體應急圍油欄；電磁吸盤；仿真分析

船舶在航行中，尤其在航道、港口等船舶通行密集的水域內，發生碰撞破損事故的概率較高。在船體破損處應急封堵完成之前，破損處常伴有內部油液或含油壓艙水泄漏，并沿破損處流入水域大面積擴散，對水質造成嚴重污染，同時對后期清污帶來較大難度，甚至對水域造成不可逆轉的污染。常規船載應急圍油欄因其結構功能和使用方法上的特點，適用于水面溢油擴散后的攔截和圍聚，但該片水域已經受到了嚴重污染。針對上述問題，研究設計了船舶近體應急圍油欄，其兩端固定于外船體，可將船體破損處相對較小范圍內的水域圍控起來。該裝置既能配合船體破損處應急封堵工作，實現船舶近體應急圍控溢油，又能配合船舶正常維修時的防污染工作使用。其布放速度快，圍油面積小，吃水深度大，能最大程度地減小溢油對水域的污染影響。目前國內外針對船體破損溢油圍控的專業方法、產品很少，在專利資料中，侯恕萍等[1]提出了一種船體破損溢油近體應急圍油欄，Ira Wayne Mosley[2]提出了一種oil slick barrier device(浮油屏障裝置)，二者均一定程度上表現出了“船舶近體圍油”的特性，在溢油源頭將其圍控在船體附近，阻止其大面積擴散。繼續探究和完善這種“船舶近體圍油”思想、方法，并研究設計船舶近體應急圍油裝備是很有工程應用價值的。

1 工況分析

船舶碰撞事故可能造成船體破損溢油。為及明、有效地處理這種溢油事故，船舶必須配備必要的溢油應急設備、材料[3]。在航道、港口等船舶通行密集的水域內，船舶碰撞事故易發，但由于船速較低、風浪較小，碰撞大多只造成輕度船體破損和溢油事故，所以本文設計的船舶近體應急圍油欄作為船載溢油應急裝備，主要用于輕度船體破損和溢油事故的應急處置。水域工況參數見表1。

表1 船舶近體圍油欄適用水域波浪參數

參考中華人民共和國交通行業標準《圍油欄》及《溢油應急培訓教程》的要求[4]，設計船舶近體應急圍油欄的性能參數，見表2。

表2 船舶近體應急圍油欄性能參數

2 船舶近體應急圍油欄的結構功能

船舶近體應急圍油欄的結構組成和工作狀態如圖1所示，其由近體圍油欄和吊放裝置兩部分組成。

2.1 近體圍油欄

近體圍油欄，顧名思義就是靠近外船體使用的圍油欄，其由圍油欄主體和船體連接裝置組成，如圖2所示。圍油欄主體用于圍控溢油，其兩端的船體連接裝置用于與外船體連接固定。

2.1.1 圍油欄主體

常規圍油欄主要由浮體、裙體或擋油屏體、配重體、加強帶、支撐件、繩索及連接件等組成[5]?，F有常規圍油欄整體上是軟體的，在急流水域采取的用法是兩端錨固布放被動攔截浮油，在開放水域采取的用法是兩端栓固于拖船上主動圍控浮油。如果采用常規圍油欄作為近體圍油欄的圍油欄主體，由于其兩端固定在同一艘船上，其整體圍控形狀可能會在風浪的作用下發生變形，甚至使圍油欄貼附于船體，失去圍油能力。

為解決上述問題，設計了一種硬體單元式可自維持整體圍控形狀的圍油欄主體結構。

如圖2所示，圍油欄主體由兩組硬體結構單元鉸接組成，每組4個單元，其兩端各鉸接一個船體連接裝置。每個硬體結構單元由長方形硬體框架、雙層耐油布及其中間的條狀固體浮子組成。每組硬體結構單元中的每兩個單元之間通過板彈簧組件和攔油布連接。這些板彈簧組件兩端均為鉸接，可以使近體圍油欄各硬體結構單元相互之間的運動受限，使圍油欄整體具有自維持圓弧形圍控形狀的能力。近體圍油欄受風、浪、流等外力后，整體上會產生彈性變形，減緩沖擊，外力撤去后恢復原形，如圖3所示。

板彈簧鉸接處配有快速鎖緊銷，可快速裝卸，其卸下后，各硬體結構單元可以相互折疊起來存放，在最大程度減小近體圍油欄的儲存占用空間的同時，縮短其使用時的布放時間。

板彈簧鉸接處配有快速鎖緊銷，可快速裝卸，其卸下后，各硬體結構單元可以相互折疊起來存放，在最大程度減小近體圍油欄的儲存占用空間的同時，縮短其使用時的布放時間。

2.1.2 船體連接裝置

如圖4所示，船體連接裝置由固定支架、滑動支架、轉動支架、吸盤、磁輪和折疊攔油布等組成。一側與外船體連接固定，另一側與圍油欄之間按圖5所示的具有3個自由度的機構運動副連接，使圍油欄具有波浪隨動及緩沖能力。

對于船體連接裝置的連接方式，考慮采用可控且對船體無損的連接方式。首先考慮真空吸附方式。真空吸附技術是利用壓縮空氣通過特殊的氣動裝置產生真空進行吸附的一種技術，真空吸附系統由真空發生器、吸盤、管路組件和控制器組成[6]。船體結構鋼一般分為一般強度船體鋼、高強度船體鋼、低磁船體鋼和海上石油平臺用鋼[7]，絕大多數中大型船舶采用的都是前兩種船體鋼，所以可以采用電磁吸附方式。電磁吸附技術是利用通電后的線圈所產生的磁力線通過鐵磁工件而吸緊?？紤]船舶近體應急圍油欄的應急特性，電路響應速度遠高于氣動響應速度，所以選定電磁吸附方式作為船體連接裝置連接的實現形式。

圖4中每個磁輪連接于一個可控運動擺臂的末端。如圖6所示，磁輪的作用在于使船體連接器像爬壁機器人一樣沿著船體側壁進行吊放和回收，其到達指定位置后，控制磁輪擺臂背向船壁擺動，電磁吸盤便貼近于外船體表面，隨后對電磁吸盤通電進行吸附。這使近體圍油欄的吊放操作更加簡便可靠，消除了電磁吸盤通電瞬間與船壁的撞擊。在電磁吸盤斷電后，控制磁輪擺臂面向船壁擺動，克服電磁吸盤的剩磁力使其抬離船壁，便于近體圍油欄的吊起回收。

2.2 吊放裝置

船舶上的工作人員無需下水，在甲板上通過吊放裝置就能完成近體圍油欄的布放和回收工作。如圖7所示，吊放裝置為一個下有輪子的可移動箱體，箱體內為可伸縮吊臂、托板、托板架、托板架舉升臂和電磁吸盤等組件。吊臂上滑輪繩組與托板、托板架和船體連接裝置各連有一根繩索。托板為導磁鋼板，可在托板架上滑動。

工作流程：將吊放裝置移動到船舷邊預定位置，將其內的電磁吸盤通電吸附于甲板上；將船體連接裝置電磁吸盤通電吸附于托板上；將托板架吊至豎直狀態，同時移動托板架舉升臂使托板面與船壁面對齊；將托板向下滑動使其接觸到船壁面；將船體連接裝置電磁吸盤斷電，釋放繩索通過磁輪的吸附作用使其緊貼船壁面向下行進至預定位置；控制磁輪擺臂背向船壁擺動，將船體連接器的電磁吸盤貼緊于船體側壁，隨后對電磁吸盤通電吸附于船體。

每個吊放裝置負責一側的船體連接裝置的吊放工作。平時吊放裝置的托板處于水平狀態，箱內空間用于存放船體連接裝置和折疊狀態的圍油欄，減小了整個裝置的儲存占用空間，輪子的存在增加了其便攜性，底部的電磁吸盤增加了其工作時的穩定性，見圖7。

3 仿真分析

3.1 電磁吸盤排布方式的選擇

設計出兩種吸盤排布方案，見圖8。圖8a)為4個大吸盤吸附方案，圖8b)為每組4個小吸盤共4組吸盤吸附方案，磁極交替排布。

利用ANSYS Maxwell軟件進行兩種吸盤排布方案的磁力仿真。初始條件為：每個大吸盤單獨的最大電磁力是每個小吸盤單獨的最大電磁力的4倍，每個大吸盤的吸附面積是每個小吸盤的4倍。磁感應強度分布情況的分析結果如圖9所示，經軟件計算，兩種吸盤排布方案中后者的總磁力比前者大，所以本設計采用圖8b)所示方案。

3.2 圍油欄板彈簧組件結構仿真分析

圍油欄主體結構中，圍油欄硬體單元間連接的板彈簧組件為關鍵受力結構，利用PTC Creo系列軟件對該結構進行建模及結構應力分析。

由于各板彈簧端部均為鉸鏈連接且軸線相互垂直，所以各板彈簧應力分布情況取決于所受力的方向或力矩的平面方向。整個組件兩端各連接一個圍油欄單元框架，由于波浪和水流的特性，每兩個圍油欄單元的相對運動很復雜，所以整個組件的每個板彈簧都會承受復雜的載荷，沒有明確的載荷分布趨勢。為簡化分析過程，靜力分析時固定模型右側的圍油欄單元框架，在左側的圍油欄單元框架截面上施加水流阻力，該力由下面的公式得到。

其中：ρ為水密度；v為相對速度。

圍油欄整體形狀為半圓柱面，取阻力系數Cd=0.4，動壓p=1 000×0.42÷2=80 Pa，參考面積隨波流方向變化而變化，Smax=吃水×直徑=0.9×15=13.5 m2，所以阻力Xmax=432 N。

分別在水平面內垂直于船體表面方向和平行于船體表面方向加載432 N進行應力分析。分析結果顯示，每個板彈簧靠近端部鉸鏈附近的位置應力相對較大，最大值為40 MPa左右，鉸鏈軸上的最大應力值達到70 MPa。圍油欄板彈簧組件中板簧材料為65Mn鋼板。65Mn鋼的拉伸強度為100 MPa，屈服強度為80 MPa，遠低于軸用結構鋼。為了增加板彈簧結構安全性，在設計上應對其靠近端部鉸鏈附近位置局部進行加厚或加寬，在保證一定的整體韌性的情況下，提高板簧重要位置的強度。

4 結論

本文設計的船舶近體應急圍油欄，在功能上解決了現有船載應急圍油欄圍控面積過大且布放操作不夠便捷問題。綜合考慮了儲存、運輸、布放、回收等過程對船舶近體應急圍油欄進行功能設計，在結構上采用了一體化設計，并且對關鍵結構或部件進行了仿真分析。與現有類似設計相比，本裝置結構更簡單可靠，功能更完善實用，為船舶近體圍油技術和裝備的進一步研究提供了良好的開端。

在船舶近體應急圍油欄的設計和研究過程中，也遇到了一些問題，主要是船體表面平整度、粗糙度和附著物等對裝置功能和性能的影響，需要作深入的分析和研究。

隨著海洋開發程度的不斷擴大，船只數量不斷增加，人們對船舶應急裝備的數量和質量的需求也不斷增大。本文設計和研究的這種船舶近體應急圍油欄，在海洋工程領域具有重要的實用價值，對以后更高效便捷的船舶應急裝備的研制具有參考價值。

關于船舶近體應急圍油欄的下一步研究工作主要包括：深入研究水域工況和船體自身條件對技術裝備功能和性能上的影響；完成試驗樣機的設計和制造并對重要部件進行實驗測定；進行設計工況條件下的海試，驗證裝置功能和性能；將試驗結果與仿真分析結果進行比較分析，進行結構和功能上的優化改進等。

[1] 侯恕萍,王欽政,張俊,等.船體破損溢油近體應急圍油欄：CN205000313U[P].2016-01-27.

[2] Ira Wayne Mosley. Oil slick barrier device[P]. United States:US006024512A,2000-02-15.

[3] 劉宗江,匡煥勤.船舶配備溢油應急設備、材料的經濟選擇[C].中國航海學會船舶防污染專業委員會.船舶防污染經濟研討會論文集.中國航海學會船舶防污染專業委員會,2002.

[4] 中華人民共和國海事局.溢油應急培訓教程[M].北京：人民交通出版社,2004.

[5] 張勤,孫永明.海上溢油圍油欄研究現狀[J].綠色科技,2015(4):284-285+289.

[6] 田靜眉.真空吸附式壁面清洗機器人結構設計與研究[D].成都：西南交通大學,2013:20-22.

[7] 林云輝,武晶,李月祥，等.我國船體結構用鋼及其標準的發展[J].船舶標準化與質量,2000(1):22-24.

(1.哈爾濱工程大學 機電工程學院，哈爾濱 150001；2.天津神封科技發展有限公司，天津 300308)

Design and Research of Shipborne Lash-up Oil Booms Laid Close to the Broken Hull

HOU Shu-ping1, WANG Qin-zheng1, ZHANG Jun1, YU Haiyang1, HUANG Wei-lian2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China;2.Tianjin Shenfeng Science and Technology Development Co., Ltd., Tianjin 300308, China)

The existing shipborne oil booms can control the oil spreading in a large area, but it is inconvenient for laying. A new type of shipborne lash-up oil booms laid close to the broken hull was designed in light of the common working condition. The structural configuration and functions of the device were presented, as well as the optimal plan of the electromagnetic chuck by simulation analysis. This device could quickly put the spilled oil and other pollutants floating surrounded around the hull limited within the scope of control, prevent oil from spreading to a larger area.

hull damage with oil spill accident; lash-up oil booms laid chose to the broken hull; electromagnetic chuck; simulated analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.037

2016-05-30

國家科技支撐計劃(2014BAK05B00)； 哈爾濱市自然科學基金(2013RFQXJ091)

侯恕萍(1972—)，女，博士，副教授研究方向:水下作業技術與裝備

U698.7

A

1671-7953(2017)01-0148-05

修回日期：2016-07-15