適用于惡劣海況的新型海上溢油回收裝置設計與應用分析

周俊輝, 魏東澤，劉月松，徐欣霞

(浙江海洋大學 海洋工程裝備學院, 浙江 舟山 316022)

0 引言

海上運輸是石油運輸的主要途徑，據估算，2019年全球原油海運運輸量達到了21 億t。我國是全球第一大原油進口國，2019年原油進口量為5.06 億t，其中海運量為4.37 億t，占比86.4%。根據統計，我國沿海平均每4天就會發生一起海上溢油事故。海上溢油事故不僅會造成嚴重的經濟損失，還會給海洋生態環境系統造成難以修復的損害，因此研究海上溢油的應急處置技術和設備具有重大的經濟和環境效益。一些研究者[1-5]在海上溢油應急處置方面進行了相關的研究，并取得了一定的成果，但惡劣海況下的海上溢油應急處置一直是薄弱環節。本文針對現有應急處置設備研發的不足和海上溢油處置的難點、特點，提出了適用于惡劣海況的新型溢油應急處置裝置的研發思路并進行了概念性設計。

1 海上溢油處置技術現狀

目前，海上溢油處置技術主要有物理方法、化學方法和生物方法，各自有一定的適用范圍和優缺點。

1.1 物理處置法

物理處置法是目前最為常用的方法，也是二次污染最小的方法，常規的設備主要有收油機、吸油氈、溢油回收船及圍油欄等，主要通過物理措施將原油吸收、捕捉后再進行分離、回收。

1）收油機是主要的收油裝置之一，根據原理不同又可分為堰式收油機、管式收油機、浮筒式收油機等，具有適用范圍廣、收油效果好等優點，但都難以實現自動化操作，無法自主到達溢油地點，需要船舶和大量人力配合。

2）吸油氈也是常用的海上溢油回收材料之一，一般用于小型溢油事故。吸油氈適用效率較低，需要人工拋灑和回收，作業風險大，在惡劣海況下難以大規模使用，而且吸附油污后難以分離再利用，一般只能起輔助作用。

3）溢油回收船（如圖1）是專門設計用來回收水面溢油的船舶。溢油回收船通常裝備有各種物理或化學法回收裝置，回收裝置的選擇視溢油量、溢油種類、海況等因素而定。溢油回收船的工作受海況條件影響極大，一般溢油回收船的抗風等級在6級左右，在惡劣海況下工作能力有時可下降20%～90%。因此，溢油回收船一般是在平靜的海域內作業，同時，目前溢油回收船的智能化水平較低，需要配置大量的船員和溢油處置人員，人員傷亡的風險較大。

圖1 多功能海上溢油回收船

4）圍油欄也是一種常用的溢油處置設備，采用船舶拖曳的方式，由拖拉系統和懸臂支撐系統將海面上分散的油膜聚集在一起，以便集中處理。相較于其他方式，設置圍油欄的方式操作簡單，具有靈活可靠的優點，但易受天氣、海浪等諸多因素的影響，且沒有對溢油進行回收處理的能力，在惡劣海況條件下，圍油欄的使用也受到很大的限制。

1.2 化學處理法

燃燒法是最常見的化學處理法，這種處理方法比其他方法更加徹底，成本較低，但燃燒會給大氣環境造成二次污染，也可能給附近船舶和設施帶來威脅。使用化學劑進行溢油處置也是化學處理方法之一，根據化學劑的作用原理不同分為消油劑、凝油劑和集油劑，但是這種方法二次污染更為嚴重，使用時需要海事部門的同意，需要謹慎使用。

1.3 生物處理法

利用微生物氧化分解石油的能力進行溢油處置存在理論上的可行性，但仍需要在安全性、有效性和環境友好程度等方面進行進一步研究，生物降解的速度也無法滿足應急工作的需要。

2 海上溢油應急處置的難點、特點

相較于陸上溢油，海上溢油應急處置難度更大，因此也導致海上溢油往往產生更為嚴重的危害，主要體現在以下幾個方面：

1）海上溢油風險源難以確定，影響范圍更大。陸上溢油風險源往往比較固定，影響范圍有限，而海上溢油特別是船舶導致的溢油難以提前預測并采取措施，一旦油品泄漏，會在風、浪、流的作用下不斷擴散，且目前尚無能夠準確預測溢油擴散路徑的方法，提升了溢油應急處置的難度。

2）海上溢油處置的環境條件更為惡劣。海上溢油發生地往往具有風高浪急的特點，特別是遠離海岸的區域，給溢油應急處置帶來了極大的難度，目前常用的溢油處置設施設備大多無法在大風、大浪的環境下作業，或者作業效率大大下降，導致海上溢油無法得到及時有效的控制。

3）對溢油處置設備的工作能力要求更高。海上溢油事故大多發生于惡劣天氣，對溢油設備的工作性能要求極高，目前投入使用的溢油設備或溢油回收船普遍不具備在大風、大浪環境下工作的能力，如果事故海域離陸地距離遠，則處置的難度將大幅提升。

4）海上溢油應急處置產生的二次事故風險大。目前，海上溢油應急處置的自動化、智能化水平較低，進行海上溢油處置往往需要大量的船舶和人員參與，應急處置人員暴露于溢油環境中，存在火災、爆炸、中毒等二次事故的可能性，給溢油應急處置帶來嚴重的風險。據報道，2010年墨西哥灣“深水地平線”鉆井平臺爆炸后造成原油泄漏，造成當地人和47 000名參與了善后清理工作的人患病。

3 新型海上溢油回收裝置概念設計及應用

隨著對海上溢油危害的日益重視，海上溢油應急處置技術將會得到更多的關注和研究，特別是在海上溢油擴散模擬研究、惡劣海況溢油應急處置技術、自動化、智能化、“無人化”海上應急處置設備等方面將成為未來海上溢油應急處置技術研究的優先方向。近年來，作者針對海上溢油應急處置的關鍵難點進行了深入研究，并設計了多種適用于惡劣海況條件下的新型海上溢油應急處置設備，致力于提高應急設備的自動化、智能化，降低應急人員的二次傷害風險，并取得了國家發明專利授權，部分新型設備介紹如下：

1）一種自動化海上溢油回收裝置（專利號：ZL20181 0822638.1，如圖2）。該裝置不同于傳統的海上溢油回收裝置，通過改良傳統物理回收的方法，基于新型吸油材料、利用回轉艙室收集溢油，整個過程較化學法相比不產生二次污染，對環境友好，并且不影響已回收溢油的再次使用性能。與傳統物理法相比，該裝置自動化程度高，能通過遠程遙控實現吸油及航行全過程，高效快速，不需工作人員全程參與，節省了大量時間、勞動成本。另外，該裝置也可以通過更換核心吸油材料使其廣泛適用于各種油品，并且對事故發生地的地形開闊程度、海況情況和油膜厚度都沒有過于嚴苛的要求。該裝置溢油回收的流程設計如圖3所示。

圖2 一種自動化海上溢油回收裝置

圖3 溢油回收裝置工作流程圖

2）一種半潛式溢油清理裝置（專利號CN104153333A，如圖4）。該裝置主要包括主體結構部分和設備部分，其中設備部分又包括自動導航系統、泵吸系統、油水分離系統、波浪發電系統、推進系統等。其主要工作流程如下：使用者可以利用裝置中的自動化設備遙控指揮裝置進行清污工作，設置在入口處的泵吸系統將溢油和海水的混合物吸收到裝置內部，混合物通過軀干部分的油水分離裝置后，分離出來的溢油由于密度較小向上流向溢油存放容器中或用管線輸送到遠處的船舶或岸上，分離出來的海水進入裝有波浪發電裝置的空間中用于發電，最后從尾部流出，形成一個完整的回收、處理系統，如圖5所示。

圖4 一種水上智能溢油清理裝置

圖5 半潛式溢油清理裝置控制機理及工作程序

該裝置具有如下優點：半潛于水中，受風浪作用較小，能夠在惡劣的海況下工作；采用許多自動化裝備，如自動導航系統，使整套裝置基本實現自動化，工作人員只需要在遠處的船舶或岸上操縱即可，減少暴露于溢油現場的危險性；該裝置中增加了一套波浪發電系統，在風浪較大的情況下，反而能提供更多的能源，提高裝置持續工作的能力，降低使用成本；該裝置可以在溢油現場就完成整個油污的回收、處理工作，不需要像清污船那樣把油污水運輸到岸上再進行處理，減少來回運輸的時間，工作效率高。

3）一種碾壓式出油的溢油回收船（如圖6）。該裝置主要包括儲油艙、轉動軸和控制室等主要結構，儲油艙內部上表面設有軌道、過濾板和碾壓輪裝置；2個轉動軸設于船面，1個轉動軸放吸油氈卷通過軌道固定到另一個轉動軸上；控制室設于船面一側，內置有定位裝置、動力系統、雷達、視頻傳感器、控制器。

圖6 一種碾壓式出油的溢油回收船

該裝置的優點如下：采用自動化控制系統，溢油回收過程中不需要工作人員直接參與，只需岸上操縱溢油回收船的運動軌跡即可，保障了清理溢油工作人員的人身安全，減少了暴露于溢油現場的危險性；通過碾壓輪碾壓吸油氈的方式和通過活動件上下移動擠壓吸油氈的方式將溢油回收至儲油艙，能夠高效回收溢油，避免了油品的浪費，同時碾壓或擠壓過后的吸油氈通過回收可重復利用，降低了溢油回收成本。

上述3種新型海上溢油應急回收裝置專門針對惡劣海況而設計，具有自動化程度高、抗風浪能力強、持續工作時間長、二次污染風險低等特點，能有效降低人員暴露風險，并獲得了國家發明專利授權，在技術上具有較高的可行性。同時，能較好地應用于遠離陸地的深遠海，特別適合應對大規模海上溢油事故，開發應用的前景廣闊。

4 結語

海上溢油事故的處置是一個世界性難題，給海洋環境造成了不可估量的損害，現有的溢油應急處置設備還難以滿足溢油處理的需求，亟需加快研發步伐。本文在分析現有溢油應急處置技術和設備不足的基礎上，結合海上溢油的難點，提出了適用于惡劣海況的新型海上溢油回收設備研發思路和設計構想，對海上溢油應急處置技術的研究和設備研發有一定的參考意義。