組合式收油機設計與應用

李 超，吳 亮，邢成路，王耀祿，李新松

（中海石油環保服務（天津）有限公司，天津 300457）

0 引言

隨著全球經濟的逐年發展，石油消費逐年增高，水上石油開發和運輸需求持續增大，伴隨而來的潛在的溢油事故風險也一同增加。出現水面溢油后，油膜會隔絕海水與空氣，向水體中擴散，造成植物缺氧、動物窒息、石油烴中毒，破壞海洋生態環境。通過回顧近年發生的大規模溢油事故，如美國墨西哥灣溢油事故，可以發現在事故發生后，采取迅速有效的溢油處置措施可以減小事故影響，降低對生態環境的危害[1]。本文介紹一種組合式收油機，其功能是從水體中分離回收溢油，此裝置可以進行溢油事故的應急處置、含油水池中浮油回收等工作，其應用可減小溢油事故對生態環境造成的影響，減少資源的浪費。

1 設計原理

收油機是一種發生水面溢油事故后，用于回收水面溢油的設備，根據其工作原理分為利用油水的密度差進行油水分離的收油機和利用材料親油性進行油水分離的收油機，根據這兩種回收原理可衍生出多種類型的收油機，表1為目前廣泛應 用的幾種收油機適用性及性能特點對比[2]。

表1 收油機適用性及性能特點對比

本設計利用親油材料對油品的粘附作用進行連續油水分離，親油材料制成中空類鼓式外形，表面光潔，與機架共同產生浮力，具有收油效率高、吃水深度淺和操作簡便的特點。

1.1 親油滾筒

滾筒由高分子材料制成，筒體中空，形狀與鼓式收油機滾筒相似，表面帶有V型槽。滾筒材料具有親油特性，滾筒半浸于油水中，通過液壓馬達驅動旋轉，可將水面的溢油粘附至滾筒表面，并由水線上方與之配合的刮板刮下，將溢油收集至集油槽中，實現連續作業。

1.2 輸油泵

在收油機的集油槽中安裝輸油泵，用于將收集的溢油增壓轉運至外部，輸油泵類型可根據油品黏度選取，其排量與收油滾筒總回收量相匹配，輸油泵由液壓馬達驅動，工作過程不產生火花。

1.3 機架

機架為薄殼型結構，采用鋁合金板材焊接成型，殼體即可為收油機提供浮力，也同時為其它部件提供安裝平臺，與框架結構相比可有效降低結構重量。選用的鋁合金材料無需額外處理即可有效防止海水腐蝕，同時重量較低。在設計過程中根據附件重量核算設備吃水，設計出合理的水線位置，為親油滾筒作業提供良好的作業條件。機架外側有連接接口，用于2臺或多臺收油機進行組合作業，多臺收油機形成組合體后其額定收油量隨之拓展。

1.4 工作原理

收油機工作時，需要將收油機放置于浮油急中的位置，收油機依靠自身浮力漂浮在水面，親油滾筒與水面浮油接觸。

收油機工作狀態見圖1，親油滾筒向內側旋轉，由于滾筒具有親油疏水的特性，周圍的浮油被粘附到親油滾筒表面，并隨滾筒旋轉與水體分離，粘附的浮油被刮板從滾筒表面刮除，并在重力的作用下沿流道流入集油槽中，由輸送泵泵送至外部，刮除浮油的滾筒表面重新入水，繼續粘附浮油實現連續作業。通過調節親油滾筒轉速可以獲得最佳收油速度，通過調節泵速可以保證集油槽液位穩定。

圖1 收油機工作原理

滾筒表面相對平滑，收油機工作時，滾筒轉動對油層產生的剪切力較低，不會破壞油層形狀的穩定，因此在收油機滾筒旋轉回收浮油時，浮油在表面張力作用下會產生一個對油液的聚攏現象，即收油機周圍的浮油會受到一個指向親油滾筒旋轉方向的拉力，由于滾筒與浮油為面接觸，拉力相對較大，在該力的作用下被連續拖拽至滾筒下方，這種現象能夠保證收油機的作業時不斷的有浮油與滾筒接觸，有助于收油機在靜止的水面連續作業。

2 設計特點

為提高收油機在使用過程中的溢油回收效率、溢油回收速度以及作業靈活性，對收油機各部件以及使用形式進行了優化。

2.1 材料表面性質和結構對濕潤性的影響

接觸角是衡量該液體對材料表面潤濕性能的重要參數。如圖2所示，過三相接觸點，向l-v界面做切線，l-v界面切線與s-l界面之間的夾角，即為接觸角[3]。若θ＜90°，則固體表面是親水性的，即液體較易潤濕固體，其角越小，表示潤濕性越好；若θ＞90°，則固體表面是疏水性的，即液體不容易潤濕固體，容易在表面上移動。

圖2 接觸角

接觸角的大小即受到材料表面的表面能的影響，也受接觸面的粗糙的影響，當θ<90°時，表面糙化使接觸角變小，而當θ>90°，時，表面糙化使接觸角變大。固液接觸面，當接觸角θ＜90°時，表面糙化將使接觸角變小，而當θ＞90°時，表面糙化使接觸角變大。由此可見，固體表面的親水或疏水性可通過提高其表面粗糙度得到加強，即親水表面糙化后會更加親水，而疏水表面糙化后會更加疏水[4]。因此可通過改變固體表面形貌來控制其潤濕性。

為增強收油機的溢油回收效率，降低回收油液的含水率，需要選用親油、疏水材料作為滾筒的基材，并通過改變滾筒表面結構增強材料的親油、疏水效果。本文通過試驗測試選用高分子材料作為具有親油、疏水特性的滾筒基材，利用電火花法改變滾筒模具的表面形貌，生產具有粗糙表面的滾筒。

2.2 材料表面形狀對回收量的影響

收油機回收浮油主要依靠滾筒的親油特性粘附浮油，因此其與浮油接觸面的大小和旋轉速度決定了回收速度，收油機滾筒表面設計為帶有V型槽的結構，可增大滾筒的比表面積，如圖3所示。與普通鼓式滾筒相比，通過調整V型槽的角度和深度，可提大幅增加表面積。

圖3 收油滾筒

滾筒粘附浮油與水面分離后，粘附在筒壁上的浮油會受到重力和流動阻力的共同作用，滑動阻力的大小與流體的等效水利半徑負相關[5]，且小于重力，浮油會在合力的作用下下滑，并保持層流狀態。等效水利半徑R為通流的有效截面積A和濕周L之比，R與L負相關，由此可知在通流截面相同時，流動阻力隨濕周的增大而增大，與平面滾筒相比，通流截面積相等的情況下，V型槽內流體的濕周要大于平面滾筒的濕周，即在V型槽中的流體受到更大的流動阻力，因此所受的向下的合力更低，粘附的油品的回流更少，帶有V型槽的滾筒作業效率更高，通過試驗確定應對不同黏度油品的最佳角度。

2.3 組合作業形式提高設備配置的靈活性

現有收油機的額定收油量為定值，在面對多種不同溢油量的作業需求時，溢油設備庫或使用單位需配備多套額定回收量不同的收油機，以同時滿足使用靈活性要求和回收能力要求，覆蓋不同溢油量的作業場景。組合式收油機的收油頭可由單個或多個單體收油頭組成，單體收油頭具有固定的額定收油量、體積和重量，多個單體收油頭組合后的收油頭則有更大的收油速度，組合收油頭的輸油泵進行并聯輸出，液壓驅動管線串聯連接，作業時其操作方式與單體作業相同，收油頭組合狀態見圖4（2個單體收油機組成1個組合體收油機）。使用單位采購一套組合收油機即可通過拆分使用收油頭獲得覆蓋多個溢油量的應急場景的可能，減少溢油設備配備量，提高設備使用靈活性。

圖4 收油機組合狀態

2.4 機架表面改性提高易清潔性

機架采用鋁合金材料加工而成，其本身具有較強的親油性，在作業時與浮油接觸后，機架表面會粘有較多浮油且附著頑固。油污在疏油材料表面的附著力遠低于在親油材料表面，甚至油污可以在重力作用下自然從疏油表面脫落。對機架表面進行疏油改性，在機架表面形成疏油薄膜，可有效減少收油機作業后的浮油粘附量，降低粘附層與機架附著力，改善收油機作業后的易清潔性。

3 結論

本文采用親油式回收原理，并在基礎原理上進行幾點創新：

1）采用V型槽親油滾筒并作表面處理，可改善材料親油、疏水特性，提高裝置效率。

2）采用組合式結構，能夠通過拼裝組合，改變額定溢油回收量，使用單位設備配置和使用更加靈活。

3）對機架材料進行疏油噴涂改性，可改善收油機的易清潔性。