基于雙向掃油臂系的溢油回收裝置設計

張高宇，王帥軍，陳麒石，林嘉斌

(浙江海洋大學 船舶與海運學院，浙江 舟山 316022)

近年來，隨著海洋石油勘探開發和海洋運輸活動日益頻繁，溢油事故頻發，海洋溢油污染已成為海洋環境的最主要威脅之一。溢油會在海洋中經過一系列復雜的物理、化學變化直至分解消失[1]，若不及時處理會導致海洋環境受到嚴重污染。溢油漂浮在大海中時所處的形態和運動軌跡均對回收溢油有至關重要的影響。2022年1月，湯加火山爆發，引發連鎖反應，導致秘魯一煉油廠發生原油泄漏，受污染的海洋面積約7.13 km2。然而秘魯開展吸油工作時，卻多采用傳統方法，用大量頭發吸油，雖說1 kg頭發可吸收約8 kg原油，但在處理方式、時效性等方面限制了溢油的回收效率。

1 傳統溢油回收方法存在的問題

目前，傳統的海洋溢油回收裝置從原理上分為3種[2]：①物理處理法。該方法雖污染小，但人工成本高，局限性大，易受溢油量及海況影響；②化學處理法。該方法處理成本高，易造成二次污染，且不適用于溢油量較大的溢油現場；③生物處理法。該方法易受限于環境因素，對微生物的作用效果也無法快速確定，目前還無法被熟練地實際應用。這些傳統的方法往往存在時效性差、特點單一、自動化程度低、受海況影響大、成本高、運用不靈活等問題。

2 基于雙向掃油臂系的溢油回收裝置的設計

2.1 總體設計要求

針對傳統的溢油回收裝置或方法存在的問題。本文設計了一種基于雙向掃油臂系的內嵌式海面溢油回收裝置，其設計要求包括以下方面。

1)從節省外部空間與提高回收效率的角度出發，設計雙向內嵌式系統，內置圍油欄與收油機，以達到精準收油的目的。

2)為防止因惡劣海況導致溢油擴散難以回收的情況，設計雙向掃油臂系，在海面上形成一個可調節大小的圍油面積，以便于圍攏海面溢油。

3)通過對泄漏溢油的黏度分析，設計吸油組件和發熱導油通道，使得裝置對溢油的吸取效率更高，進而提高溢油回收效率。

2.2 工作原理

利用AutoCAD軟件平臺設計出基于雙向掃油臂系的溢油回收裝置示意圖，如圖1所示。

圖1 基于雙向掃油臂系的溢油回收裝置示意圖

由圖1可知，雙向掃油臂系及圍油欄設于溢油回收裝置兩側，吸油機以及紅外線傳感器置于裝置本體內部，紅外線傳感器與推進裝置及蓄電池用電路相連，裝置由遙控器傳導信號至紅外線傳感器操縱裝置運行工作。

操作者在岸上操縱遙控發出的指令通過葉輪驅動裝置，快速精準地到達溢油事發地，判斷溢油泄漏量的程度，同時控制掃油臂系的方位角度來改變圍油面積。溢油及海水在掃油臂系的圍攔下，前后通過導流門、通孔、吸油機本體、吸油組件、發熱導油通道的一系列回收處理，最終流入儲油體內。如此，不僅節省了裝置的外部空間，且長而寬的裝置本體又可在惡劣的海況下盤踞在海平面上，獨立進行收油作業，極大提高了溢油吸收效率。

2.3 設計內容

1)內嵌式系統設計。將收油機及圍油欄置于裝置內部，并在裝置本體左右兩側各安裝一套內嵌式溢油回收裝置，形成雙內嵌溢油回收系統，先后開啟前后導流門，控制掃油臂與卷筒，將圍油欄伸出；完成收油作業后，再將圍油欄收回裝置內。

2)裝置本體兩側雙向掃油臂系配合圍油欄設計。裝置兩側圍油欄布放后，圍油欄上的浮筒使圍油欄在海面上形成2個掃油截面，其作用是圍攏海面溢油，防止因惡劣海況導致溢油擴散而造成的收油作業困難[3]。在裝置行進過程中，可控制掃油臂系的方位角度，來控制掃油面積的大小[4]。

3)基于壓力板與吸油組件相結合的吸油機設計。掃油截面內的浮油、海水經前導流門流入基于壓力板的吸油機。吸油機的側邊各面設計有20個大小相同的圓形通孔，以便溢油的流入。當電機所帶動的鏈條使壓力板上升時，通孔在垂直方向上位于壓力板的下側，圍油截面圍攏的油水混合物在壓強的作用下進入吸油機本體；當電機所帶動的鏈條使壓力板向下壓，在壓力板下壓至壓到吸油組件時，在豎直方向上，壓力板的上方正好將各個通孔堵住，避免了過多的油水混合物流入。同時，壓力板產生的由上至下的壓力也可防止油水流出本體。 同時，黏附在吸油組件上的溢油在壓力板的作用下，通過發熱導油通道表面上的方形通孔流入導油通道內，最后儲存在儲油體中。基于壓力板與吸油組件相結合的吸油機示意圖如圖2所示，鏈條上的固定壓力板工作示意圖如圖3所示。

圖2 基于壓力板與吸油組件相結合的的吸油機示意圖

圖3 鏈條上的固定壓力板工作示意圖

4)相互配合的吸油組件和發熱導油通道設計。在吸油組件的下方設計發熱導油通道，該通道上方連接吸油組件，與吸油組件相互配合，吸油材料選擇剛性合金材料、外部涂覆有新型海花草材料涂層的高回彈海綿制件。發熱導油通道與吸油組件接觸的表面上設計了7個發熱柱，發熱柱在通電加熱后，把熱量傳導至吸油組件，升溫后的吸油組件對溢油的吸收會更加迅速，并且加熱后的吸油組件可以吸收更高黏度的溢油，提高對溢油的吸收效率。發熱導油通道與吸油組件示意圖如圖4所示。

圖4 發熱導油通道與吸油組件示意圖

3 研究方案

3.1 研究路線

首先基于對掃油臂系的設想，結合基礎理論及分析，初步確定本裝置的形態及其特征，并對其建模。其次結合裝置各個部件的材料選型特性，確立裝置的基本模型[5]，根據多功能化的要求，設計能對抗環境因素和滿足回收效率的裝置。然后利用STAR仿真軟件對已建立的三維模型進行多方位模擬分析，并優化結構。再次，通過模型實驗，對比仿真模擬計算數據并多次借助仿真軟件進行數值實驗。最后，結合實地實驗和模擬數據作對比和分析，總結參數關系，最終確定具有最優收油效果及穩定性的模型。

3.2 仿真測試數值并優化模型結構

運用STAR對三維建模軟件建立的基于雙向掃油臂系的溢油回收裝置模型進行水面模擬航行，分析圍油欄興波和浮力大小問題與掃油臂系的長度角度之間的關系，探究圍油欄受到的阻力系數變化對圓形通孔進油效果的影響，進而確定掃油臂系、圍油欄長度寬度、圓形通孔位置之間的關系。調節壓力板的作用大小，控制對吸油組件的壓力，以達到收油的目的。利用STAR軟件對掃油臂系的動力進行調試，計算溢油回收裝置的掃油最穩定性能[6]，再通過三維軟件確立模型，憑借Patran等專業的有限元軟件對設備進行受力分析，優化結構[7]，最后實踐操作，繼續優化，以達到最優效果。

4 可行性分析

1)結構可行性分析。本溢油回收裝置基于機械設計基礎的原理設計。在改變收油面積的同時，也可進行吸油工作，使得收油吸油同步進行，并最終能在吸油機中高效地完成回收工作。裝置整體運轉流暢，結構合理，各組件之間相互作用，完美配合，發揮出最大優勢，提升溢油回收的效率。

2)技術可行性分析。當突發溢油事件時，工作人員操作遙控裝置發送可接受紅外線，紅外線傳感器收到紅外線信號，便會傳送電信號至刷機后的PLC控制器，再傳送電信號到空腔內的電機使其工作。該裝置可適用于各種復雜水域或惡劣海洋環境下的溢油回收，可通過遠程操縱，大大縮短了溢油回收時間，節約了人力物力，具有一定的技術可行性和實用性。

3)操縱可行性分析。該裝置操縱簡單，不需耗費人力。若發現溢油區域，操縱人員可操縱該裝置前往溢油區域進行回收工作，且裝置適用于惡劣海況，即使不使用掃油臂系，溢油也可在通孔的作用下流入吸油機完成回收，降低了工作人員靠近溢油區域所受到的風險，同時提升了回收效率。

5 結束語

本文設計出一款具有雙向掃油臂系以及內嵌式吸油機等特點的溢油回收裝置。介紹了該裝置的工作原理和主要組成部件，基于仿真及數值模擬對其進行了可行性分析，得出該裝置具有可實現性，能夠為海洋溢油事件提供更好的處理條件。