海上溢油油膜厚度浮標結構設計研究

王 晶，王春誼，王項南，王士一

（國家海洋技術中心，天津 300012）

海上溢油油膜厚度浮標結構設計研究

王 晶，王春誼，王項南，王士一

（國家海洋技術中心，天津 300012）

介紹了海上溢油油膜浮標的采樣池和整體結構設計，綜合考慮浮標的重量、浮力和壓力等因素，分析了浮標在水中的靜態(tài)特性和結構強度，最終研制了符合結構設計要求的油膜浮標，通過實驗證明其可靠性及密封性能良好。

溢油；油膜；強度；采樣池；浮標

海洋以其廣闊的空間、豐富的資源對地球環(huán)境具有巨大的調解作用，構成了全球生命支持系統(tǒng)的一個重要組成部分[1]。但是近年來，在中國海域和國際上都發(fā)生過不少船舶溢油事故，而且都給海域和沿岸陸域造成了嚴重的環(huán)境污染。另外全球石油消費需求不斷增加的趨勢使得我國海洋石油勘探及開采規(guī)模不斷擴大,因試油、運輸、儲存以及其他原因造成我國海洋溢油事件發(fā)生的機率不斷增加，石油開采過程中帶來的噴井、海底漏油等也對海洋環(huán)境帶來了威脅[2]。

2010年4月，位于墨西哥灣的“深水地平線”鉆井平臺發(fā)生爆炸并引發(fā)大火，鉆井平臺底部油井開始漏油不止，原油漂浮帶長200 km，寬100 km，而且還在進一步擴散，排污行動持續(xù)了數月，此次漏油事件造成了巨大的環(huán)境和經濟損失。2011年6月期間我國中海油渤海灣一油田發(fā)生漏油事故，根據監(jiān)測結果，溢油污染主要集中在蓬萊19-3油田周邊海域和西北部海域，使周圍840 km2的一類水質海水惡化為劣四類，對海洋環(huán)境造成了一定程度的污染損害。這類事故一旦發(fā)生擴散極為迅速，容易使大面積水域受到污染，導致大量魚類、海鳥的死亡，不僅破壞生態(tài)環(huán)境，而且還可能引起燃燒和爆炸[3]，將對海洋環(huán)境和社會經濟活動產生長期的重大的影響。因此，及時獲取海洋表面油膜信息，可保護海洋環(huán)境，降低打撈成本，對全球生態(tài)環(huán)境具有重要意義[1]。

海上溢油油膜厚度浮標可用于實現海面溢油油膜厚度的快速測量，在油膜厚度測量方面具有廣闊的應用前景，結合已有的溢油范圍測量手段可以準確估計溢油數量，可以為針對不同程度的溢油事故制定處理方案提供依據，因此溢油厚度測量對溢油事故的快速反應、保護海洋環(huán)境具有重要的意義。本文主要闡述了油膜測量對浮標設計的要求，包括浮標波動對油膜測量的影響、吃水線的調節(jié)、浮標的靜態(tài)特性、水中姿態(tài)和隨波性能，以及浮標在海水中所承受的強度壓力、密封結構設計等。

1 總體設計思想

根據浮標的水密、耐壓、姿態(tài)保持以及隨波性能的要求，設計出最優(yōu)的外形與結構；設計浮標的重心與浮心位置，確定傳感器、其他單元以及配重的加裝方案；在浮標上設計開放式的采樣池，用于油膜和海水進入測量體中；考慮浮標隨波運動時，保證吃水線能夠在測量范圍內。浮標外觀是圓柱形耐壓殼體，頂部裝載測量用GPS系統(tǒng)和接收天線，中間的圓柱殼體內裝有光學傳感器、控制模塊及電池艙等，底部為下蓋，需能承受一定的入水沖擊力，另外浮標入水后下沉一定的深度，對殼體和端蓋的厚度設計都要滿足耐壓強度的要求。

2 浮標體海水中靜態(tài)特性及結構強度分析

海面油膜測量不同于靜態(tài)的水面膜厚、金屬板等厚度測量，對海面油膜測量必須考慮海水的波動。浮標入水后，根據姿態(tài)穩(wěn)定性要求，需要考慮浮標體在海水中受到的阻力，重心、浮心的位置和在波浪激勵下浮標的恢復力矩，以及浮標體在水中的抗壓強度和剛性，設計尺寸對浮標運動的影響等。

2.1 浮標靜態(tài)特性計算分析

海洋浮標的受力情況與浮標和布放環(huán)境條件有關，其除受到重力和浮力外，還受到風浪流等環(huán)境載荷的作用。先對浮標進行靜力分析計算，浮標體的靜力學所研究的是穩(wěn)態(tài)條件下的負荷及其所產生的影響，而風浪流對其的影響則應根據實際布放的海況進行分析。

浮標在海水中的重力與浮力計算公式：

其中：Zi為標體第i個組件的重心位置；g為重力加速度。設計時應將浮標的浮心在上，重心在下，并保持一定的距離。假如浮標向某一方向傾斜，則重力和浮力產生一個合力矩，使得浮標向其相反的方向旋轉而恢復平衡。

浮標橫搖靜傾角θ計算公式[4]：

式中：Fwind，FC，FB，G 分別為風力、定常流力、浮力、重力；lwind，lC，lB，lG分別為各作用力的作用點到坐標原點O的距離。因此靜傾角θ值需要根據實際風力及海流的大小計算得出。

通過以上公式得出浮標的主要參數為：總高約1.03 m，最大直徑0.3 m，采樣池高度約0.8 m，浮標重力約為339 N，總浮力約為460 N，計算出的浮標重心和浮心位置相距較小，所以在試驗過程中需要對浮標進行配重調節(jié)，調整其重心與浮心的相對距離，將內部的光學、電源和控制部分的元器件盡量固定在浮標的底部，在保證吃水線位置的前提下，能夠使浮標在海水中測量時具有較好的恢復性能。

2.2 浮標結構強度分析

浮標在海水中受到水的沖擊力和壓力，因此浮標要有足夠的抗水壓強度和剛性，本設計對浮標的結構強度進行了計算，其中包括殼體壁厚及水平圓端蓋的厚度計算，通過計算結果的分析比較，選擇了合適的材料，研制了滿足強度要求的殼體。

水面浮體強度設計可視為圓柱形外壓容器的設計，本文所設計的油膜浮標體結構強度需滿足下列公式：

式中：Pk為臨界壓力；μ為圓筒材料的泊松比；S為圓筒壁厚；R為圓筒半徑；E為圓筒材料在工作溫度下的彈性模量。

按（3）式的計算值Pk要大于實際工作壓力值P[5]，浮標體才能滿足耐壓強度。

式中：m為穩(wěn)定系數，將（4）代入（3），變換后得出圓筒的壁厚計算公式：

由上式得知，設計中浮標圓筒的壁厚必須大于用實際工作壓力值P計算出的壁厚S值時才能滿足水面浮體的強度要求。

浮標在海水壓力作用下其水平端蓋厚度計算公式[6]：

式中：D為水平端蓋厚度；D0為水平端蓋計算直徑；K為結構特征系數；P為計算壓力；[σ]t為設計溫度下材料的許用應力；φ為焊接接頭系數。

因此通過上式可以計算出在實際工作壓力值P下浮標的水平圓端蓋的厚度D，而在設計中選用的端蓋厚度必須要大于計算值D方可滿足浮標的強度要求。

由于浮標布放時，實際入水深度不能達到水下10 m，為了保證浮標的可靠性，實際工作壓力值P選擇0.1×106Pa，LY12 材料的參數為：E=68.65×103MPa，μ=0.33，K=0.25，[σ]t=184 MPa。通過分別對LY12和ABS材料的筒體壁厚及端蓋厚度計算比對得出，用LY12制作的浮標殼體壁厚S約為2.34 mm，而實際采用厚度為8 mm，計算出水平圓端蓋的厚度D約為3.6 mm，實際采用的端蓋厚度最薄處為5 mm，最厚處為20 mm，能滿足浮標在水下10 m所承受的壓力，根據采樣池的測量空間要求，本浮標選用了LY12材料進行加工，保障了測量精度。

3 浮標整體結構設計

浮標采用圓柱形設計，與其它形體的浮標相比，如球形、鐵餅型、船型，該形體的浮標受到波浪激勵的影響最小[7]。根據光學系統(tǒng)結構將浮標分為上下兩部分，中間固定采樣池。由于浮標內布放傳感器和數據采集處理系統(tǒng)，為防止海水、溢油及其它物體對浮標內傳感器的破壞，按照設計手冊規(guī)定的標準進行了密封設計并合理選用了密封件達到密封要求，主要采用了徑向和軸向兩種密封方式。浮標整體結構如圖1所示。

3.1 采樣池結構設計

為克服海上波浪的影響，采樣池需采用非親油性的材質和合理的結構，將采樣池設計在浮標體的中上部，為滿足測量需要在連接蓋上垂直軸心線的方向打通開放式的采樣池，滿足抑止海上波動而不改變油膜厚度的測量要求，通過標體配重比實現限定采樣池吃水線的范圍，保障測量中的精度。見圖2。

3.2 油膜浮標的結構組成

浮標整體由上下圓筒、采樣池連接蓋、上下蓋和內部立板組成。浮標圓筒直徑為270 mm，內徑為254 mm。上下圓筒兩端均留有與上下蓋及采樣池緊固連接的凸臺。

在浮標中上部固定連接端蓋，其直徑為303 mm，是浮標體中直徑最大的部分，在端蓋垂直軸心線的方向打通一個開放式的采樣池，在采樣池上下面分別留有測量窗口，使測量光線能夠通過測量玻璃窗口進入采樣池中的油膜上進行測量，由于測量窗口直接與海水接觸，因此玻璃窗口需采用O型密封圈進行軸向端面密封，同時用壓片將玻璃窗口壓緊，在海水壓力的作用下，密封圈會越壓越緊，密封性也會越來越好。在連接蓋上的采樣池旁邊開通的方孔，是用來固定安裝測量模塊的立板，另外還打通兩個圓孔，以便于上下兩部分光學器件相互連接通訊，連接蓋兩端分別與上下圓筒采用雙道密封圈進行徑向密封，并用螺釘緊固連接，如圖2所示。

圖1 浮標示意圖

圖2 連接蓋及采樣池

上端蓋留有通訊孔，用來固定天線，使其穿過預留孔與通訊系統(tǒng)連接。為了保證浮標入水后不損壞浮體，通過計算選擇了滿足要求的下端蓋厚度，上下端蓋與浮標圓筒連接處同樣采用雙道密封結構，確保了密封的可靠性。

浮標內部的光學系統(tǒng)固定在立板上，立板從采樣池連接蓋內部穿過，上下兩端通過角鐵用螺釘與端蓋固定。使其光學系統(tǒng)正好固定在采樣池窗口的上下對稱兩側。同時在立板上還固定有通訊模塊、電路板、電池等測量單元，如圖3所示。

圖3 立板及固定的光學系統(tǒng)示意圖

4 結論

研制的海上溢油油膜浮標，根據浮標體的重量、浮力及強度的計算匹配后，浮標相對穩(wěn)定，密封性好，由于連接蓋采樣池位于浮標中上部，重心偏上，為保證吃水線位置處于測量窗口的中間位置，根據不同海域的海水密度需對浮標進行配重調節(jié)。將考慮在滿足支撐強度的情況下，盡量將連接蓋內部打通，把采樣池及以上部分的重量減輕，或者浮標整體換成其他密度較小、非親油性的材質，底部加裝配重進行試驗，增大其恢復力矩，減小橫搖角度，使其具有較好的隨波性。并且在滿足結構強度的要求下，將擴大浮標的采樣池空間，提高油膜厚度的測量精度。

[1]薛浩潔，種勁松.SAR圖像海洋表面油膜檢測方法[J].遙感技術與應用，2004，19（4）：290-294.

[2]徐艷東，湯憲春，徐艷艷，等.海上溢油的原因、變化過程、危害和應急對策分析[J].齊魯漁業(yè)，2007，24（9）：48-50.

[3]胡曉蘭，徐宏.溢油事故的應急監(jiān)測[J].黑龍江環(huán)境通報，2008，32（2）：54-55.

[4]趙會娟，尹洪武，王喜斌，等.玻璃鋼浮標的設計計算[J].玻璃鋼／復合材料，2003，（3）:30-33.

[5]張宏偉，丁淑華，王曉鳴，等.小型水下自航行器自沉浮裝置設計與研究[J].海洋技術，2008，27（1）：1-3.

[6]侯慶華.圓平蓋的應力分析及補強計算[J].油氣田地面工程，2009，28（8）：43-44.

[7]曲少春,鄭琨,王英民.圓柱形浮標運動分析與仿真[J].計算機仿真，2010，27（6）：363-367.

Research on the Design of Buoy for the Thickness of Oil Spill

WANG Jing,WANG Chun-yi,WANG Xiang-nan,WANG Shi-yi
(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

The sampling pool and the design of overall structure for oil spill buoy was described firstly.Then the static structure of buoys in the water was analyzed considering the buoyancy,pressure,weight of buoy and other factors.The buoy for oil spill according with the structural standard was designed.Finally,it is proved that the reliability and sealing performance of buoy for oil spill are well through testing.

oil spill;oil slick;strength;sampling pool;buoy

P715.2

B

1003-2029（2012）01-0049-04

2011-10-21

國家高技術研究發(fā)展計劃（863）資助項目——機載投棄式海上溢油油膜厚度測量技術（2008AA09Z115）；國家自然科學基金資助項目——海面溢油油膜厚度測量理論與關鍵技術研究（40876050）

王晶（1980-），工程師，主要研究方向為機械結構設計。Email：wangjing_998@126.com