船舶近體應(yīng)急圍油欄的設(shè)計(jì)與研究

侯恕萍，王欽政，張俊，于海洋，黃衛(wèi)聯(lián)

船舶近體應(yīng)急圍油欄的設(shè)計(jì)與研究

侯恕萍1，王欽政1，張俊1，于海洋1，黃衛(wèi)聯(lián)2

為解決現(xiàn)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(wèn)題，針對(duì)常見(jiàn)工況設(shè)計(jì)船舶近體應(yīng)急圍油欄，說(shuō)明該裝置的結(jié)構(gòu)組成和功能，并通過(guò)仿真分析進(jìn)行磁吸附方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明船舶發(fā)生破損溢油事故后，船舶近體應(yīng)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?chē)^小范圍內(nèi)。

船體破損溢油；近體應(yīng)急圍油欄；電磁吸盤(pán)；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(nèi)，發(fā)生碰撞破損事故的概率較高。在船體破損處應(yīng)急封堵完成之前，破損處常伴有內(nèi)部油液或含油壓艙水泄漏，并沿破損處流入水域大面積擴(kuò)散，對(duì)水質(zhì)造成嚴(yán)重污染，同時(shí)對(duì)后期清污帶來(lái)較大難度，甚至對(duì)水域造成不可逆轉(zhuǎn)的污染。常規(guī)船載應(yīng)急圍油欄因其結(jié)構(gòu)功能和使用方法上的特點(diǎn)，適用于水面溢油擴(kuò)散后的攔截和圍聚，但該片水域已經(jīng)受到了嚴(yán)重污染。針對(duì)上述問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)了船舶近體應(yīng)急圍油欄，其兩端固定于外船體，可將船體破損處相對(duì)較小范圍內(nèi)的水域圍控起來(lái)。該裝置既能配合船體破損處應(yīng)急封堵工作，實(shí)現(xiàn)船舶近體應(yīng)急圍控溢油，又能配合船舶正常維修時(shí)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(duì)水域的污染影響。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)船體破損溢油圍控的專(zhuān)業(yè)方法、產(chǎn)品很少，在專(zhuān)利資料中，侯恕萍等[1]提出了一種船體破損溢油近體應(yīng)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(xiàn)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(kuò)散。繼續(xù)探究和完善這種“船舶近體圍油”思想、方法，并研究設(shè)計(jì)船舶近體應(yīng)急圍油裝備是很有工程應(yīng)用價(jià)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(yīng)急設(shè)備、材料[3]。在航道、港口等船舶通行密集的水域內(nèi)，船舶碰撞事故易發(fā)，但由于船速較低、風(fēng)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(shè)計(jì)的船舶近體應(yīng)急圍油欄作為船載溢油應(yīng)急裝備，主要用于輕度船體破損和溢油事故的應(yīng)急處置。水域工況參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 船舶近體圍油欄適用水域波浪參數(shù)

參考中華人民共和國(guó)交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《圍油欄》及《溢油應(yīng)急培訓(xùn)教程》的要求[4]，設(shè)計(jì)船舶近體應(yīng)急圍油欄的性能參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 船舶近體應(yīng)急圍油欄性能參數(shù)

2 船舶近體應(yīng)急圍油欄的結(jié)構(gòu)功能

船舶近體應(yīng)急圍油欄的結(jié)構(gòu)組成和工作狀態(tài)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(guī)圍油欄主要由浮體、裙體或擋油屏體、配重體、加強(qiáng)帶、支撐件、繩索及連接件等組成[5]?，F(xiàn)有常規(guī)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(dòng)攔截浮油，在開(kāi)放水域采取的用法是兩端栓固于拖船上主動(dòng)圍控浮油。如果采用常規(guī)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(huì)在風(fēng)浪的作用下發(fā)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(wèn)題，設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)。

如圖2所示，圍油欄主體由兩組硬體結(jié)構(gòu)單元鉸接組成，每組4個(gè)單元，其兩端各鉸接一個(gè)船體連接裝置。每個(gè)硬體結(jié)構(gòu)單元由長(zhǎng)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(jié)構(gòu)單元中的每?jī)蓚€(gè)單元之間通過(guò)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(jié)構(gòu)單元相互之間的運(yùn)動(dòng)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(fēng)、浪、流等外力后，整體上會(huì)產(chǎn)生彈性變形，減緩沖擊，外力撤去后恢復(fù)原形，如圖3所示。

板彈簧鉸接處配有快速鎖緊銷(xiāo)，可快速裝卸，其卸下后，各硬體結(jié)構(gòu)單元可以相互折疊起來(lái)存放，在最大程度減小近體圍油欄的儲(chǔ)存占用空間的同時(shí)，縮短其使用時(shí)的布放時(shí)間。

板彈簧鉸接處配有快速鎖緊銷(xiāo)，可快速裝卸，其卸下后，各硬體結(jié)構(gòu)單元可以相互折疊起來(lái)存放，在最大程度減小近體圍油欄的儲(chǔ)存占用空間的同時(shí)，縮短其使用時(shí)的布放時(shí)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(dòng)支架、轉(zhuǎn)動(dòng)支架、吸盤(pán)、磁輪和折疊攔油布等組成。一側(cè)與外船體連接固定，另一側(cè)與圍油欄之間按圖5所示的具有3個(gè)自由度的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副連接，使圍油欄具有波浪隨動(dòng)及緩沖能力。

對(duì)于船體連接裝置的連接方式，考慮采用可控且對(duì)船體無(wú)損的連接方式。首先考慮真空吸附方式。真空吸附技術(shù)是利用壓縮空氣通過(guò)特殊的氣動(dòng)裝置產(chǎn)生真空進(jìn)行吸附的一種技術(shù)，真空吸附系統(tǒng)由真空發(fā)生器、吸盤(pán)、管路組件和控制器組成[6]。船體結(jié)構(gòu)鋼一般分為一般強(qiáng)度船體鋼、高強(qiáng)度船體鋼、低磁船體鋼和海上石油平臺(tái)用鋼[7]，絕大多數(shù)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(shù)是利用通電后的線(xiàn)圈所產(chǎn)生的磁力線(xiàn)通過(guò)鐵磁工件而吸緊?？紤]船舶近體應(yīng)急圍油欄的應(yīng)急特性，電路響應(yīng)速度遠(yuǎn)高于氣動(dòng)響應(yīng)速度，所以選定電磁吸附方式作為船體連接裝置連接的實(shí)現(xiàn)形式。

圖4中每個(gè)磁輪連接于一個(gè)可控運(yùn)動(dòng)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(jī)器人一樣沿著船體側(cè)壁進(jìn)行吊放和回收，其到達(dá)指定位置后，控制磁輪擺臂背向船壁擺動(dòng)，電磁吸盤(pán)便貼近于外船體表面，隨后對(duì)電磁吸盤(pán)通電進(jìn)行吸附。這使近體圍油欄的吊放操作更加簡(jiǎn)便可靠，消除了電磁吸盤(pán)通電瞬間與船壁的撞擊。在電磁吸盤(pán)斷電后，控制磁輪擺臂面向船壁擺動(dòng)，克服電磁吸盤(pán)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(wú)需下水，在甲板上通過(guò)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(gè)下有輪子的可移動(dòng)箱體，箱體內(nèi)為可伸縮吊臂、托板、托板架、托板架舉升臂和電磁吸盤(pán)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(dǎo)磁鋼板，可在托板架上滑動(dòng)。

工作流程：將吊放裝置移動(dòng)到船舷邊預(yù)定位置，將其內(nèi)的電磁吸盤(pán)通電吸附于甲板上；將船體連接裝置電磁吸盤(pán)通電吸附于托板上；將托板架吊至豎直狀態(tài)，同時(shí)移動(dòng)托板架舉升臂使托板面與船壁面對(duì)齊；將托板向下滑動(dòng)使其接觸到船壁面；將船體連接裝置電磁吸盤(pán)斷電，釋放繩索通過(guò)磁輪的吸附作用使其緊貼船壁面向下行進(jìn)至預(yù)定位置；控制磁輪擺臂背向船壁擺動(dòng)，將船體連接器的電磁吸盤(pán)貼緊于船體側(cè)壁，隨后對(duì)電磁吸盤(pán)通電吸附于船體。

每個(gè)吊放裝置負(fù)責(zé)一側(cè)的船體連接裝置的吊放工作。平時(shí)吊放裝置的托板處于水平狀態(tài)，箱內(nèi)空間用于存放船體連接裝置和折疊狀態(tài)的圍油欄，減小了整個(gè)裝置的儲(chǔ)存占用空間，輪子的存在增加了其便攜性，底部的電磁吸盤(pán)增加了其工作時(shí)的穩(wěn)定性，見(jiàn)圖7。

3 仿真分析

3.1 電磁吸盤(pán)排布方式的選擇

設(shè)計(jì)出兩種吸盤(pán)排布方案，見(jiàn)圖8。圖8a)為4個(gè)大吸盤(pán)吸附方案，圖8b)為每組4個(gè)小吸盤(pán)共4組吸盤(pán)吸附方案，磁極交替排布。

利用ANSYS Maxwell軟件進(jìn)行兩種吸盤(pán)排布方案的磁力仿真。初始條件為：每個(gè)大吸盤(pán)單獨(dú)的最大電磁力是每個(gè)小吸盤(pán)單獨(dú)的最大電磁力的4倍，每個(gè)大吸盤(pán)的吸附面積是每個(gè)小吸盤(pán)的4倍。磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況的分析結(jié)果如圖9所示，經(jīng)軟件計(jì)算，兩種吸盤(pán)排布方案中后者的總磁力比前者大，所以本設(shè)計(jì)采用圖8b)所示方案。

3.2 圍油欄板彈簧組件結(jié)構(gòu)仿真分析

圍油欄主體結(jié)構(gòu)中，圍油欄硬體單元間連接的板彈簧組件為關(guān)鍵受力結(jié)構(gòu)，利用PTC Creo系列軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模及結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。

由于各板彈簧端部均為鉸鏈連接且軸線(xiàn)相互垂直，所以各板彈簧應(yīng)力分布情況取決于所受力的方向或力矩的平面方向。整個(gè)組件兩端各連接一個(gè)圍油欄單元框架，由于波浪和水流的特性，每?jī)蓚€(gè)圍油欄單元的相對(duì)運(yùn)動(dòng)很復(fù)雜，所以整個(gè)組件的每個(gè)板彈簧都會(huì)承受復(fù)雜的載荷，沒(méi)有明確的載荷分布趨勢(shì)。為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，靜力分析時(shí)固定模型右側(cè)的圍油欄單元框架，在左側(cè)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(duì)速度。

圍油欄整體形狀為半圓柱面，取阻力系數(shù)Cd=0.4，動(dòng)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(nèi)垂直于船體表面方向和平行于船體表面方向加載432 N進(jìn)行應(yīng)力分析。分析結(jié)果顯示，每個(gè)板彈簧靠近端部鉸鏈附近的位置應(yīng)力相對(duì)較大，最大值為40 MPa左右，鉸鏈軸上的最大應(yīng)力值達(dá)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(qiáng)度為100 MPa，屈服強(qiáng)度為80 MPa，遠(yuǎn)低于軸用結(jié)構(gòu)鋼。為了增加板彈簧結(jié)構(gòu)安全性，在設(shè)計(jì)上應(yīng)對(duì)其靠近端部鉸鏈附近位置局部進(jìn)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(qiáng)度。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的船舶近體應(yīng)急圍油欄，在功能上解決了現(xiàn)有船載應(yīng)急圍油欄圍控面積過(guò)大且布放操作不夠便捷問(wèn)題。綜合考慮了儲(chǔ)存、運(yùn)輸、布放、回收等過(guò)程對(duì)船舶近體應(yīng)急圍油欄進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)上采用了一體化設(shè)計(jì)，并且對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)或部件進(jìn)行了仿真分析。與現(xiàn)有類(lèi)似設(shè)計(jì)相比，本裝置結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單可靠，功能更完善實(shí)用，為船舶近體圍油技術(shù)和裝備的進(jìn)一步研究提供了良好的開(kāi)端。

在船舶近體應(yīng)急圍油欄的設(shè)計(jì)和研究過(guò)程中，也遇到了一些問(wèn)題，主要是船體表面平整度、粗糙度和附著物等對(duì)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(kāi)發(fā)程度的不斷擴(kuò)大，船只數(shù)量不斷增加，人們對(duì)船舶應(yīng)急裝備的數(shù)量和質(zhì)量的需求也不斷增大。本文設(shè)計(jì)和研究的這種船舶近體應(yīng)急圍油欄，在海洋工程領(lǐng)域具有重要的實(shí)用價(jià)值，對(duì)以后更高效便捷的船舶應(yīng)急裝備的研制具有參考價(jià)值。

關(guān)于船舶近體應(yīng)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?xiàng)l件對(duì)技術(shù)裝備功能和性能上的影響；完成試驗(yàn)樣機(jī)的設(shè)計(jì)和制造并對(duì)重要部件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定；進(jìn)行設(shè)計(jì)工況條件下的海試，驗(yàn)證裝置功能和性能；將試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果進(jìn)行比較分析，進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能上的優(yōu)化改進(jìn)等。

[1] 侯恕萍,王欽政,張俊,等.船體破損溢油近體應(yīng)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(yīng)急設(shè)備、材料的經(jīng)濟(jì)選擇[C].中國(guó)航海學(xué)會(huì)船舶防污染專(zhuān)業(yè)委員會(huì).船舶防污染經(jīng)濟(jì)研討會(huì)論文集.中國(guó)航海學(xué)會(huì)船舶防污染專(zhuān)業(yè)委員會(huì),2002.

[4] 中華人民共和國(guó)海事局.溢油應(yīng)急培訓(xùn)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(xiàn)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(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究[D].成都：西南交通大學(xué),2013:20-22.

[7] 林云輝,武晶,李月祥，等.我國(guó)船體結(jié)構(gòu)用鋼及其標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展[J].船舶標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量,2000(1):22-24.

(1.哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2.天津神封科技發(fā)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(guó)家科技支撐計(jì)劃(2014BAK05B00)； 哈爾濱市自然科學(xué)基金(2013RFQXJ091)

侯恕萍(1972—)，女，博士，副教授研究方向:水下作業(yè)技術(shù)與裝備

U698.7

A

1671-7953(2017)01-0148-05

修回日期：2016-07-15