碼頭裝卸油作業(yè)防溢油方案實(shí)施優(yōu)化

謝飛

中海石油（中國）有限公司崖城作業(yè)公司

溢油事故將導(dǎo)致生產(chǎn)停止，造成環(huán)境破壞、經(jīng)濟(jì)損失和損害企業(yè)聲譽(yù)，因此，預(yù)防和控制溢油事故具有重要意義。圍油欄廣泛應(yīng)用在海上溢油應(yīng)急處理中，在海洋船舶溢油、鉆井平臺(tái)漏油等事故中發(fā)揮了重要作用[1]。油品屬于危險(xiǎn)化學(xué)品[2]，港區(qū)、裝卸站須根據(jù)規(guī)定采取適當(dāng)?shù)难b卸作業(yè)隔離措施[3]，碼頭裝卸油作業(yè)防溢油污染制定的一項(xiàng)重要預(yù)防舉措是布放圍油欄[4]。南山終端碼頭布放30 m/節(jié)的圍油欄共7節(jié)，油品裝卸作業(yè)時(shí)，每次布放、回收和清潔圍油欄1次，需要大量人員和工作艇協(xié)助，布放、回收中難免有圍油欄在碼頭上磨損和碰傷，回收時(shí)圍油欄攜帶大量海水或油污，為避免圍油欄及圍油欄液壓卷繞機(jī)[5]的腐蝕，作業(yè)完成后逐節(jié)拆除圍油欄、平鋪放在地面上翻轉(zhuǎn)兩面清洗，工作時(shí)間長、勞動(dòng)強(qiáng)度大且浪費(fèi)淡水資源，連續(xù)裝卸油作業(yè)時(shí)還無法及時(shí)清洗，導(dǎo)致每年圍油欄的維護(hù)費(fèi)高居不下。作業(yè)受天氣影響嚴(yán)重，遇雷電風(fēng)雨或大浪時(shí)，應(yīng)立即停止作業(yè)或油輪及時(shí)離港[6]，碼頭與油輪之間的油流通道通常選用橡膠軟管[7]，軟管的各工況載荷-變形率曲線存在明顯的非線性特性，拉伸剛度與彎曲剛度隨載荷增大而減少[8]，軟管在扭矩、摩擦和擠壓作用下，折斷、破裂泄漏的風(fēng)險(xiǎn)較高，且磨損的軟管無法保障安全，需要每年更換軟管。

圖1 傳統(tǒng)圍油欄布放和回收示意圖Fig.1 Schematic diagram of traditional oil boom deployment and withdrawing

1 傳統(tǒng)收放

裝卸油作業(yè)時(shí)，圍油欄傳統(tǒng)布放、回收方法如圖1所示，碼頭A、B兩端圍油欄固定點(diǎn)1和2都安裝有高于海平面的工字滑軌，滑軌靠碼頭岸邊垂直伸到海面下2 m多深，圍油欄的潮汐增補(bǔ)浮子活動(dòng)卡套在滑軌上，浮子在滑軌上隨波涌動(dòng)而上下浮動(dòng)，使連接在浮子上的圍油欄始終漂浮在海面。圍油欄液壓卷繞機(jī)在B端由液壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)放出圍油欄至海面，工作艇在海面沿油輪外側(cè)至航標(biāo)方向牽引拉直被放到海水里的圍油欄，折轉(zhuǎn)到A端固定點(diǎn)2，在工作艇上連接圍油欄與潮汐增補(bǔ)浮子，再把浮子裝在滑軌上并滑到海里。為防止海面的圍油欄漂近油輪卷入船底，工作艇回到圍油欄中部位置，拉一條張力繩系在500 m以外的航標(biāo)上，再返回碼頭B端固定點(diǎn)1處連接圍油欄和浮子，并卡套在滑軌上。圍油欄和碼頭A、B形成封閉的隔離作業(yè)區(qū)域，防止泄漏在海面的油品擴(kuò)散而造成污染?；厥諊蜋跁r(shí)，工作艇先到碼頭B端海面固定點(diǎn)1處，解開圍油欄與浮子連接卡扣，拉起浮子分離滑軌，工作艇轉(zhuǎn)至航標(biāo)處解開系張力繩，再到固定點(diǎn)2處分離圍油欄、浮子和滑軌，以點(diǎn)1為圓心工作艇沿油輪外側(cè)向碼頭C端方向拉直圍油欄后，B端液壓卷繞機(jī)再回收海面上的圍油欄。

2 缺陷分析

（1）圍油欄的布放、回收工作需要大量人員和工作艇輔助，受天氣和海況的影響嚴(yán)重，人員在工作艇上工作時(shí)間長、勞動(dòng)強(qiáng)度大，落水、受傷或工作艇傾覆沉沒的風(fēng)險(xiǎn)較大。

（2）布放、回收需要4～6人用手托起輸送圍油欄，都無法避免圍油欄在碼頭上的摩擦、劃傷，人員站在岸邊作業(yè)存在落水風(fēng)險(xiǎn)。

（3）裝卸油作業(yè)中，輸油軟管與油輪連接后，軟管在碼頭與船之間的跨度處折疊扭曲，船在海面的晃動(dòng)拖拽，軟管受扭矩、摩擦和擠壓作用，有破裂和折斷風(fēng)險(xiǎn)。

（4）裝卸完成后，圍油欄無法及時(shí)清洗，繼續(xù)作業(yè)時(shí)未清洗的圍油欄會(huì)重復(fù)使用，腐蝕嚴(yán)重，清洗需投入大量的人力和時(shí)間。

3 方案優(yōu)化

3.1 過程優(yōu)化

改變圍油欄的固定點(diǎn)，使布放、回收工作不需工作艇協(xié)助，所有作業(yè)轉(zhuǎn)移到岸上完成。如圖2所示，液壓卷繞機(jī)放到A端，工字滑軌伸長與碼頭平面平齊，圍油欄固定點(diǎn)從1點(diǎn)移到3點(diǎn)，固定點(diǎn)2不變，張力繩在航標(biāo)上的固定點(diǎn)轉(zhuǎn)移到岸邊4點(diǎn)。布放圍油欄時(shí)，卷繩絞車放在碼頭C端固定點(diǎn)3，從卷繩絞車上拉一條牽引繩沿岸邊繞過油輪外側(cè)（由船上水手完成）到固定點(diǎn)2，連接液壓卷繞機(jī)上圍油欄的首端和中間張力繩的繩頭，啟動(dòng)液壓卷繞機(jī)放在海面劃行到碼頭C端，張力繩另一端系在第2節(jié)與第3節(jié)圍油欄的連接扣上。圍油欄在海面被拉到固定點(diǎn)3后，岸上人員提起圍油欄解開牽引繩，連接浮子卡套滑軌并放到海里，沿碼頭C端拉張力繩到固定點(diǎn)4系好。連接最后一節(jié)圍油欄尾端和浮子并裝卡滑軌上并滑到海面，圍油欄在固定點(diǎn)和張力繩相互作用下隔離作業(yè)區(qū)域。

回收時(shí)，在岸上先沿滑軌拉起浮子，解開圍油欄，松開固定點(diǎn)4張力繩的系點(diǎn)，并緩慢放松，A端液壓卷繞機(jī)便可完成回收作業(yè)。

改變圍油欄張力繩的固定點(diǎn)，利用繩索和氣動(dòng)絞車在岸上替代工作艇在海面牽引圍油欄，省去工作艇在海面的拖拽和人員在工作艇上連接安裝浮子和滑軌，所有作業(yè)都在岸上完成。

圖2 優(yōu)化改進(jìn)的圍油欄布放回收示意圖Fig.2 Schematic diagram of optimization and improvement of traditional oil boom deployment and withdrawing

3.2 輔助裝置設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.2.1 卷繩絞車

油品裝卸區(qū)域應(yīng)采取防爆措施，選用防爆設(shè)備。卷繩絞車?yán)脷鈩?dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒，用換向閥控制氣動(dòng)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)[9]實(shí)現(xiàn)繩索的收放，用作圍油欄在海面上劃行的牽引力，漂浮在水面的圍油欄受重力、浮力、波浪力、風(fēng)力、摩擦阻力以及牽引繩的拖拽力等共同作用，解算需建立數(shù)值模型和仿真模型[10]，氣動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率選型最簡單的方法是參考圍油欄的設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)。卷繩絞車由氣動(dòng)電動(dòng)機(jī)、滾筒、換向閥和支架組成。此工具操作方便省力，還可以收集存放繩索。

3.2.2 圍油欄快速收放清洗裝置

為保護(hù)圍油欄在布放、回收和存放過程中不受損傷，設(shè)計(jì)出操作方便的圍油欄快速收放清洗裝置，可輔助布放回收的同時(shí)又能用淡水自動(dòng)清洗圍油欄。如圖3所示，裝置由底座支架、角度調(diào)節(jié)支架、滾筒、立柱滾筒和上、下清洗水管組成。底座支架支撐滾筒和角度調(diào)節(jié)支架，角度調(diào)節(jié)支架調(diào)節(jié)范圍在0°～85°，根據(jù)實(shí)際工作要求調(diào)節(jié)；滾筒由鋼材、軸及軸承組成，用于輸送保護(hù)圍油欄，立柱滾筒用于防止圍油欄跑偏。清洗裝置由上、下兩條清洗水管和外接水管組成，從上、下兩個(gè)方向噴水兩面清洗圍油欄，清洗水管上有噴水小孔，設(shè)計(jì)時(shí)保證沖洗處形成連續(xù)水幕便可，調(diào)節(jié)噴水管連接螺紋的松緊可改變水幕噴射方向。清洗水源為淡水，用快速接頭連接接入，清洗水量用接入管線上的球閥調(diào)整。

該工具操作簡便，圍油欄在支架與海面的高度上懸空，圍油欄在角度調(diào)節(jié)支架滾筒上因懸空段重力作用滑到海面，角度調(diào)節(jié)支架控制滑落速度，裝置滾筒因圍油欄滑動(dòng)摩擦而轉(zhuǎn)動(dòng)，因摩擦很小不會(huì)對圍油欄造成損害?；厥諘r(shí)液壓卷繞機(jī)只須克服懸空段圍油欄的重力和圍油欄在海面的阻力，就可拉起回收海面上的圍油欄。

圖3 圍油欄快速收放清洗裝置Fig.3 Oil boom quick device of deployment withdrawing and cleaning

圍油欄穿過快速收放清洗裝置，水管兩面噴水自動(dòng)清洗。圍油欄需要清洗的原因是：沒有發(fā)生油品泄漏，清洗圍油欄攜帶的海水，用淡水沖洗便可，清洗后污水可直接排放；發(fā)生了油品泄漏，清洗圍油欄表面吸附的油污和攜帶的海水，把快速收放清洗裝置放置于容器中，清洗水管上增加1個(gè)人字形擋水蓋導(dǎo)流飛濺污水，另外清洗水源接口處接入1臺(tái)油污清洗劑的虹吸泵，調(diào)整清洗水流噴射方向，清洗后污水應(yīng)作回收處理[11]。使用該工具無需后續(xù)的人力投入，清洗淡水用量少，減少滾筒液壓電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間，節(jié)省燃油和淡水消耗，避免作業(yè)完成后逐節(jié)拆除放出圍油欄兩面清洗后再回裝的重復(fù)工作，延長了圍油欄的使用壽命。

3.2.3 軟管保護(hù)支架

碼頭裝卸油是通過軟管或輸油臂與船連接輸油，輸油軟管一般有橡膠軟管和復(fù)合軟管兩類[12]，軟管主要承受重力、內(nèi)油壓、拉伸、扭轉(zhuǎn)彎矩、動(dòng)力彎曲等作用[13]。據(jù)某石油化工報(bào)統(tǒng)計(jì)，130條橡膠軟管中有92條為外壁損壞，占71%，9條報(bào)廢復(fù)合軟管中5條為外壁損壞，占33%，外壁損壞的主要原因是老化或外力作用[14]。對造成溢油事故的基本事件的概率重要度和關(guān)鍵重要度分析發(fā)現(xiàn)，降低外力破壞管線能夠迅速降低溢油事故，且采取措施較為容易[15]，因此，避免軟管受應(yīng)力折斷、摩擦磨損或擠壓破裂，通常采用船上吊起軟管的方法，但需要船上有固定吊點(diǎn)，而此方法無法解決軟管在地面滑動(dòng)產(chǎn)生的摩擦，軟管在吊點(diǎn)受到剪切應(yīng)力容易折斷，在碼頭和滑輪之間的間隙處軟管彎曲下垂易受擠壓破裂。

如圖4所示，輸油軟管保護(hù)支架可保護(hù)輸油軟管在布放、回收及作業(yè)過程中不受損傷。

圖4 輸油軟管保護(hù)支架Fig.4 Oil hose protection bracket

該工具長度與裝卸碼頭防碰墊尺寸、油輪吃水深度及裝卸期潮汐幅度、軟管受到拉伸時(shí)的軸力軸向變形和內(nèi)壓軸向變形[16]、承壓彎曲半徑等因素有關(guān)。設(shè)計(jì)和使用時(shí)，保證軟管在保護(hù)支架上的卷繞段的絕對伸縮長度大于或等于裝卸過程中軟管因外部環(huán)境變化而發(fā)生的位移變量即可，即軟管在保護(hù)支架上的彎曲長度與保護(hù)支架長度之間的絕對值差值，大于油輪裝卸時(shí)因海水潮汐幅度、吃水深度變化以及油輪搖擺晃動(dòng)的幅度所需要軟管的位移長度。油輪裝載或海水落潮時(shí)，彎曲在保護(hù)支架上的部分軟管被拉直；油輪卸載或海水漲潮時(shí)，彎曲在保護(hù)支架上的部分軟管被壓縮；油輪搖擺晃動(dòng)時(shí)，軟管同時(shí)受拉直或壓縮兩種力作用，彎曲在保護(hù)支架上的軟管隨滾筒移動(dòng)，摩擦較小。軟管被支架支撐不需吊起，懸空段縮短，避免軟管在地面的滑動(dòng)擦傷和被吊帶吊起，同時(shí)也避免被油輪擠壓的可能。該工具使用后軟管僅限在年度壓力測試和老化中報(bào)廢，或因支架損壞后磨損，未出現(xiàn)軟管磨破現(xiàn)象，延長了軟管的使用壽命。

4 效益評價(jià)

對優(yōu)化前后各300多船次的裝卸作業(yè)時(shí)間、人力投入及油水消耗進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其平均值核算結(jié)果見表1。

從表1可以看出，優(yōu)化后的作業(yè)可減少作業(yè)時(shí)間2.5 h、操艇時(shí)間4 h，節(jié)省艇燃油32 L，節(jié)省勞動(dòng)力5人。

使用氣動(dòng)卷繩絞車牽引圍油欄，可省去4人的繩索收放工作和工作艇在海面牽引圍油欄，使用圍油欄快速收放清洗裝置，保護(hù)圍油欄在布放、回收過程中不受損傷，圍油欄布放、回收方便可靠，清洗及時(shí)輕便，避免海水或油污對液壓卷繞機(jī)及圍油欄造成損害。整個(gè)放、收、清洗過程與之前相比，實(shí)現(xiàn)放、收、洗一體化、自動(dòng)化，可節(jié)省6個(gè)勞動(dòng)力協(xié)助作業(yè)和10人10 h的清洗工作，每次節(jié)省清洗淡水量4.6 m3，液壓卷繞機(jī)工作時(shí)間縮短12.5 h，油耗減少50 L，據(jù)統(tǒng)計(jì)圍油欄由每年平均消耗3～4條減少到5年消耗1～2條。

輸油軟管保護(hù)支架因改善了軟管工作環(huán)境使軟管的使用壽命從1年延長到3～5年，避免了輸油軟管因磨損而疲勞損壞或泄漏，造成海面污染。

表1 優(yōu)化前后統(tǒng)計(jì)結(jié)果對比Tab.1 Comparison of the statistical results before and after optimization

5 結(jié)束語

（1）改變圍油欄固定點(diǎn)，把海面操艇協(xié)助收放圍油欄優(yōu)化為岸上作業(yè)。

（2）設(shè)計(jì)輔助工具協(xié)助作業(yè)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)機(jī)械化，減少作業(yè)人員和作業(yè)時(shí)間，節(jié)省燃油和淡水資源，延長圍油欄使用壽命。

（3）設(shè)計(jì)和制作輸油軟管保護(hù)支架，延長軟管使用壽命，降低泄漏污染風(fēng)險(xiǎn)。

碼頭裝卸油作業(yè)的主要風(fēng)險(xiǎn)在于火災(zāi)爆炸、油品泄漏和人員作業(yè)安全，在確保安全的同時(shí)，通過各種方法優(yōu)化碼頭裝卸油作業(yè)防溢油方案，使裝卸油作業(yè)在安全環(huán)保、工作效率等方面得到有效的提高。