海上沉潛油圍油欄的設(shè)計

趙建平，安偉，張慶范，靳衛(wèi)衛(wèi)，劉保占

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 安全環(huán)保分公司，天津 300452；2.中海石油環(huán)保服務(wù)(天津)有限公司，天津 300457)

關(guān)于沉潛油的圍控，國外研究較少，對沉潛油的處置也主要集中于沉潛油的回收[1-2]，國內(nèi)相關(guān)的研究也較少。河北海事局從沉潛油圍控清除入手，研發(fā)了沉潛油捕獲器[3]，主要用于探測和監(jiān)測水中是否含有沉潛油，并申請了實用新型專利[4]，圍控捕獲沉潛油的裝置的裙部由圍控網(wǎng)和加強(qiáng)帶組成，圍控網(wǎng)為親油性材料的通透網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對沉潛油具有吸附捕獲作用。首次提出了以梳狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘附沉潛油，而不是單純的靠材料與沉潛油之間的吸附作用，一定程度上提高了吸附效率。天津漢海環(huán)保設(shè)備有限公司發(fā)明一種沉潛油攔截網(wǎng)[5]，攔截網(wǎng)上的網(wǎng)格單元由網(wǎng)線編織而成，網(wǎng)線表面粗糙且具有絨毛，進(jìn)一步對網(wǎng)線表面進(jìn)行處理，提高了攔截網(wǎng)對沉潛油的吸附效果。

依據(jù)相關(guān)單位對沉潛油進(jìn)行粘掛的有益探索，結(jié)合沉潛油比一般重質(zhì)原油和燃料油密度更大、粘附能力較弱，而且都呈一定形狀等特點，選擇一種多層網(wǎng)狀吸附材料作為圍油欄裙體對其進(jìn)行圍控。其優(yōu)勢為：①兼顧了對沉潛油進(jìn)行攔截、粘附;②通過多層網(wǎng)狀吸附材料的立體空間結(jié)構(gòu)對沉潛油進(jìn)行圍控、直至達(dá)到回收的目的。

1 整體設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

沉潛油圍油欄裙體高2 m、每節(jié)長5 m、浮體直徑為0.5 m，考慮到布放位置為近岸，因此抗波高為2 m，最大抗流速定為1.5 m/s。

圍油欄裙體由帆布和多層網(wǎng)狀吸附材料構(gòu)成(見圖1)，其中在帆布靠中部1 m的區(qū)域打有小孔，構(gòu)成海水和沉潛油的進(jìn)入通道，并在打孔區(qū)域處敷設(shè)多層網(wǎng)狀吸附材料。當(dāng)海水?dāng)y帶沉潛油以一定速度經(jīng)過圍油欄時，由于圍油欄裙體的阻擋作用，經(jīng)過圍油欄孔眼的海水流速必然增加，利用水流慣性將沉潛油帶入到多層網(wǎng)狀吸附材料中，實現(xiàn)對沉潛油的吸附。

圖1 單節(jié)圍油欄示意

1.2 抗水流性能計算

圍油欄裙體面積為10 m2，打孔區(qū)域與未打孔區(qū)域比為1∶1，因此,打孔區(qū)域高度為1 m，面積為5 m2。由于孔眼直徑最大為1 m，在圍油欄裙體上最多能打4個孔，直徑為0.9 m，面積為2.543 4 m2。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 36148.1—2018[6]中關(guān)于圍油欄裙體抗水流性能的計算。

水阻力：

經(jīng)計算得出圍油欄裙體所受阻力約為16 200N。

2 裙體孔徑仿真模擬

根據(jù)GB/T36148.1—2018中關(guān)于圍油欄抗水流性能的計算，圍油欄抗水流性能只與受力面積及相對流速有關(guān)系。實際上，如果在圍油欄裙體上打孔且保持打孔區(qū)域孔眼總面積一定，不同孔眼數(shù)即不同孔眼直徑對圍油欄抗水流性能也有一定影響，因此,需模擬在圍油欄的裙體上打孔數(shù)量即孔眼直徑對圍油欄抗水流性能的影響。此外，圍油欄的抗水流性能不同，裙體帆布上孔眼內(nèi)流速也不同，需對孔內(nèi)流速進(jìn)行模擬。

2.1 建模及參數(shù)設(shè)置

在圍油欄的裙體的帆布上打4個0.9m的孔眼，400個0.09m的孔眼和1 600個0.045m的孔眼共3種打孔參數(shù)。

1)物理模型。建模參數(shù)為圍油欄裙體高度為2m，布放水深為2.5m，圍油欄左右兩側(cè)各擴(kuò)展3倍于本身長度，以模擬在廣闊水域中布放一段圍油欄的情況，符合圍油欄實際布設(shè)情況[7]，3D計算模型見圖2。

圖2 計算模型

坐標(biāo)原點設(shè)置在圍油欄的左上角頂點處，見圖3。

圖3 裙體局部放大及其坐標(biāo)位置(以4個孔為例)

2)網(wǎng)格劃分。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格[8]，網(wǎng)格數(shù)約1 000 000。

3)仿真參數(shù)及模型選取。模擬純水流作用，不考慮風(fēng)浪影響，假設(shè)圍油欄裙體不可形變。不考慮重力的作用。水面自由邊界設(shè)為無摩擦的壁面[9]。選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理邊界層流動。設(shè)流體的密度為1 025kg/m3；黏度為0.001 03Pa·s。

4)邊界條件設(shè)置。入口邊界為速度入口；出口邊界為自由出流；其余為固壁邊界[10]。參考壓力為1bar，設(shè)在坐標(biāo)原點。

2.2 對抗水流性能的影響

在孔眼的總面積一定、水流流速為1.5m/s時，不同孔眼數(shù)即不同孔眼直徑的圍油欄前后表面的壓強(qiáng)分布見圖4。

圖4 圍油欄壓強(qiáng)分布

由圖4可見，裙體前表面的壓強(qiáng)分布不均勻，中間部分壓強(qiáng)較大，邊緣部分壓強(qiáng)較??；裙體后表面的壓強(qiáng)在中間和邊緣分布基本均勻；說明裙體中間部分受力較大，是需要重點加強(qiáng)的部位。

在流速為1.5m/s時，圍油欄裙體受力見表1。

表1 流速為1.5 m/s圍油欄受力

由表1可見，打孔數(shù)越多，即孔徑越小，圍油欄前表面受力越小，圍油欄后表面受力為先減小后增大，但是后表面受力遠(yuǎn)小于前表面的受力，整體上來看圍油欄的凈受力逐漸減小。

2.3 對孔內(nèi)流速的影響

在孔眼的總面積一定、水流流速為1.5 m/s時，不同孔眼數(shù)即不同孔眼直徑的圍油欄打孔區(qū)域孔眼內(nèi)水流分布見圖5。

圖5 不同打孔數(shù)YZ平面速度矢量分布局部放大

由圖5可見，水流在裙體背面打孔區(qū)域的上、下兩部分非打孔區(qū)域處產(chǎn)生漩渦；部分水流以較大的速度從裙體下部越過流到裙體背面?？籽蹆?nèi)流速分布見表2。

表2 流速為1.5 m/s時孔內(nèi)速度分布

由表2可見，當(dāng)水流經(jīng)過圍油欄時，由于圍油欄裙體的阻擋作用，孔眼內(nèi)流速大于來流速度，且打孔數(shù)越多，孔徑越小，孔眼內(nèi)流速越大。當(dāng)打孔數(shù)為1 600個即孔徑為4.5 cm時，可將流速為1.5 m/s的水流加速至接近2 m/s。

3 實驗

在相同打孔面積條件下，打孔數(shù)越多，孔徑越小，則圍油欄裙體的受力越小，但是受材料強(qiáng)度和工藝的限制，打孔數(shù)不能無限多，因此,需在實驗室內(nèi)對多層網(wǎng)狀吸附材料在孔徑多大的條件下吸附失效進(jìn)行評價。在水流沖擊下，由于重質(zhì)原油比海水中的沉潛油更易從吸附材料孔徑中穿過，因此,使用重質(zhì)原油作為吸附材料失效評價的實驗用油。

在波浪槽底部設(shè)置一噴油口，用于模擬沉潛油在水體中。用材料掛架拖動吸附材料以0.4、0.8、1.2、1.6、2 m/s的速度經(jīng)過噴油點，考察材料在不同速度下吸油效果，實驗裝置見圖6。

圖6 實驗裝置

拖帶速度為1.6 m/s時，孔徑分別為0.5、1、1.5 cm的吸附材料經(jīng)過噴油口高清攝像頭拍攝照片見圖7。

圖7 不同孔徑吸附材料以1.5 m/s速度拖帶重質(zhì)原油

由圖7可見，吸附材料在孔徑<1.5 cm，拖帶速度為1.6 m/s時，能夠?qū)χ刭|(zhì)原油完全吸附。

拖帶速度為2 m/s時，孔徑為0.5、1、1.5 cm的吸附材料經(jīng)過噴油口高清攝像頭拍攝照片見圖8。

圖8 不同孔徑吸附材料以1.5 m/s速度拖帶重質(zhì)原油

由圖8可見，在材料孔徑≤1 cm的條件下，吸附材料能夠?qū)χ刭|(zhì)原油完全吸附，不會產(chǎn)生脫附；當(dāng)孔徑為1.5 cm時，重質(zhì)原油會產(chǎn)生脫附。

因此，吸附材料孔徑為1.5 cm可完全吸附重質(zhì)原油的水流流速為1.6 m/s；吸附材料孔徑為1 cm可完全吸附重質(zhì)原油的水流流速為2 m/s。

4 結(jié)論

1)運(yùn)用經(jīng)驗公式和數(shù)值模擬對圍油欄裙體的抗水流性能進(jìn)行計算，結(jié)果表明，兩者雖有差別，但隨著打孔數(shù)增多，孔徑不斷減小，差距越小。

2)通過對水流經(jīng)過圍油欄時裙體上的壓強(qiáng)分布進(jìn)行模擬，可知在相同開孔面積下，開孔數(shù)越多、孔徑越小，圍油欄所受阻力越小，孔眼內(nèi)水流速度越大。

3)圍油欄裙體上帆布的打孔數(shù)為1 600個，孔眼直徑為4.5 cm，且多層網(wǎng)狀吸附材料的孔徑應(yīng)<1 cm時，可以實現(xiàn)對1.5 m/s的水流攜帶的重質(zhì)原油進(jìn)行完全吸附。