移動式沉潛油回收裝備研究

李國斌，孫志輝，周董明，呂天帥，周 巖

（青島歐森系統(tǒng)技術有限公司，山東 青島 266071）

1 研究內(nèi)容

為了進行有效的沉潛油回收處置，文章以“研發(fā)一套小型快速反應沉潛油移動回收裝備，其依托母船進行工作，可以對海底或圍控后成穩(wěn)定狀態(tài)的固相、液相沉潛油進行高效率回收清除”為目標，以達到最大深度為30m、最大作業(yè)半徑為50m、可處理沉潛油油量為60m3/h以及回收率不小于70%的考核指標。

2 各單元試驗

研究人員以工作母船作為載體，設計了由前端集油裝置、高效吸油泵、沉潛油回收控制系統(tǒng)、零浮力纜、卷纜架等關鍵裝置組成的沉潛油移動回收裝備。在作業(yè)時，通過母船上的吊機將前端集油裝置、高效吸油泵及輸油管路布放到水中，由安裝在母船甲板上的沉潛油回收控制系統(tǒng)和動力單元對其進行操控。以下介紹具體的裝備結構信息。

2.1 前端集油裝置

前端集油裝置主要由收油頭、水下載體、集成附件（深水攝像頭、LED照明）等組成，被設計為可通過遙控或潛水員2種形式進行操作。其主要結構設計、選型包括如下方面。

（1）收油頭（見圖1）。收油頭的功能是收集水中的半潛油或沉到海底的沉降油。為提高吸附面積，收油頭的前端集油口1設計成喇叭口形式，在集油口內(nèi)設有隔柵5，防止大塊沙石進入輸油管，阻塞管道。考慮到沉降到海底砂石上的溢油，集油口前方設置滾刷2，能夠?qū)⒏街胶５咨笆系囊缬颓宄聛恚苯铀偷捷斢凸芪?，黏附在毛刷上的溢油則由輸油管前端的刮油板4刮下。

圖1 收油頭結構圖

（2）滾刷驅(qū)動電機的設計選型。滾刷在水下旋轉運動，旋轉速度n=100r/min，滾刷半徑R=100，其中無刷絲部分半徑r=40mm，則其所需要的電機力矩按式（1）計算。

式中：M為電機所需提供的力矩，Nm；MV為滾刷滾動時水的黏滯阻力矩，Nm；Mf為滾刷與砂石的摩擦阻力矩，Nm；MG為滾刷的慣性力矩，Nm。

最終計算得：M=4.32Nm

則電機功率P=2πnM/60=90W

根據(jù)計算選取無刷力矩電機型號TBSM60-50A27，選用減速比為1∶20的行星減速器60-L2。

（3）滾刷擺動電動推桿的設計選型。在處理海底砂石上的沉降油時需要用滾刷回收。針對半潛油時可以直接用集油口回收，這時為了擴大集油面積，提高集油效率，滾刷就需擺動到集油口上端，讓出集油口位置，這個動作需要采用電動推桿來實現(xiàn)。根據(jù)相關力學模型分析（見圖2），計算得出電動推桿推力F。

式中：G=70N；L1=0.086m；L2=0.187m。計算得出F=152N。

取安全系數(shù)5，測量電動推桿行程小于65mm，電動推桿最終選型推拉力1500N，行程100mm。

圖2 滾刷電動推桿的力學模型

2.2 水下載體

水下載體是沉潛油回收裝置水下主要承載部件，前端連接收油頭，后端連接船上輸油管，自身還集成了水下攝像頭、LED燈、水下推進器、潛水員操作手柄等。

（1）結構設計。沉潛油回收裝置在水下的移動速度不宜太快，選擇在0.5m/s；結構強度符合水下30m要求，材料具備抗海水腐蝕性。連接收油頭、輸油管及自身附件后，整體所受重力和浮力相等且重心（Xg、Yg、Zg）和浮心（Xc、Yc、Zc）在同一鉛垂線上，即Xg=Xc，Zg=Zc。為了保證載體的穩(wěn)定平衡狀態(tài)，其浮心必須低于重心。這樣，當載體受到海流作用而傾斜的時候，就會自動產(chǎn)生一個復原力矩，使載體回到原來的平衡位置。對于整套系統(tǒng)而言，采用模塊化的組裝方式，先對分系統(tǒng)進行重心分析及浮力配平操作，然后對總系統(tǒng)進行浮力配平。由模型軟件直接計算得出水下集油裝置參數(shù)：質(zhì)量=92988.24g；體積=91478175.50mm3；表面積=13184274.85m2；靜穩(wěn)心高h=Yc-Yg=79.53mm。依據(jù)以上要求，結合沉潛油回收的實際工況，進行整體結構設計（見圖3）。

圖3 沉潛油回收裝置結構設計圖

（2）推進器的設計及功率選擇。水下載體由于本身重量太大，潛水員很難在水下自如操作，需要推進器輔助。設5臺推進器（選擇正反轉能提供推力13kgf的水下推進器），升降動作1臺，前后及轉向動作4臺。

第一，前進運動方向。迎水阻力面積，由軟件計算得出迎水面積s=0.372m2。水阻力按式（4）計算。

帶入數(shù)值，計算可得：F正阻=0.5×1025×1.5×1.5×0.372×1=428.963N，即F正阻=42.9kg。

前端集油裝置能提供最大前進推力F正推=F1×-cos20° +F2×cos20° +F3×cos20° +F4×cos20°。帶入數(shù)值可得：F正推=13×cos20°×4=48.86kg＞F正阻=42.9kg。故選用4臺水平推進器能夠滿足前進推進動力。

第二，橫移運動方向。迎水阻力面積，由軟件計算得出迎水面積s=0.592m2。水阻力按式（4）計算。帶入數(shù)值，計算可得：F側阻=0.5×1025×0.6×0.6×0.592×1=109.3N，即F側阻=10.9kg。前端集油裝置能提供最大橫移推力F側推=F1×sin20° +F2×sin20° +F3×sin20°+F4×sin20°。帶入數(shù)值，可得：F側推=13×sin20°×4=17.79kg＞F側阻=10.9kg。故選用4臺水平推進器能夠滿足橫移推進動力。

第三，上升下降運動方向。迎水阻力面積，由軟件計算得出迎水面積s=0.7058m2。水阻力按式（4）計算。帶入數(shù)值，計算可得：F浮阻=0.5×1025×0.5×0.5×0.7 058×1=90.43N，即F浮阻=9.43kg。前端集油裝置能提供最大上升推力F浮推=13kg＞F浮阻=9.43kg。故選用1頂升推進器結構滿足上升推進動力需求。

2.3 集成附件

除了收油頭，水下載體上還集成了為完成沉潛油回收作業(yè)所必需的其他附件（見表1）。

2.4 沉潛油回收控制系統(tǒng)

沉潛油回收控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠程控制操作前端集油裝置及高效吸油泵對沉潛油進行自動捕捉和變頻收集。通過沉潛油探測器對沉潛油的精準定位，可驅(qū)使前端集油裝置捕捉沉潛油（需借用北海分局現(xiàn)有SEAWOLF 5 ROV的USBL進行前端集油裝置的水下定位）；通過控制單元控制前端集油裝置的各種動作并接收、顯示各動作狀態(tài)信號；通過控制單元接收沉潛油探測器信號并判斷沉潛油量大小，相應調(diào)節(jié)變頻器以控制吸油泵流量大小，實現(xiàn)變頻收集的功能。

表1 沉潛油回收作業(yè)的必要附件清單

2.5 油水初分離裝置、卷纜架

油水初分離裝置安裝在母船載體上，可將回收的含水沉潛油進行初步分離，分離效率約80%。卷纜架用于儲存和布放零浮力臍帶纜，手動控制。

3 系統(tǒng)試驗

在完成了對沉潛油回收系統(tǒng)各單元的試驗后，進一步對整套系統(tǒng)進行了試驗，試驗內(nèi)容主要包括空載運行試驗、海域試驗和負載試驗?？蛰d運行試驗結果表明，前端集油裝置在水下的運行狀態(tài)平穩(wěn)，控制系統(tǒng)對該裝置的控制靈敏性、準確性及狀態(tài)回饋性能良好，動力單元穩(wěn)定可靠。海域試驗結果表明，控制沉潛油回收裝置收油頭的各項動作（如毛刷擺動及轉動等）均能夠在受控下順利完成。負載試驗結果表明，在試驗現(xiàn)場對指定預設沉潛油目標進行回收試驗時，該沉潛油回收裝置均具有達到設計標準的回收效率。

4 研究結論

目前，研究工作進展順利，均能夠按照研究進度計劃按時完成。在已有研發(fā)成果的基礎上，計劃開展的下一步工作如下：（1）按照已完成的沉潛油移動回收裝置的詳細設計方案開展樣機的試制工作；（2）樣機試驗完成，模型方案經(jīng)修正后，立即依據(jù)課題組提供北海分局現(xiàn)有SEA-WOLF 5 ROV開展搭載ROV詳細改裝設計及工程；（3）圍繞已編制完成的移動式沉潛油移動回收裝備設計方案為主體，結合樣機試制及試驗中發(fā)現(xiàn)的問題，完善目前的詳細設計方案。（4）準備沉潛油移動回收裝置的相關試驗。