適用于惡劣海況的新型海上溢油回收裝置設(shè)計與應(yīng)用分析

周俊輝, 魏東澤，劉月松，徐欣霞

(浙江海洋大學(xué) 海洋工程裝備學(xué)院, 浙江 舟山 316022)

0 引言

海上運(yùn)輸是石油運(yùn)輸?shù)闹饕緩?，?jù)估算，2019年全球原油海運(yùn)運(yùn)輸量達(dá)到了21 億t。我國是全球第一大原油進(jìn)口國，2019年原油進(jìn)口量為5.06 億t，其中海運(yùn)量為4.37 億t，占比86.4%。根據(jù)統(tǒng)計，我國沿海平均每4天就會發(fā)生一起海上溢油事故。海上溢油事故不僅會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，還會給海洋生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)造成難以修復(fù)的損害，因此研究海上溢油的應(yīng)急處置技術(shù)和設(shè)備具有重大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。一些研究者[1-5]在海上溢油應(yīng)急處置方面進(jìn)行了相關(guān)的研究，并取得了一定的成果，但惡劣海況下的海上溢油應(yīng)急處置一直是薄弱環(huán)節(jié)。本文針對現(xiàn)有應(yīng)急處置設(shè)備研發(fā)的不足和海上溢油處置的難點、特點，提出了適用于惡劣海況的新型溢油應(yīng)急處置裝置的研發(fā)思路并進(jìn)行了概念性設(shè)計。

1 海上溢油處置技術(shù)現(xiàn)狀

目前，海上溢油處置技術(shù)主要有物理方法、化學(xué)方法和生物方法，各自有一定的適用范圍和優(yōu)缺點。

1.1 物理處置法

物理處置法是目前最為常用的方法，也是二次污染最小的方法，常規(guī)的設(shè)備主要有收油機(jī)、吸油氈、溢油回收船及圍油欄等，主要通過物理措施將原油吸收、捕捉后再進(jìn)行分離、回收。

1）收油機(jī)是主要的收油裝置之一，根據(jù)原理不同又可分為堰式收油機(jī)、管式收油機(jī)、浮筒式收油機(jī)等，具有適用范圍廣、收油效果好等優(yōu)點，但都難以實現(xiàn)自動化操作，無法自主到達(dá)溢油地點，需要船舶和大量人力配合。

2）吸油氈也是常用的海上溢油回收材料之一，一般用于小型溢油事故。吸油氈適用效率較低，需要人工拋灑和回收，作業(yè)風(fēng)險大，在惡劣海況下難以大規(guī)模使用，而且吸附油污后難以分離再利用，一般只能起輔助作用。

3）溢油回收船（如圖1）是專門設(shè)計用來回收水面溢油的船舶。溢油回收船通常裝備有各種物理或化學(xué)法回收裝置，回收裝置的選擇視溢油量、溢油種類、海況等因素而定。溢油回收船的工作受海況條件影響極大，一般溢油回收船的抗風(fēng)等級在6級左右，在惡劣海況下工作能力有時可下降20%～90%。因此，溢油回收船一般是在平靜的海域內(nèi)作業(yè)，同時，目前溢油回收船的智能化水平較低，需要配置大量的船員和溢油處置人員，人員傷亡的風(fēng)險較大。

圖1 多功能海上溢油回收船

4）圍油欄也是一種常用的溢油處置設(shè)備，采用船舶拖曳的方式，由拖拉系統(tǒng)和懸臂支撐系統(tǒng)將海面上分散的油膜聚集在一起，以便集中處理。相較于其他方式，設(shè)置圍油欄的方式操作簡單，具有靈活可靠的優(yōu)點，但易受天氣、海浪等諸多因素的影響，且沒有對溢油進(jìn)行回收處理的能力，在惡劣海況條件下，圍油欄的使用也受到很大的限制。

1.2 化學(xué)處理法

燃燒法是最常見的化學(xué)處理法，這種處理方法比其他方法更加徹底，成本較低，但燃燒會給大氣環(huán)境造成二次污染，也可能給附近船舶和設(shè)施帶來威脅。使用化學(xué)劑進(jìn)行溢油處置也是化學(xué)處理方法之一，根據(jù)化學(xué)劑的作用原理不同分為消油劑、凝油劑和集油劑，但是這種方法二次污染更為嚴(yán)重，使用時需要海事部門的同意，需要謹(jǐn)慎使用。

1.3 生物處理法

利用微生物氧化分解石油的能力進(jìn)行溢油處置存在理論上的可行性，但仍需要在安全性、有效性和環(huán)境友好程度等方面進(jìn)行進(jìn)一步研究，生物降解的速度也無法滿足應(yīng)急工作的需要。

2 海上溢油應(yīng)急處置的難點、特點

相較于陸上溢油，海上溢油應(yīng)急處置難度更大，因此也導(dǎo)致海上溢油往往產(chǎn)生更為嚴(yán)重的危害，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）海上溢油風(fēng)險源難以確定，影響范圍更大。陸上溢油風(fēng)險源往往比較固定，影響范圍有限，而海上溢油特別是船舶導(dǎo)致的溢油難以提前預(yù)測并采取措施，一旦油品泄漏，會在風(fēng)、浪、流的作用下不斷擴(kuò)散，且目前尚無能夠準(zhǔn)確預(yù)測溢油擴(kuò)散路徑的方法，提升了溢油應(yīng)急處置的難度。

2）海上溢油處置的環(huán)境條件更為惡劣。海上溢油發(fā)生地往往具有風(fēng)高浪急的特點，特別是遠(yuǎn)離海岸的區(qū)域，給溢油應(yīng)急處置帶來了極大的難度，目前常用的溢油處置設(shè)施設(shè)備大多無法在大風(fēng)、大浪的環(huán)境下作業(yè)，或者作業(yè)效率大大下降，導(dǎo)致海上溢油無法得到及時有效的控制。

3）對溢油處置設(shè)備的工作能力要求更高。海上溢油事故大多發(fā)生于惡劣天氣，對溢油設(shè)備的工作性能要求極高，目前投入使用的溢油設(shè)備或溢油回收船普遍不具備在大風(fēng)、大浪環(huán)境下工作的能力，如果事故海域離陸地距離遠(yuǎn)，則處置的難度將大幅提升。

4）海上溢油應(yīng)急處置產(chǎn)生的二次事故風(fēng)險大。目前，海上溢油應(yīng)急處置的自動化、智能化水平較低，進(jìn)行海上溢油處置往往需要大量的船舶和人員參與，應(yīng)急處置人員暴露于溢油環(huán)境中，存在火災(zāi)、爆炸、中毒等二次事故的可能性，給溢油應(yīng)急處置帶來嚴(yán)重的風(fēng)險。據(jù)報道，2010年墨西哥灣“深水地平線”鉆井平臺爆炸后造成原油泄漏，造成當(dāng)?shù)厝撕?7 000名參與了善后清理工作的人患病。

3 新型海上溢油回收裝置概念設(shè)計及應(yīng)用

隨著對海上溢油危害的日益重視，海上溢油應(yīng)急處置技術(shù)將會得到更多的關(guān)注和研究，特別是在海上溢油擴(kuò)散模擬研究、惡劣海況溢油應(yīng)急處置技術(shù)、自動化、智能化、“無人化”海上應(yīng)急處置設(shè)備等方面將成為未來海上溢油應(yīng)急處置技術(shù)研究的優(yōu)先方向。近年來，作者針對海上溢油應(yīng)急處置的關(guān)鍵難點進(jìn)行了深入研究，并設(shè)計了多種適用于惡劣海況條件下的新型海上溢油應(yīng)急處置設(shè)備，致力于提高應(yīng)急設(shè)備的自動化、智能化，降低應(yīng)急人員的二次傷害風(fēng)險，并取得了國家發(fā)明專利授權(quán)，部分新型設(shè)備介紹如下：

1）一種自動化海上溢油回收裝置（專利號：ZL20181 0822638.1，如圖2）。該裝置不同于傳統(tǒng)的海上溢油回收裝置，通過改良傳統(tǒng)物理回收的方法，基于新型吸油材料、利用回轉(zhuǎn)艙室收集溢油，整個過程較化學(xué)法相比不產(chǎn)生二次污染，對環(huán)境友好，并且不影響已回收溢油的再次使用性能。與傳統(tǒng)物理法相比，該裝置自動化程度高，能通過遠(yuǎn)程遙控實現(xiàn)吸油及航行全過程，高效快速，不需工作人員全程參與，節(jié)省了大量時間、勞動成本。另外，該裝置也可以通過更換核心吸油材料使其廣泛適用于各種油品，并且對事故發(fā)生地的地形開闊程度、海況情況和油膜厚度都沒有過于嚴(yán)苛的要求。該裝置溢油回收的流程設(shè)計如圖3所示。

圖2 一種自動化海上溢油回收裝置

圖3 溢油回收裝置工作流程圖

2）一種半潛式溢油清理裝置（專利號CN104153333A，如圖4）。該裝置主要包括主體結(jié)構(gòu)部分和設(shè)備部分，其中設(shè)備部分又包括自動導(dǎo)航系統(tǒng)、泵吸系統(tǒng)、油水分離系統(tǒng)、波浪發(fā)電系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)等。其主要工作流程如下：使用者可以利用裝置中的自動化設(shè)備遙控指揮裝置進(jìn)行清污工作，設(shè)置在入口處的泵吸系統(tǒng)將溢油和海水的混合物吸收到裝置內(nèi)部，混合物通過軀干部分的油水分離裝置后，分離出來的溢油由于密度較小向上流向溢油存放容器中或用管線輸送到遠(yuǎn)處的船舶或岸上，分離出來的海水進(jìn)入裝有波浪發(fā)電裝置的空間中用于發(fā)電，最后從尾部流出，形成一個完整的回收、處理系統(tǒng)，如圖5所示。

圖4 一種水上智能溢油清理裝置

圖5 半潛式溢油清理裝置控制機(jī)理及工作程序

該裝置具有如下優(yōu)點：半潛于水中，受風(fēng)浪作用較小，能夠在惡劣的海況下工作；采用許多自動化裝備，如自動導(dǎo)航系統(tǒng)，使整套裝置基本實現(xiàn)自動化，工作人員只需要在遠(yuǎn)處的船舶或岸上操縱即可，減少暴露于溢油現(xiàn)場的危險性；該裝置中增加了一套波浪發(fā)電系統(tǒng)，在風(fēng)浪較大的情況下，反而能提供更多的能源，提高裝置持續(xù)工作的能力，降低使用成本；該裝置可以在溢油現(xiàn)場就完成整個油污的回收、處理工作，不需要像清污船那樣把油污水運(yùn)輸?shù)桨渡显龠M(jìn)行處理，減少來回運(yùn)輸?shù)臅r間，工作效率高。

3）一種碾壓式出油的溢油回收船（如圖6）。該裝置主要包括儲油艙、轉(zhuǎn)動軸和控制室等主要結(jié)構(gòu)，儲油艙內(nèi)部上表面設(shè)有軌道、過濾板和碾壓輪裝置；2個轉(zhuǎn)動軸設(shè)于船面，1個轉(zhuǎn)動軸放吸油氈卷通過軌道固定到另一個轉(zhuǎn)動軸上；控制室設(shè)于船面一側(cè)，內(nèi)置有定位裝置、動力系統(tǒng)、雷達(dá)、視頻傳感器、控制器。

圖6 一種碾壓式出油的溢油回收船

該裝置的優(yōu)點如下：采用自動化控制系統(tǒng)，溢油回收過程中不需要工作人員直接參與，只需岸上操縱溢油回收船的運(yùn)動軌跡即可，保障了清理溢油工作人員的人身安全，減少了暴露于溢油現(xiàn)場的危險性；通過碾壓輪碾壓吸油氈的方式和通過活動件上下移動擠壓吸油氈的方式將溢油回收至儲油艙，能夠高效回收溢油，避免了油品的浪費(fèi)，同時碾壓或擠壓過后的吸油氈通過回收可重復(fù)利用，降低了溢油回收成本。

上述3種新型海上溢油應(yīng)急回收裝置專門針對惡劣海況而設(shè)計，具有自動化程度高、抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、持續(xù)工作時間長、二次污染風(fēng)險低等特點，能有效降低人員暴露風(fēng)險，并獲得了國家發(fā)明專利授權(quán)，在技術(shù)上具有較高的可行性。同時，能較好地應(yīng)用于遠(yuǎn)離陸地的深遠(yuǎn)海，特別適合應(yīng)對大規(guī)模海上溢油事故，開發(fā)應(yīng)用的前景廣闊。

4 結(jié)語

海上溢油事故的處置是一個世界性難題，給海洋環(huán)境造成了不可估量的損害，現(xiàn)有的溢油應(yīng)急處置設(shè)備還難以滿足溢油處理的需求，亟需加快研發(fā)步伐。本文在分析現(xiàn)有溢油應(yīng)急處置技術(shù)和設(shè)備不足的基礎(chǔ)上，結(jié)合海上溢油的難點，提出了適用于惡劣海況的新型海上溢油回收設(shè)備研發(fā)思路和設(shè)計構(gòu)想，對海上溢油應(yīng)急處置技術(shù)的研究和設(shè)備研發(fā)有一定的參考意義。