海洋高黏度浮油回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

時(shí)永軍，郝 武，王立鋒，王清泉

（中海石油環(huán)保服務(wù)（天津）有限公司，天津 300452）

我國(guó)石油資源短缺，嚴(yán)重依賴(lài)進(jìn)口，雖然近幾年我國(guó)石油的對(duì)外依賴(lài)度有所下降，但2022年依然超過(guò)70%，進(jìn)口量達(dá)到5.08 億t，其中81.2%的石油進(jìn)口為海運(yùn)[1]。隨著海運(yùn)石油規(guī)模的擴(kuò)大，船舶溢油事故增多。目前，我國(guó)已建立較為完善的海上船舶浮油應(yīng)急體系，配置一批浮油清除設(shè)備，從而提高海上船舶浮油事故的應(yīng)對(duì)能力，減輕船舶突發(fā)性污染事故對(duì)海洋環(huán)境的損害[2]。

環(huán)保船作為油田生產(chǎn)和海洋環(huán)境的衛(wèi)兵，需要配備適應(yīng)各種黏度溢油的回收裝置。然而，我國(guó)海上專(zhuān)用浮油回收船舶及收集清污設(shè)備的數(shù)量有限，其裝備能力亦難以有效應(yīng)對(duì)大規(guī)模的溢油事故，目前配置的環(huán)保船大多更適用于回收中、低黏度的溢油，不適用于回收高黏度溢油，特別是瀝青質(zhì)高黏度浮油，無(wú)法覆蓋或保護(hù)整個(gè)岸線(xiàn)和水域。海洋發(fā)生溢油事故后，受風(fēng)、浪、流、光照、環(huán)境條件和生物活動(dòng)等因素的影響，原油物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化。其間，溢油會(huì)發(fā)生蒸發(fā)、溶解、乳化、吸附沉淀、光氧化和生物降解等，隨著時(shí)間的推移，海面溢油風(fēng)化后，油品黏度將會(huì)增大。據(jù)調(diào)查，渤海油田的原油黏度普遍較高，尤其是冬季氣溫低，更增加其黏度。因此，有必要研制一套可回收高黏度浮油的溢油回收裝置，與環(huán)保船的動(dòng)態(tài)斜面回收系統(tǒng)相互補(bǔ)充。

1 高黏度浮油回收系統(tǒng)的性能指標(biāo)和技術(shù)要求

1.1 高黏度浮油回收系統(tǒng)的性能指標(biāo)

海上高黏度浮油回收裝置安裝在環(huán)保船兩側(cè)船舷，能夠與船載圍油欄配合，高效完成浮油回收作業(yè)。高黏度浮油回收系統(tǒng)的最大油水混合物回收速率為20 m3/h，該裝置可在風(fēng)速10 m/s、浪高1 m 的海況下安全作業(yè)，連續(xù)回收浮油。高黏度浮油回收系統(tǒng)安裝后能夠沿船寬方向滑動(dòng)，能夠繞底座水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠以底座為中心，實(shí)現(xiàn)浮油傳送帶的布放及回收，主動(dòng)匯集裝置能夠撥動(dòng)水面浮油向浮油傳送帶集中。

1.2 高黏度浮油回收系統(tǒng)的技術(shù)要求

海上高黏度浮油回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足技術(shù)目標(biāo)和基本功能要求，各結(jié)構(gòu)部件及元器件選擇目前市場(chǎng)上的成熟主流產(chǎn)品。設(shè)計(jì)時(shí)，參考市場(chǎng)成熟穩(wěn)定的產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)部件及各元器件按市場(chǎng)產(chǎn)品選型，然后進(jìn)行理論驗(yàn)證及試驗(yàn)驗(yàn)證。理論計(jì)算后，定制構(gòu)件及元器件，產(chǎn)品定制后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證并定型，最終完成詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2 高黏度浮油回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

高黏度浮油回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如表1所示，它主要由可移動(dòng)底座、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、浮油傳送帶、水面浮體、主動(dòng)匯集裝置、回收箱、液壓控制系統(tǒng)等部件組成。高黏度浮油回收系統(tǒng)的機(jī)械部分主要由可移動(dòng)底座、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、浮油傳送帶、水面浮體、主動(dòng)匯集裝置組成，是整套系統(tǒng)的主要裝置，也是實(shí)現(xiàn)高黏度浮油回收作業(yè)的主體。

表1 高黏度浮油回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

3 高黏度浮油回收系統(tǒng)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)

3.1 可移動(dòng)底座的設(shè)計(jì)

高黏度浮油回收系統(tǒng)的可移動(dòng)底座可分為固定結(jié)構(gòu)和移動(dòng)結(jié)構(gòu)，固定結(jié)構(gòu)安裝到船舶甲板位置[3]。移動(dòng)結(jié)構(gòu)可在固定結(jié)構(gòu)的軌道內(nèi)移動(dòng)，能夠使整套系統(tǒng)在垂直船舷方向移動(dòng)，可以保證整套系統(tǒng)在非工作狀態(tài)下不超出船舷范圍，且在工作狀態(tài)下能夠盡可能地靠向船舷外側(cè)?？梢苿?dòng)底座設(shè)計(jì)為可快速拆卸形式，基本參數(shù)如表2所示，船舶甲板僅需要與底座平板焊接固定，不影響船舶正常作業(yè)，待需要進(jìn)行高黏度浮油回收作業(yè)時(shí)，將設(shè)備吊裝到固定底座平板，使用螺栓固定即可完成設(shè)備安裝。安裝狀態(tài)下，可移動(dòng)底座長(zhǎng)為1.5 m，寬為1.5 m，高為0.43 m；固定底座平板長(zhǎng)為1.5 m，寬為1.5 m，高為50 mm（含保護(hù)螺栓尺寸）。

表2 可移動(dòng)底座基本參數(shù)

可移動(dòng)底座的收油頭用于水下沉潛油的集中收集，水下載體為前端集油裝置的其他部件系統(tǒng)提供搭載平臺(tái)和航行動(dòng)力，水下照明和水下攝像頭可為水下作業(yè)提供視野和遠(yuǎn)程監(jiān)控，水下供電單元提供前端集油裝置水下作業(yè)的電力，導(dǎo)航系統(tǒng)可提供水下作業(yè)的前端集油裝置水下?tīng)顟B(tài)和位置信息。

3.2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

高黏度浮油回收系統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成如表3所示，其連接可移動(dòng)底座和浮油傳送帶，分為轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和升降結(jié)構(gòu)，能夠控制浮油傳送帶的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和入水傾斜角度，從而實(shí)現(xiàn)浮油傳送帶的翻轉(zhuǎn)布放和回收作業(yè)[4]。

表3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)主要由回轉(zhuǎn)支承與其安裝結(jié)構(gòu)組成，能夠控制浮油傳送帶的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的升降結(jié)構(gòu)由2 條液壓油缸和浮油傳送帶支撐底座組成，能夠控制浮油傳送帶的入水傾斜角度。2 條液壓油缸聯(lián)動(dòng)控制，在該路液壓管路系統(tǒng)中增加液壓蓄能器1 件，針對(duì)突然受到的外力進(jìn)行壓力卸載保護(hù)，防止液壓油缸出現(xiàn)破壞性損傷。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的支撐底座作為偏心支點(diǎn)，與浮油傳送帶組成杠桿結(jié)構(gòu)，液壓油缸安裝在近端，利用液壓油缸較小的位移實(shí)現(xiàn)浮油傳送帶遠(yuǎn)端的較大位移，可減小液壓油缸的長(zhǎng)度，從而控制系統(tǒng)整體高度。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的液壓油缸有2 件，活塞桿直徑為80 mm，行程為800 mm，工作壓力為16 MPa，推力為80 kN，拉力為72 kN。

浮油傳送帶由航海鋁合金框架焊接組成，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用網(wǎng)帶旋轉(zhuǎn)進(jìn)行高黏度浮油回收。網(wǎng)帶帶有鉤爪，可在回收高黏度浮油和海上垃圾時(shí)提供抓力，最大程度降低高黏度浮油和海上垃圾從浮油傳送帶逃逸。浮油傳送帶后部通過(guò)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和可移動(dòng)底座固定在船體甲板上，可在不工作狀態(tài)下完全回收到船舷范圍內(nèi)。浮油傳送帶長(zhǎng)為9 m，寬為1 m，質(zhì)量約為1 400 kg，框架主體使用鋁合金制作。傳送帶帶有刮板，可將黏附上浮油刮掉，并通過(guò)匯流槽集中流入垃圾筐的噸袋內(nèi)統(tǒng)一回收。

3.3 水面浮體的設(shè)計(jì)

高黏度浮油回收系統(tǒng)的水面浮體使用橡膠充氣式結(jié)構(gòu)，最大可提供浮力2 000 kg。浮體作為浮油傳送帶的水面支撐，使用單點(diǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接形式固定。水面的浮力體采用聚乙烯（PE）塑料浮筒。

3.4 主動(dòng)匯集裝置的設(shè)計(jì)

高黏度浮油回收系統(tǒng)的主動(dòng)匯集裝置安裝在浮油傳送帶前部?jī)蓚?cè)，依靠主動(dòng)匯集裝置安裝的帶立板不銹鋼馬蹄鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)形成水流或直接推動(dòng)浮油向浮油傳送帶方向移動(dòng)，增加系統(tǒng)的集油收油能力。主動(dòng)集油裝置前部安裝有1 個(gè)滾輪，能夠防止主動(dòng)集油裝置與船殼或其他水面漂浮物碰撞時(shí)造成損傷。高黏度浮油回收系統(tǒng)的主動(dòng)集油裝置主要由不銹鋼馬蹄鏈、鋁合金框架、防撞滾輪、轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)等組成，轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)為不銹鋼馬蹄鏈轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力，擺角馬達(dá)控制主動(dòng)集油裝置擺動(dòng)角度，根據(jù)浮油位置實(shí)時(shí)調(diào)整。

4 高黏度浮油回收系統(tǒng)的液壓部分設(shè)計(jì)

高黏度浮油回收系統(tǒng)的液壓裝置可利用船上液壓站提供動(dòng)力，通過(guò)增加控制閥組，完成各個(gè)指定動(dòng)作。高黏度浮油回收系統(tǒng)的液壓操控閥組使用2 條液壓進(jìn)油和回油主管路，閥塊與系統(tǒng)液壓管路總計(jì)9 條循環(huán)回路，與閥塊直接連接使用。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)海洋石油勘探開(kāi)發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和海洋環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷提高，更多更先進(jìn)的浮油回收技術(shù)和裝備將投入到我國(guó)海洋應(yīng)急反應(yīng)力量中。經(jīng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證，高黏度浮油回收裝置可以作為環(huán)保船能力的補(bǔ)充，該系統(tǒng)可以保護(hù)我國(guó)海域環(huán)境，為我國(guó)海洋石油開(kāi)發(fā)業(yè)和航運(yùn)業(yè)的健康發(fā)展作出貢獻(xiàn)。