海上溢油油膜厚度浮標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

王 晶，王春誼，王項(xiàng)南，王士一

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300012）

海上溢油油膜厚度浮標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

王 晶，王春誼，王項(xiàng)南，王士一

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300012）

介紹了海上溢油油膜浮標(biāo)的采樣池和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，綜合考慮浮標(biāo)的重量、浮力和壓力等因素，分析了浮標(biāo)在水中的靜態(tài)特性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，最終研制了符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的油膜浮標(biāo)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明其可靠性及密封性能良好。

溢油；油膜；強(qiáng)度；采樣池；浮標(biāo)

海洋以其廣闊的空間、豐富的資源對(duì)地球環(huán)境具有巨大的調(diào)解作用，構(gòu)成了全球生命支持系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分[1]。但是近年來(lái)，在中國(guó)海域和國(guó)際上都發(fā)生過(guò)不少船舶溢油事故，而且都給海域和沿岸陸域造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。另外全球石油消費(fèi)需求不斷增加的趨勢(shì)使得我國(guó)海洋石油勘探及開(kāi)采規(guī)模不斷擴(kuò)大,因試油、運(yùn)輸、儲(chǔ)存以及其他原因造成我國(guó)海洋溢油事件發(fā)生的機(jī)率不斷增加，石油開(kāi)采過(guò)程中帶來(lái)的噴井、海底漏油等也對(duì)海洋環(huán)境帶來(lái)了威脅[2]。

2010年4月，位于墨西哥灣的“深水地平線”鉆井平臺(tái)發(fā)生爆炸并引發(fā)大火，鉆井平臺(tái)底部油井開(kāi)始漏油不止，原油漂浮帶長(zhǎng)200 km，寬100 km，而且還在進(jìn)一步擴(kuò)散，排污行動(dòng)持續(xù)了數(shù)月，此次漏油事件造成了巨大的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)損失。2011年6月期間我國(guó)中海油渤海灣一油田發(fā)生漏油事故，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，溢油污染主要集中在蓬萊19-3油田周邊海域和西北部海域，使周?chē)?40 km2的一類(lèi)水質(zhì)海水惡化為劣四類(lèi)，對(duì)海洋環(huán)境造成了一定程度的污染損害。這類(lèi)事故一旦發(fā)生擴(kuò)散極為迅速，容易使大面積水域受到污染，導(dǎo)致大量魚(yú)類(lèi)、海鳥(niǎo)的死亡，不僅破壞生態(tài)環(huán)境，而且還可能引起燃燒和爆炸[3]，將對(duì)海洋環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)產(chǎn)生長(zhǎng)期的重大的影響。因此，及時(shí)獲取海洋表面油膜信息，可保護(hù)海洋環(huán)境，降低打撈成本，對(duì)全球生態(tài)環(huán)境具有重要意義[1]。

海上溢油油膜厚度浮標(biāo)可用于實(shí)現(xiàn)海面溢油油膜厚度的快速測(cè)量，在油膜厚度測(cè)量方面具有廣闊的應(yīng)用前景，結(jié)合已有的溢油范圍測(cè)量手段可以準(zhǔn)確估計(jì)溢油數(shù)量，可以為針對(duì)不同程度的溢油事故制定處理方案提供依據(jù)，因此溢油厚度測(cè)量對(duì)溢油事故的快速反應(yīng)、保護(hù)海洋環(huán)境具有重要的意義。本文主要闡述了油膜測(cè)量對(duì)浮標(biāo)設(shè)計(jì)的要求，包括浮標(biāo)波動(dòng)對(duì)油膜測(cè)量的影響、吃水線的調(diào)節(jié)、浮標(biāo)的靜態(tài)特性、水中姿態(tài)和隨波性能，以及浮標(biāo)在海水中所承受的強(qiáng)度壓力、密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

1 總體設(shè)計(jì)思想

根據(jù)浮標(biāo)的水密、耐壓、姿態(tài)保持以及隨波性能的要求，設(shè)計(jì)出最優(yōu)的外形與結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)浮標(biāo)的重心與浮心位置，確定傳感器、其他單元以及配重的加裝方案；在浮標(biāo)上設(shè)計(jì)開(kāi)放式的采樣池，用于油膜和海水進(jìn)入測(cè)量體中；考慮浮標(biāo)隨波運(yùn)動(dòng)時(shí)，保證吃水線能夠在測(cè)量范圍內(nèi)。浮標(biāo)外觀是圓柱形耐壓殼體，頂部裝載測(cè)量用GPS系統(tǒng)和接收天線，中間的圓柱殼體內(nèi)裝有光學(xué)傳感器、控制模塊及電池艙等，底部為下蓋，需能承受一定的入水沖擊力，另外浮標(biāo)入水后下沉一定的深度，對(duì)殼體和端蓋的厚度設(shè)計(jì)都要滿足耐壓強(qiáng)度的要求。

2 浮標(biāo)體海水中靜態(tài)特性及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

海面油膜測(cè)量不同于靜態(tài)的水面膜厚、金屬板等厚度測(cè)量，對(duì)海面油膜測(cè)量必須考慮海水的波動(dòng)。浮標(biāo)入水后，根據(jù)姿態(tài)穩(wěn)定性要求，需要考慮浮標(biāo)體在海水中受到的阻力，重心、浮心的位置和在波浪激勵(lì)下浮標(biāo)的恢復(fù)力矩，以及浮標(biāo)體在水中的抗壓強(qiáng)度和剛性，設(shè)計(jì)尺寸對(duì)浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)的影響等。

2.1 浮標(biāo)靜態(tài)特性計(jì)算分析

海洋浮標(biāo)的受力情況與浮標(biāo)和布放環(huán)境條件有關(guān)，其除受到重力和浮力外，還受到風(fēng)浪流等環(huán)境載荷的作用。先對(duì)浮標(biāo)進(jìn)行靜力分析計(jì)算，浮標(biāo)體的靜力學(xué)所研究的是穩(wěn)態(tài)條件下的負(fù)荷及其所產(chǎn)生的影響，而風(fēng)浪流對(duì)其的影響則應(yīng)根據(jù)實(shí)際布放的海況進(jìn)行分析。

浮標(biāo)在海水中的重力與浮力計(jì)算公式：

其中：Zi為標(biāo)體第i個(gè)組件的重心位置；g為重力加速度。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將浮標(biāo)的浮心在上，重心在下，并保持一定的距離。假如浮標(biāo)向某一方向傾斜，則重力和浮力產(chǎn)生一個(gè)合力矩，使得浮標(biāo)向其相反的方向旋轉(zhuǎn)而恢復(fù)平衡。

浮標(biāo)橫搖靜傾角θ計(jì)算公式[4]：

式中：Fwind，F(xiàn)C，F(xiàn)B，G 分別為風(fēng)力、定常流力、浮力、重力；lwind，lC，lB，lG分別為各作用力的作用點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)O的距離。因此靜傾角θ值需要根據(jù)實(shí)際風(fēng)力及海流的大小計(jì)算得出。

通過(guò)以上公式得出浮標(biāo)的主要參數(shù)為：總高約1.03 m，最大直徑0.3 m，采樣池高度約0.8 m，浮標(biāo)重力約為339 N，總浮力約為460 N，計(jì)算出的浮標(biāo)重心和浮心位置相距較小，所以在試驗(yàn)過(guò)程中需要對(duì)浮標(biāo)進(jìn)行配重調(diào)節(jié)，調(diào)整其重心與浮心的相對(duì)距離，將內(nèi)部的光學(xué)、電源和控制部分的元器件盡量固定在浮標(biāo)的底部，在保證吃水線位置的前提下，能夠使浮標(biāo)在海水中測(cè)量時(shí)具有較好的恢復(fù)性能。

2.2 浮標(biāo)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

浮標(biāo)在海水中受到水的沖擊力和壓力，因此浮標(biāo)要有足夠的抗水壓強(qiáng)度和剛性，本設(shè)計(jì)對(duì)浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，其中包括殼體壁厚及水平圓端蓋的厚度計(jì)算，通過(guò)計(jì)算結(jié)果的分析比較，選擇了合適的材料，研制了滿足強(qiáng)度要求的殼體。

水面浮體強(qiáng)度設(shè)計(jì)可視為圓柱形外壓容器的設(shè)計(jì)，本文所設(shè)計(jì)的油膜浮標(biāo)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需滿足下列公式：

式中：Pk為臨界壓力；μ為圓筒材料的泊松比；S為圓筒壁厚；R為圓筒半徑；E為圓筒材料在工作溫度下的彈性模量。

按（3）式的計(jì)算值Pk要大于實(shí)際工作壓力值P[5]，浮標(biāo)體才能滿足耐壓強(qiáng)度。

式中：m為穩(wěn)定系數(shù)，將（4）代入（3），變換后得出圓筒的壁厚計(jì)算公式：

由上式得知，設(shè)計(jì)中浮標(biāo)圓筒的壁厚必須大于用實(shí)際工作壓力值P計(jì)算出的壁厚S值時(shí)才能滿足水面浮體的強(qiáng)度要求。

浮標(biāo)在海水壓力作用下其水平端蓋厚度計(jì)算公式[6]：

式中：D為水平端蓋厚度；D0為水平端蓋計(jì)算直徑；K為結(jié)構(gòu)特征系數(shù)；P為計(jì)算壓力；[σ]t為設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力；φ為焊接接頭系數(shù)。

因此通過(guò)上式可以計(jì)算出在實(shí)際工作壓力值P下浮標(biāo)的水平圓端蓋的厚度D，而在設(shè)計(jì)中選用的端蓋厚度必須要大于計(jì)算值D方可滿足浮標(biāo)的強(qiáng)度要求。

由于浮標(biāo)布放時(shí)，實(shí)際入水深度不能達(dá)到水下10 m，為了保證浮標(biāo)的可靠性，實(shí)際工作壓力值P選擇0.1×106Pa，LY12 材料的參數(shù)為：E=68.65×103MPa，μ=0.33，K=0.25，[σ]t=184 MPa。通過(guò)分別對(duì)LY12和ABS材料的筒體壁厚及端蓋厚度計(jì)算比對(duì)得出，用LY12制作的浮標(biāo)殼體壁厚S約為2.34 mm，而實(shí)際采用厚度為8 mm，計(jì)算出水平圓端蓋的厚度D約為3.6 mm，實(shí)際采用的端蓋厚度最薄處為5 mm，最厚處為20 mm，能滿足浮標(biāo)在水下10 m所承受的壓力，根據(jù)采樣池的測(cè)量空間要求，本浮標(biāo)選用了LY12材料進(jìn)行加工，保障了測(cè)量精度。

3 浮標(biāo)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

浮標(biāo)采用圓柱形設(shè)計(jì)，與其它形體的浮標(biāo)相比，如球形、鐵餅型、船型，該形體的浮標(biāo)受到波浪激勵(lì)的影響最小[7]。根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將浮標(biāo)分為上下兩部分，中間固定采樣池。由于浮標(biāo)內(nèi)布放傳感器和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，為防止海水、溢油及其它物體對(duì)浮標(biāo)內(nèi)傳感器的破壞，按照設(shè)計(jì)手冊(cè)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了密封設(shè)計(jì)并合理選用了密封件達(dá)到密封要求，主要采用了徑向和軸向兩種密封方式。浮標(biāo)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.1 采樣池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為克服海上波浪的影響，采樣池需采用非親油性的材質(zhì)和合理的結(jié)構(gòu)，將采樣池設(shè)計(jì)在浮標(biāo)體的中上部，為滿足測(cè)量需要在連接蓋上垂直軸心線的方向打通開(kāi)放式的采樣池，滿足抑止海上波動(dòng)而不改變油膜厚度的測(cè)量要求，通過(guò)標(biāo)體配重比實(shí)現(xiàn)限定采樣池吃水線的范圍，保障測(cè)量中的精度。見(jiàn)圖2。

3.2 油膜浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)組成

浮標(biāo)整體由上下圓筒、采樣池連接蓋、上下蓋和內(nèi)部立板組成。浮標(biāo)圓筒直徑為270 mm，內(nèi)徑為254 mm。上下圓筒兩端均留有與上下蓋及采樣池緊固連接的凸臺(tái)。

在浮標(biāo)中上部固定連接端蓋，其直徑為303 mm，是浮標(biāo)體中直徑最大的部分，在端蓋垂直軸心線的方向打通一個(gè)開(kāi)放式的采樣池，在采樣池上下面分別留有測(cè)量窗口，使測(cè)量光線能夠通過(guò)測(cè)量玻璃窗口進(jìn)入采樣池中的油膜上進(jìn)行測(cè)量，由于測(cè)量窗口直接與海水接觸，因此玻璃窗口需采用O型密封圈進(jìn)行軸向端面密封，同時(shí)用壓片將玻璃窗口壓緊，在海水壓力的作用下，密封圈會(huì)越壓越緊，密封性也會(huì)越來(lái)越好。在連接蓋上的采樣池旁邊開(kāi)通的方孔，是用來(lái)固定安裝測(cè)量模塊的立板，另外還打通兩個(gè)圓孔，以便于上下兩部分光學(xué)器件相互連接通訊，連接蓋兩端分別與上下圓筒采用雙道密封圈進(jìn)行徑向密封，并用螺釘緊固連接，如圖2所示。

圖1 浮標(biāo)示意圖

圖2 連接蓋及采樣池

上端蓋留有通訊孔，用來(lái)固定天線，使其穿過(guò)預(yù)留孔與通訊系統(tǒng)連接。為了保證浮標(biāo)入水后不損壞浮體，通過(guò)計(jì)算選擇了滿足要求的下端蓋厚度，上下端蓋與浮標(biāo)圓筒連接處同樣采用雙道密封結(jié)構(gòu)，確保了密封的可靠性。

浮標(biāo)內(nèi)部的光學(xué)系統(tǒng)固定在立板上，立板從采樣池連接蓋內(nèi)部穿過(guò)，上下兩端通過(guò)角鐵用螺釘與端蓋固定。使其光學(xué)系統(tǒng)正好固定在采樣池窗口的上下對(duì)稱(chēng)兩側(cè)。同時(shí)在立板上還固定有通訊模塊、電路板、電池等測(cè)量單元，如圖3所示。

圖3 立板及固定的光學(xué)系統(tǒng)示意圖

4 結(jié)論

研制的海上溢油油膜浮標(biāo)，根據(jù)浮標(biāo)體的重量、浮力及強(qiáng)度的計(jì)算匹配后，浮標(biāo)相對(duì)穩(wěn)定，密封性好，由于連接蓋采樣池位于浮標(biāo)中上部，重心偏上，為保證吃水線位置處于測(cè)量窗口的中間位置，根據(jù)不同海域的海水密度需對(duì)浮標(biāo)進(jìn)行配重調(diào)節(jié)。將考慮在滿足支撐強(qiáng)度的情況下，盡量將連接蓋內(nèi)部打通，把采樣池及以上部分的重量減輕，或者浮標(biāo)整體換成其他密度較小、非親油性的材質(zhì)，底部加裝配重進(jìn)行試驗(yàn)，增大其恢復(fù)力矩，減小橫搖角度，使其具有較好的隨波性。并且在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求下，將擴(kuò)大浮標(biāo)的采樣池空間，提高油膜厚度的測(cè)量精度。

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Research on the Design of Buoy for the Thickness of Oil Spill

WANG Jing,WANG Chun-yi,WANG Xiang-nan,WANG Shi-yi
(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

The sampling pool and the design of overall structure for oil spill buoy was described firstly.Then the static structure of buoys in the water was analyzed considering the buoyancy,pressure,weight of buoy and other factors.The buoy for oil spill according with the structural standard was designed.Finally,it is proved that the reliability and sealing performance of buoy for oil spill are well through testing.

oil spill;oil slick;strength;sampling pool;buoy

P715.2

B

1003-2029（2012）01-0049-04

2011-10-21

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863）資助項(xiàng)目——機(jī)載投棄式海上溢油油膜厚度測(cè)量技術(shù)（2008AA09Z115）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目——海面溢油油膜厚度測(cè)量理論與關(guān)鍵技術(shù)研究（40876050）

王晶（1980-），工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。Email：wangjing_998@126.com