內河水域溢油自主導控系統設計*

任士瑞 吳 博,2 曹占軍 周思楊4

(1.武漢理工大學航運學院 武漢 430063； 2.內河航運技術湖北省重點實驗室 武漢 430063；3.滄州海事局 滄州 061100； 4.武漢第二船舶設計研究所 武漢 430000)

隨著我國內河航運經濟的不斷發展，貨運量不斷提高，內河水域船舶數量也日益增多。針對內河水域溢油事故的處理和回收，在基于環保和安全的前提下，目前多采用圍油欄、收油機等工具進行物理方式回收[1]。圍油欄已經廣泛用于海洋開闊水域或碼頭前沿水域流速較緩區域的溢油回收過程中，但內河水域一般流速較大，當水域流速大于0.6 m/s時[2]，圍控的油層下方會產生湍流，在急流的作用下，部分溢油會從圍油欄下方逃溢。當水流更強時，強水流沖擊圍油欄，有可能使得圍油欄翻沉或漂浮于水面，圍油欄將無法有效圍住浮油。

收油機主要包括油水分離收油機、滾筒或斜面式收油機、水動力式收油機等[3-4]。大多數收油機受環境影響較大，在流速較高、波浪起伏大的內河環境下收油效率并不高，同時收油設備多不具有控油功能，只能在一定水域內按照操作程序進行，收油能力有限，作業時間較長。并且在不同的溢油事故現場，收油機類型也不盡相同。若所配備的收油機不能適應溢油現場的實際情況，收油機收油效率很可能很低，甚至根本不起作用，一定程度上浪費了人力和物力，也有可能錯失收油控油的最佳時機[5]。

針對以上問題，設計內河溢油導控系統，在發生溢油情況后，該系統可將溢油導控至緩流處或岸邊水域，在一定區域內再配合回收設備進行溢油的有效回收。

1 內河溢油導控系統設計

內河溢油導控系統結構組成和工作狀態見圖1，主要由溢油自主導控船和軟連接2部分組成。

圖1 內河溢油自主導控系統作業示意圖

1.1 導控系統介紹

1.1.1船體設計

本系統船舶部分采用雙體船結構設計，具有穩性好，推進效率高，操縱性能優良等特點。溢油自主導控船1和導控船2(見圖1)是2艘設計參數完全相同的船舶，在實際作業過程中可以進行靈活調配使用。導控船片體尾部成凹槽形設計(見圖2)，并且在尾部分別布有水平連接孔及垂直連接孔，同時，在凹槽內設有軟連接端口。導控船的片體首部(見圖3)安裝水平銷軸和垂直銷軸，銷軸均可以伸縮。垂直銷軸附著在可伸縮的球狀柱體上，球狀柱體可根據2艘船的距離進行伸縮，導控船2片體首部可以通過水平銷軸與導控船1片體尾部水平連接孔鍥合在一起。每艘導控船分別在2個片體上安裝全回轉式吊艙推進器，同時船舶2個片體中分別存放軟連接設備。

圖2 導控船船尾凹槽型設計示意

圖3 導控船船首水平、垂直銷軸示意

1.1.2船體連接機構設計

在波浪起伏的水面上，為使溢油導控船舶連接迅速，并且作業安全可靠，采用銷軸式液壓控制系統進行組合和分離。如果需要導控系統進行導控作業時，由于溢油水域環境復雜，在溢油水域附近再進行組合，增大了操縱難度及操作時間，所以需在岸邊緩流區域進行兩船組合，然后組合船航行到發生溢油事故水域進行分體導控。

在緩流水域進行組合時，2艘導控船接近并達到設計規定的距離范圍后，后船的船首進入前船船尾凹槽內，釋放水平銷軸插入前船水平連接孔中，前后2艘船即剛性聯結成一體(見圖4)，2艘船以左右片體的2個水平銷軸為轉軸隨波浪，作振蕩運動[6]。該作業模式相似于頂推船隊船舶間連接方式及航行作業模式，見圖4。

圖4 船體組合連接示意圖

1.1.3軟連接裝置設計

軟連接裝置是溢油導控系統導控溢油時的主要作業部分(見圖5)，該部分主要由液壓推動裝置、軟連接帶、軟連接端口組成。軟連接帶由橡膠制成，外層附著吸油材料；軟連接端口上附有圖2所示的垂直連接孔。軟連接裝置設計思想借鑒火車車廂之間的橡膠連接方式，軟連接裝置允許前后2艘導控船船體之間有一定程度的相對運動，確保導控系統在外界環境影響下相對穩定；同時在進行溢油導控過程中可以根據溢油分散的情況及時調整導控方式，進行直線導控或弧形導控。

圖5 軟連接裝置三視圖

1.2 溢油導控作業模式研究

根據發生溢油事故的情況判斷采取溢油導控的模式。當發生小面積溢油事故時，單艘雙體船舶依靠船體本身可進行溢油導控；當發生大面積溢油事故時，需采取雙船導控系統進行溢油導控。

1) 單船溢油導控作業模式。單船溢油導控模式即船舶航行到溢油水域，控制船身與河岸保持一定夾角，利用雙體船的片體將溢油導控到緩流區域，船身上的吸油材料也可吸收一部分溢油，這種情況適用于溢油面積較小，水流較緩區域，但溢油導控效率較低的情況。

2) 雙船變體溢油導控作業模式，見圖6。當需要進行雙船溢油導控時，在水流較緩區域通過水平銷軸將2艘溢油導控雙體船進行連接組合，基于頂推船隊操縱控制策略[7]進行操控。組合船航行至溢油水域后，頂推導控船片體首部球狀柱體通過液壓控制插入前船軟連接端口，并釋放垂直銷軸鎖定，同時收回頂推導控船片體首部水平銷軸，此時組合船分體，軟連接通過2艘船相對運動及液壓推動裝置可以進行伸縮作業。軟連接被拉伸出來后，軟連接帶高度的2/3部分浸入水中。根據溢油范圍和水流情況，動態調節軟連接伸出的長度，此時形成以船體和軟連接構成的移動式、導控長度可調節的溢油導控設備。遠離溢油水域一側的軟連接不被拉出，防止水流阻力過大影響船舶側向推進效果。

圖6 溢油自主導控系統工作示意圖

然后，吊艙推進器進行側推導控溢油，通過船身以及軟連接將溢油推至岸邊或緩流水域，在岸邊或緩流水域使用溢油回收裝備協助溢油回收。該系統可根據溢油帶的范圍、水流的情況進行單船、雙船導控模式的選擇，還可根據環境變化情況進行導控長度、導控系統與水流的夾角、導控速度的自適應調節，減小了圍油欄直接擋水產生的較大阻力，并可將溢油有效地控制在一定水域，不隨水流快速分散。

2 仿真試驗分析

2.1 溢油模型建立

建立溢油水動力模型，對內河水域某一河段溢油進行水動力的數值模擬仿真[8-9]。

1) 漂移模型。假設溢油由許多獨立油粒子組成，可將每個油粒子看作拉格朗日粒子。溢油粒在t時刻的位置分量用xt表示。

xt=xt-1+ΔtUoil

(1)

式中：Δt為時間步長，s；xt-1為t-1時刻溢油粒位置，m；Uoil為溢油粒漂移速度，m/s。

2) 分散模型。Udd和Vdd表示擴散速度東、北方向分量，單位均為m/s，定義如下

(2)

式中：Dx為東西方向水平擴散系數，m2/s，取為1.33；Dy為南北方向水平擴散系數，m2/s；Δt為時間步長，s；r為隨機系數(-1～1)。

3) 擴展模型。擴展模型用于計算表面溢油擴展面積，溢油蒸發、溶解、分散和光氧化作用所占比例受溢油擴展面積所影響。擴展是由重力、慣性力、黏度、表面張力等因素相互作用產生的。

假定超過90%的油團為厚油膜。厚油膜表面積變化速度(m2/s)定義如下

(3)

式中：Atk為油膜表面積，m2；k1為擴展速度常數，1/s；Vm為油膜體積，m3；t為時間，s。

2.2 內河溢油導控作業模型

運用內河溢油導控系統進行溢油導控作業時，需要考慮溢油導控系統與水流方向的夾角，可按式(4)求解

(4)

式中：a為導控系統與水流方向的夾角，(°)；v為流速，m/s。

溢油導控作業距離應根據河段水域水面平均寬度和平均流速計算，計算式為

(5)

式中：L1為溢油導控作業距離，m；B為水面平均寬度，m；v為平均流速，m/s。

2.3 仿真實驗結果

如圖7～圖10所示，選取長江某段水域進行溢油導控仿真實驗，水域流速約2.0 m/s，江面寬度150 m時，泄露油品量為2 t，需進行15 min導控作業，實際導控作業距離為860 m，導控系統與水流角度控制在10°以內，可將溢油導控于緩流區域。

圖7 內河溢油泄露擴散示意

圖8 不采取導控措施10 min后溢油擴散示意

圖9 溢油泄露使用導控系統示意

圖10 溢油泄露15 min后導控示意

2.4 仿真實驗分析

該導控系統可對溢油進行有效地導控，并且配合溢油回收設備進行回收。由于水流環境的影響和溢油導控系統的局限性，仍存在一部分溢油未被完全導控，導致一些溢油逃出導控裝置。但相比于傳統拖船頂流拖帶圍油欄的方法而言，該系統采用側推導控，圍油欄所受水流阻力減小，圍油效率提高。如果外界環境影響較大，水流阻力可接受的情況下，可同時釋放2個片體的雙軟連接部分進行導控，可提高溢油導控回收效率。

3 結語

本文綜合考慮了溢油自主導控系統功能、作業模式等問題，對系統進行整體設計，并基于水動力模型，對內河水域溢油自主導控進行了模擬仿真，驗證了系統的導控效果。與現有的內河溢油圍控回收方式相比，本系統能夠在較短時間內對溢油進行導控，可更好地適應外界環境，減小水流阻力對溢油導控回收的影響，并可根據溢油帶的范圍、溢油分布情況等進行導控方式、速度等自適應調節，為內河水域溢油圍控回收的進一步研究提供了良好的開端。

在目前研究的基礎上，后期需對內河溢油自主導控系統的操作控制模式作進一步的分析和研究，提高系統的可控性和可靠性，并結合水流特點提出系統作業限制條件。

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