適用于惡劣海況的新型海上溢油回收裝置設(shè)計(jì)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緩剑瑩?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(guó)是全球第一大原油進(jìn)口國(guó)，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(jì)，我國(guó)沿海平均每4天就會(huì)發(fā)生一起海上溢油事故。海上溢油事故不僅會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)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(duì)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(diǎn)、特點(diǎn)，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(jì)。

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(diǎn)。

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(guò)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(diǎn)，但都難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，無(wú)法自主到達(dá)溢油地點(diǎn)，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(xiǎn)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(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用來(lái)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(lèi)、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(jí)在6級(jí)左右，在惡劣海況下工作能力有時(shí)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(shí)，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(xiǎn)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(jiǎn)單，具有靈活可靠的優(yōu)點(diǎn)，但易受天氣、海浪等諸多因素的影響，且沒(méi)有對(duì)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(jiàn)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(huì)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(lái)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(shí)需要海事部門(mén)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(wú)法滿(mǎn)足應(yīng)急工作的需要。

2 海上溢油應(yīng)急處置的難點(diǎn)、特點(diǎn)

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(gè)方面：

1）海上溢油風(fēng)險(xiǎn)源難以確定，影響范圍更大。陸上溢油風(fēng)險(xiǎn)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(cè)并采取措施，一旦油品泄漏，會(huì)在風(fēng)、浪、流的作用下不斷擴(kuò)散，且目前尚無(wú)能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)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(diǎn)，特別是遠(yuǎn)離海岸的區(qū)域，給溢油應(yīng)急處置帶來(lái)了極大的難度，目前常用的溢油處置設(shè)施設(shè)備大多無(wú)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(wú)法得到及時(shí)有效的控制。

3）對(duì)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(duì)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(xiǎn)大。目前，海上溢油應(yīng)急處置的自動(dòng)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(lái)嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)報(bào)道，2010年墨西哥灣“深水地平線(xiàn)”鉆井平臺(tái)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(jì)及應(yīng)用

隨著對(duì)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(huì)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(dòng)化、智能化、“無(wú)人化”海上應(yīng)急處置設(shè)備等方面將成為未來(lái)海上溢油應(yīng)急處置技術(shù)研究的優(yōu)先方向。近年來(lái)，作者針對(duì)海上溢油應(yīng)急處置的關(guān)鍵難點(diǎn)進(jìn)行了深入研究，并設(shè)計(jì)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(dòng)化、智能化，降低應(yīng)急人員的二次傷害風(fēng)險(xiǎn)，并取得了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)，部分新型設(shè)備介紹如下：

1）一種自動(dòng)化海上溢油回收裝置（專(zhuān)利號(hào)：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(guò)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(gè)過(guò)程較化學(xué)法相比不產(chǎn)生二次污染，對(duì)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(dòng)化程度高，能通過(guò)遠(yuǎn)程遙控實(shí)現(xiàn)吸油及航行全過(guò)程，高效快速，不需工作人員全程參與，節(jié)省了大量時(shí)間、勞動(dòng)成本。另外，該裝置也可以通過(guò)更換核心吸油材料使其廣泛適用于各種油品，并且對(duì)事故發(fā)生地的地形開(kāi)闊程度、海況情況和油膜厚度都沒(méi)有過(guò)于嚴(yán)苛的要求。該裝置溢油回收的流程設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖2 一種自動(dòng)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(zhuān)利號(hào)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(dòng)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(dòng)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(guò)軀干部分的油水分離裝置后，分離出來(lái)的溢油由于密度較小向上流向溢油存放容器中或用管線(xiàn)輸送到遠(yuǎn)處的船舶或岸上，分離出來(lái)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(gè)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(diǎn)：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(dòng)化裝備，如自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，使整套裝置基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(chǎng)的危險(xiǎn)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(chǎng)就完成整個(gè)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(lái)回運(yùn)輸?shù)臅r(shí)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(chǔ)油艙、轉(zhuǎn)動(dòng)軸和控制室等主要結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)油艙內(nèi)部上表面設(shè)有軌道、過(guò)濾板和碾壓輪裝置；2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸設(shè)于船面，1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸放吸油氈卷通過(guò)軌道固定到另一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸上；控制室設(shè)于船面一側(cè)，內(nèi)置有定位裝置、動(dòng)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(diǎn)如下：采用自動(dòng)化控制系統(tǒng)，溢油回收過(guò)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(dòng)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(chǎng)的危險(xiǎn)性；通過(guò)碾壓輪碾壓吸油氈的方式和通過(guò)活動(dòng)件上下移動(dòng)擠壓吸油氈的方式將溢油回收至儲(chǔ)油艙，能夠高效回收溢油，避免了油品的浪費(fèi)，同時(shí)碾壓或擠壓過(guò)后的吸油氈通過(guò)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(zhuān)門(mén)針對(duì)惡劣海況而設(shè)計(jì)，具有自動(dòng)化程度高、抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)、二次污染風(fēng)險(xiǎn)低等特點(diǎn)，能有效降低人員暴露風(fēng)險(xiǎn)，并獲得了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)，在技術(shù)上具有較高的可行性。同時(shí)，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(duì)大規(guī)模海上溢油事故，開(kāi)發(fā)應(yīng)用的前景廣闊。

4 結(jié)語(yǔ)

海上溢油事故的處置是一個(gè)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(mǎn)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(diǎn)，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(jì)構(gòu)想，對(duì)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。