海上溢油油膜厚度浮标结构设计研究

王 晶，王春谊，王项南，王士一

（国家海洋技术中心，天津 300012）

海上溢油油膜厚度浮标结构设计研究

王 晶，王春谊，王项南，王士一

（国家海洋技术中心，天津 300012）

介绍了海上溢油油膜浮标的采样池和整体结构设计，综合考虑浮标的重量、浮力和压力等因素，分析了浮标在水中的静态特性和结构强度，最终研制了符合结构设计要求的油膜浮标，通过实验证明其可靠性及密封性能良好。

溢油；油膜；强度；采样池；浮标

海洋以其广阔的空间、丰富的资源对地球环境具有巨大的调解作用，构成了全球生命支持系统的一个重要组成部分[1]。但是近年来，在中国海域和国际上都发生过不少船舶溢油事故，而且都给海域和沿岸陆域造成了严重的环境污染。另外全球石油消费需求不断增加的趋势使得我国海洋石油勘探及开采规模不断扩大,因试油、运输、储存以及其他原因造成我国海洋溢油事件发生的机率不断增加，石油开采过程中带来的喷井、海底漏油等也对海洋环境带来了威胁[2]。

2010年4月，位于墨西哥湾的“深水地平线”钻井平台发生爆炸并引发大火，钻井平台底部油井开始漏油不止，原油漂浮带长200 km，宽100 km，而且还在进一步扩散，排污行动持续了数月，此次漏油事件造成了巨大的环境和经济损失。2011年6月期间我国中海油渤海湾一油田发生漏油事故，根据监测结果，溢油污染主要集中在蓬莱19-3油田周边海域和西北部海域，使周围840 km2的一类水质海水恶化为劣四类，对海洋环境造成了一定程度的污染损害。这类事故一旦发生扩散极为迅速，容易使大面积水域受到污染，导致大量鱼类、海鸟的死亡，不仅破坏生态环境，而且还可能引起燃烧和爆炸[3]，将对海洋环境和社会经济活动产生长期的重大的影响。因此，及时获取海洋表面油膜信息，可保护海洋环境，降低打捞成本，对全球生态环境具有重要意义[1]。

海上溢油油膜厚度浮标可用于实现海面溢油油膜厚度的快速测量，在油膜厚度测量方面具有广阔的应用前景，结合已有的溢油范围测量手段可以准确估计溢油数量，可以为针对不同程度的溢油事故制定处理方案提供依据，因此溢油厚度测量对溢油事故的快速反应、保护海洋环境具有重要的意义。本文主要阐述了油膜测量对浮标设计的要求，包括浮标波动对油膜测量的影响、吃水线的调节、浮标的静态特性、水中姿态和随波性能，以及浮标在海水中所承受的强度压力、密封结构设计等。

1 总体设计思想

根据浮标的水密、耐压、姿态保持以及随波性能的要求，设计出最优的外形与结构；设计浮标的重心与浮心位置，确定传感器、其他单元以及配重的加装方案；在浮标上设计开放式的采样池，用于油膜和海水进入测量体中；考虑浮标随波运动时，保证吃水线能够在测量范围内。浮标外观是圆柱形耐压壳体，顶部装载测量用GPS系统和接收天线，中间的圆柱壳体内装有光学传感器、控制模块及电池舱等，底部为下盖，需能承受一定的入水冲击力，另外浮标入水后下沉一定的深度，对壳体和端盖的厚度设计都要满足耐压强度的要求。

2 浮标体海水中静态特性及结构强度分析

海面油膜测量不同于静态的水面膜厚、金属板等厚度测量，对海面油膜测量必须考虑海水的波动。浮标入水后，根据姿态稳定性要求，需要考虑浮标体在海水中受到的阻力，重心、浮心的位置和在波浪激励下浮标的恢复力矩，以及浮标体在水中的抗压强度和刚性，设计尺寸对浮标运动的影响等。

2.1 浮标静态特性计算分析

海洋浮标的受力情况与浮标和布放环境条件有关，其除受到重力和浮力外，还受到风浪流等环境载荷的作用。先对浮标进行静力分析计算，浮标体的静力学所研究的是稳态条件下的负荷及其所产生的影响，而风浪流对其的影响则应根据实际布放的海况进行分析。

浮标在海水中的重力与浮力计算公式：

其中：Zi为标体第i个组件的重心位置；g为重力加速度。设计时应将浮标的浮心在上，重心在下，并保持一定的距离。假如浮标向某一方向倾斜，则重力和浮力产生一个合力矩，使得浮标向其相反的方向旋转而恢复平衡。

浮标横摇静倾角θ计算公式[4]：

式中：Fwind，FC，FB，G 分别为风力、定常流力、浮力、重力；lwind，lC，lB，lG分别为各作用力的作用点到坐标原点O的距离。因此静倾角θ值需要根据实际风力及海流的大小计算得出。

通过以上公式得出浮标的主要参数为：总高约1.03 m，最大直径0.3 m，采样池高度约0.8 m，浮标重力约为339 N，总浮力约为460 N，计算出的浮标重心和浮心位置相距较小，所以在试验过程中需要对浮标进行配重调节，调整其重心与浮心的相对距离，将内部的光学、电源和控制部分的元器件尽量固定在浮标的底部，在保证吃水线位置的前提下，能够使浮标在海水中测量时具有较好的恢复性能。

2.2 浮标结构强度分析

浮标在海水中受到水的冲击力和压力，因此浮标要有足够的抗水压强度和刚性，本设计对浮标的结构强度进行了计算，其中包括壳体壁厚及水平圆端盖的厚度计算，通过计算结果的分析比较，选择了合适的材料，研制了满足强度要求的壳体。

水面浮体强度设计可视为圆柱形外压容器的设计，本文所设计的油膜浮标体结构强度需满足下列公式：

式中：Pk为临界压力；μ为圆筒材料的泊松比；S为圆筒壁厚；R为圆筒半径；E为圆筒材料在工作温度下的弹性模量。

按（3）式的计算值Pk要大于实际工作压力值P[5]，浮标体才能满足耐压强度。

式中：m为稳定系数，将（4）代入（3），变换后得出圆筒的壁厚计算公式：

由上式得知，设计中浮标圆筒的壁厚必须大于用实际工作压力值P计算出的壁厚S值时才能满足水面浮体的强度要求。

浮标在海水压力作用下其水平端盖厚度计算公式[6]：

式中：D为水平端盖厚度；D0为水平端盖计算直径；K为结构特征系数；P为计算压力；[σ]t为设计温度下材料的许用应力；φ为焊接接头系数。

因此通过上式可以计算出在实际工作压力值P下浮标的水平圆端盖的厚度D，而在设计中选用的端盖厚度必须要大于计算值D方可满足浮标的强度要求。

由于浮标布放时，实际入水深度不能达到水下10 m，为了保证浮标的可靠性，实际工作压力值P选择0.1×106Pa，LY12 材料的参数为：E=68.65×103MPa，μ=0.33，K=0.25，[σ]t=184 MPa。通过分别对LY12和ABS材料的筒体壁厚及端盖厚度计算比对得出，用LY12制作的浮标壳体壁厚S约为2.34 mm，而实际采用厚度为8 mm，计算出水平圆端盖的厚度D约为3.6 mm，实际采用的端盖厚度最薄处为5 mm，最厚处为20 mm，能满足浮标在水下10 m所承受的压力，根据采样池的测量空间要求，本浮标选用了LY12材料进行加工，保障了测量精度。

3 浮标整体结构设计

浮标采用圆柱形设计，与其它形体的浮标相比，如球形、铁饼型、船型，该形体的浮标受到波浪激励的影响最小[7]。根据光学系统结构将浮标分为上下两部分，中间固定采样池。由于浮标内布放传感器和数据采集处理系统，为防止海水、溢油及其它物体对浮标内传感器的破坏，按照设计手册规定的标准进行了密封设计并合理选用了密封件达到密封要求，主要采用了径向和轴向两种密封方式。浮标整体结构如图1所示。

3.1 采样池结构设计

为克服海上波浪的影响，采样池需采用非亲油性的材质和合理的结构，将采样池设计在浮标体的中上部，为满足测量需要在连接盖上垂直轴心线的方向打通开放式的采样池，满足抑止海上波动而不改变油膜厚度的测量要求，通过标体配重比实现限定采样池吃水线的范围，保障测量中的精度。见图2。

3.2 油膜浮标的结构组成

浮标整体由上下圆筒、采样池连接盖、上下盖和内部立板组成。浮标圆筒直径为270 mm，内径为254 mm。上下圆筒两端均留有与上下盖及采样池紧固连接的凸台。

在浮标中上部固定连接端盖，其直径为303 mm，是浮标体中直径最大的部分，在端盖垂直轴心线的方向打通一个开放式的采样池，在采样池上下面分别留有测量窗口，使测量光线能够通过测量玻璃窗口进入采样池中的油膜上进行测量，由于测量窗口直接与海水接触，因此玻璃窗口需采用O型密封圈进行轴向端面密封，同时用压片将玻璃窗口压紧，在海水压力的作用下，密封圈会越压越紧，密封性也会越来越好。在连接盖上的采样池旁边开通的方孔，是用来固定安装测量模块的立板，另外还打通两个圆孔，以便于上下两部分光学器件相互连接通讯，连接盖两端分别与上下圆筒采用双道密封圈进行径向密封，并用螺钉紧固连接，如图2所示。

图1 浮标示意图

图2 连接盖及采样池

上端盖留有通讯孔，用来固定天线，使其穿过预留孔与通讯系统连接。为了保证浮标入水后不损坏浮体，通过计算选择了满足要求的下端盖厚度，上下端盖与浮标圆筒连接处同样采用双道密封结构，确保了密封的可靠性。

浮标内部的光学系统固定在立板上，立板从采样池连接盖内部穿过，上下两端通过角铁用螺钉与端盖固定。使其光学系统正好固定在采样池窗口的上下对称两侧。同时在立板上还固定有通讯模块、电路板、电池等测量单元，如图3所示。

图3 立板及固定的光学系统示意图

4 结论

研制的海上溢油油膜浮标，根据浮标体的重量、浮力及强度的计算匹配后，浮标相对稳定，密封性好，由于连接盖采样池位于浮标中上部，重心偏上，为保证吃水线位置处于测量窗口的中间位置，根据不同海域的海水密度需对浮标进行配重调节。将考虑在满足支撑强度的情况下，尽量将连接盖内部打通，把采样池及以上部分的重量减轻，或者浮标整体换成其他密度较小、非亲油性的材质，底部加装配重进行试验，增大其恢复力矩，减小横摇角度，使其具有较好的随波性。并且在满足结构强度的要求下，将扩大浮标的采样池空间，提高油膜厚度的测量精度。

[1]薛浩洁，种劲松.SAR图像海洋表面油膜检测方法[J].遥感技术与应用，2004，19（4）：290-294.

[2]徐艳东，汤宪春，徐艳艳，等.海上溢油的原因、变化过程、危害和应急对策分析[J].齐鲁渔业，2007，24（9）：48-50.

[3]胡晓兰，徐宏.溢油事故的应急监测[J].黑龙江环境通报，2008，32（2）：54-55.

[4]赵会娟，尹洪武，王喜斌，等.玻璃钢浮标的设计计算[J].玻璃钢／复合材料，2003，（3）:30-33.

[5]张宏伟，丁淑华，王晓鸣，等.小型水下自航行器自沉浮装置设计与研究[J].海洋技术，2008，27（1）：1-3.

[6]侯庆华.圆平盖的应力分析及补强计算[J].油气田地面工程，2009，28（8）：43-44.

[7]曲少春,郑琨,王英民.圆柱形浮标运动分析与仿真[J].计算机仿真，2010，27（6）：363-367.

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

国家高技术研究发展计划（863）资助项目——机载投弃式海上溢油油膜厚度测量技术（2008AA09Z115）；国家自然科学基金资助项目——海面溢油油膜厚度测量理论与关键技术研究（40876050）

王晶（1980-），工程师，主要研究方向为机械结构设计。Email：wangjing_998@126.com