内河水域溢油自主导控系统设计*

任士瑞 吴 博,2 曹占军 周思杨4

(1.武汉理工大学航运学院 武汉 430063； 2.内河航运技术湖北省重点实验室 武汉 430063；3.沧州海事局 沧州 061100； 4.武汉第二船舶设计研究所 武汉 430000)

随着我国内河航运经济的不断发展，货运量不断提高，内河水域船舶数量也日益增多。针对内河水域溢油事故的处理和回收，在基于环保和安全的前提下，目前多采用围油栏、收油机等工具进行物理方式回收[1]。围油栏已经广泛用于海洋开阔水域或码头前沿水域流速较缓区域的溢油回收过程中，但内河水域一般流速较大，当水域流速大于0.6 m/s时[2]，围控的油层下方会产生湍流，在急流的作用下，部分溢油会从围油栏下方逃溢。当水流更强时，强水流冲击围油栏，有可能使得围油栏翻沉或漂浮于水面，围油栏将无法有效围住浮油。

收油机主要包括油水分离收油机、滚筒或斜面式收油机、水动力式收油机等[3-4]。大多数收油机受环境影响较大，在流速较高、波浪起伏大的内河环境下收油效率并不高，同时收油设备多不具有控油功能，只能在一定水域内按照操作程序进行，收油能力有限，作业时间较长。并且在不同的溢油事故现场，收油机类型也不尽相同。若所配备的收油机不能适应溢油现场的实际情况，收油机收油效率很可能很低，甚至根本不起作用，一定程度上浪费了人力和物力，也有可能错失收油控油的最佳时机[5]。

针对以上问题，设计内河溢油导控系统，在发生溢油情况后，该系统可将溢油导控至缓流处或岸边水域，在一定区域内再配合回收设备进行溢油的有效回收。

1 内河溢油导控系统设计

内河溢油导控系统结构组成和工作状态见图1，主要由溢油自主导控船和软连接2部分组成。

图1 内河溢油自主导控系统作业示意图

1.1 导控系统介绍

1.1.1船体设计

本系统船舶部分采用双体船结构设计，具有稳性好，推进效率高，操纵性能优良等特点。溢油自主导控船1和导控船2(见图1)是2艘设计参数完全相同的船舶，在实际作业过程中可以进行灵活调配使用。导控船片体尾部成凹槽形设计(见图2)，并且在尾部分别布有水平连接孔及垂直连接孔，同时，在凹槽内设有软连接端口。导控船的片体首部(见图3)安装水平销轴和垂直销轴，销轴均可以伸缩。垂直销轴附着在可伸缩的球状柱体上，球状柱体可根据2艘船的距离进行伸缩，导控船2片体首部可以通过水平销轴与导控船1片体尾部水平连接孔锲合在一起。每艘导控船分别在2个片体上安装全回转式吊舱推进器，同时船舶2个片体中分别存放软连接设备。

图2 导控船船尾凹槽型设计示意

图3 导控船船首水平、垂直销轴示意

1.1.2船体连接机构设计

在波浪起伏的水面上，为使溢油导控船舶连接迅速，并且作业安全可靠，采用销轴式液压控制系统进行组合和分离。如果需要导控系统进行导控作业时，由于溢油水域环境复杂，在溢油水域附近再进行组合，增大了操纵难度及操作时间，所以需在岸边缓流区域进行两船组合，然后组合船航行到发生溢油事故水域进行分体导控。

在缓流水域进行组合时，2艘导控船接近并达到设计规定的距离范围后，后船的船首进入前船船尾凹槽内，释放水平销轴插入前船水平连接孔中，前后2艘船即刚性联结成一体(见图4)，2艘船以左右片体的2个水平销轴为转轴随波浪，作振荡运动[6]。该作业模式相似于顶推船队船舶间连接方式及航行作业模式，见图4。

图4 船体组合连接示意图

1.1.3软连接装置设计

软连接装置是溢油导控系统导控溢油时的主要作业部分(见图5)，该部分主要由液压推动装置、软连接带、软连接端口组成。软连接带由橡胶制成，外层附着吸油材料；软连接端口上附有图2所示的垂直连接孔。软连接装置设计思想借鉴火车车厢之间的橡胶连接方式，软连接装置允许前后2艘导控船船体之间有一定程度的相对运动，确保导控系统在外界环境影响下相对稳定；同时在进行溢油导控过程中可以根据溢油分散的情况及时调整导控方式，进行直线导控或弧形导控。

图5 软连接装置三视图

1.2 溢油导控作业模式研究

根据发生溢油事故的情况判断采取溢油导控的模式。当发生小面积溢油事故时，单艘双体船舶依靠船体本身可进行溢油导控；当发生大面积溢油事故时，需采取双船导控系统进行溢油导控。

1) 单船溢油导控作业模式。单船溢油导控模式即船舶航行到溢油水域，控制船身与河岸保持一定夹角，利用双体船的片体将溢油导控到缓流区域，船身上的吸油材料也可吸收一部分溢油，这种情况适用于溢油面积较小，水流较缓区域，但溢油导控效率较低的情况。

2) 双船变体溢油导控作业模式，见图6。当需要进行双船溢油导控时，在水流较缓区域通过水平销轴将2艘溢油导控双体船进行连接组合，基于顶推船队操纵控制策略[7]进行操控。组合船航行至溢油水域后，顶推导控船片体首部球状柱体通过液压控制插入前船软连接端口，并释放垂直销轴锁定，同时收回顶推导控船片体首部水平销轴，此时组合船分体，软连接通过2艘船相对运动及液压推动装置可以进行伸缩作业。软连接被拉伸出来后，软连接带高度的2/3部分浸入水中。根据溢油范围和水流情况，动态调节软连接伸出的长度，此时形成以船体和软连接构成的移动式、导控长度可调节的溢油导控设备。远离溢油水域一侧的软连接不被拉出，防止水流阻力过大影响船舶侧向推进效果。

图6 溢油自主导控系统工作示意图

然后，吊舱推进器进行侧推导控溢油，通过船身以及软连接将溢油推至岸边或缓流水域，在岸边或缓流水域使用溢油回收装备协助溢油回收。该系统可根据溢油带的范围、水流的情况进行单船、双船导控模式的选择，还可根据环境变化情况进行导控长度、导控系统与水流的夹角、导控速度的自适应调节，减小了围油栏直接挡水产生的较大阻力，并可将溢油有效地控制在一定水域，不随水流快速分散。

2 仿真试验分析

2.1 溢油模型建立

建立溢油水动力模型，对内河水域某一河段溢油进行水动力的数值模拟仿真[8-9]。

1) 漂移模型。假设溢油由许多独立油粒子组成，可将每个油粒子看作拉格朗日粒子。溢油粒在t时刻的位置分量用xt表示。

xt=xt-1+ΔtUoil

(1)

式中：Δt为时间步长，s；xt-1为t-1时刻溢油粒位置，m；Uoil为溢油粒漂移速度，m/s。

2) 分散模型。Udd和Vdd表示扩散速度东、北方向分量，单位均为m/s，定义如下

(2)

式中：Dx为东西方向水平扩散系数，m2/s，取为1.33；Dy为南北方向水平扩散系数，m2/s；Δt为时间步长，s；r为随机系数(-1～1)。

3) 扩展模型。扩展模型用于计算表面溢油扩展面积，溢油蒸发、溶解、分散和光氧化作用所占比例受溢油扩展面积所影响。扩展是由重力、惯性力、黏度、表面张力等因素相互作用产生的。

假定超过90%的油团为厚油膜。厚油膜表面积变化速度(m2/s)定义如下

(3)

式中：Atk为油膜表面积，m2；k1为扩展速度常数，1/s；Vm为油膜体积，m3；t为时间，s。

2.2 内河溢油导控作业模型

运用内河溢油导控系统进行溢油导控作业时，需要考虑溢油导控系统与水流方向的夹角，可按式(4)求解

(4)

式中：a为导控系统与水流方向的夹角，(°)；v为流速，m/s。

溢油导控作业距离应根据河段水域水面平均宽度和平均流速计算，计算式为

(5)

式中：L1为溢油导控作业距离，m；B为水面平均宽度，m；v为平均流速，m/s。

2.3 仿真实验结果

如图7～图10所示，选取长江某段水域进行溢油导控仿真实验，水域流速约2.0 m/s，江面宽度150 m时，泄露油品量为2 t，需进行15 min导控作业，实际导控作业距离为860 m，导控系统与水流角度控制在10°以内，可将溢油导控于缓流区域。

图7 内河溢油泄露扩散示意

图8 不采取导控措施10 min后溢油扩散示意

图9 溢油泄露使用导控系统示意

图10 溢油泄露15 min后导控示意

2.4 仿真实验分析

该导控系统可对溢油进行有效地导控，并且配合溢油回收设备进行回收。由于水流环境的影响和溢油导控系统的局限性，仍存在一部分溢油未被完全导控，导致一些溢油逃出导控装置。但相比于传统拖船顶流拖带围油栏的方法而言，该系统采用侧推导控，围油栏所受水流阻力减小，围油效率提高。如果外界环境影响较大，水流阻力可接受的情况下，可同时释放2个片体的双软连接部分进行导控，可提高溢油导控回收效率。

3 结语

本文综合考虑了溢油自主导控系统功能、作业模式等问题，对系统进行整体设计，并基于水动力模型，对内河水域溢油自主导控进行了模拟仿真，验证了系统的导控效果。与现有的内河溢油围控回收方式相比，本系统能够在较短时间内对溢油进行导控，可更好地适应外界环境，减小水流阻力对溢油导控回收的影响，并可根据溢油带的范围、溢油分布情况等进行导控方式、速度等自适应调节，为内河水域溢油围控回收的进一步研究提供了良好的开端。

在目前研究的基础上，后期需对内河溢油自主导控系统的操作控制模式作进一步的分析和研究，提高系统的可控性和可靠性，并结合水流特点提出系统作业限制条件。

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