码头装卸油作业防溢油方案实施优化

谢飞

中海石油（中国）有限公司崖城作业公司

溢油事故将导致生产停止，造成环境破坏、经济损失和损害企业声誉，因此，预防和控制溢油事故具有重要意义。围油栏广泛应用在海上溢油应急处理中，在海洋船舶溢油、钻井平台漏油等事故中发挥了重要作用[1]。油品属于危险化学品[2]，港区、装卸站须根据规定采取适当的装卸作业隔离措施[3]，码头装卸油作业防溢油污染制定的一项重要预防举措是布放围油栏[4]。南山终端码头布放30 m/节的围油栏共7节，油品装卸作业时，每次布放、回收和清洁围油栏1次，需要大量人员和工作艇协助，布放、回收中难免有围油栏在码头上磨损和碰伤，回收时围油栏携带大量海水或油污，为避免围油栏及围油栏液压卷绕机[5]的腐蚀，作业完成后逐节拆除围油栏、平铺放在地面上翻转两面清洗，工作时间长、劳动强度大且浪费淡水资源，连续装卸油作业时还无法及时清洗，导致每年围油栏的维护费高居不下。作业受天气影响严重，遇雷电风雨或大浪时，应立即停止作业或油轮及时离港[6]，码头与油轮之间的油流通道通常选用橡胶软管[7]，软管的各工况载荷-变形率曲线存在明显的非线性特性，拉伸刚度与弯曲刚度随载荷增大而减少[8]，软管在扭矩、摩擦和挤压作用下，折断、破裂泄漏的风险较高，且磨损的软管无法保障安全，需要每年更换软管。

图1 传统围油栏布放和回收示意图Fig.1 Schematic diagram of traditional oil boom deployment and withdrawing

1 传统收放

装卸油作业时，围油栏传统布放、回收方法如图1所示，码头A、B两端围油栏固定点1和2都安装有高于海平面的工字滑轨，滑轨靠码头岸边垂直伸到海面下2 m多深，围油栏的潮汐增补浮子活动卡套在滑轨上，浮子在滑轨上随波涌动而上下浮动，使连接在浮子上的围油栏始终漂浮在海面。围油栏液压卷绕机在B端由液压电动机驱动放出围油栏至海面，工作艇在海面沿油轮外侧至航标方向牵引拉直被放到海水里的围油栏，折转到A端固定点2，在工作艇上连接围油栏与潮汐增补浮子，再把浮子装在滑轨上并滑到海里。为防止海面的围油栏漂近油轮卷入船底，工作艇回到围油栏中部位置，拉一条张力绳系在500 m以外的航标上，再返回码头B端固定点1处连接围油栏和浮子，并卡套在滑轨上。围油栏和码头A、B形成封闭的隔离作业区域，防止泄漏在海面的油品扩散而造成污染。回收围油栏时，工作艇先到码头B端海面固定点1处，解开围油栏与浮子连接卡扣，拉起浮子分离滑轨，工作艇转至航标处解开系张力绳，再到固定点2处分离围油栏、浮子和滑轨，以点1为圆心工作艇沿油轮外侧向码头C端方向拉直围油栏后，B端液压卷绕机再回收海面上的围油栏。

2 缺陷分析

（1）围油栏的布放、回收工作需要大量人员和工作艇辅助，受天气和海况的影响严重，人员在工作艇上工作时间长、劳动强度大，落水、受伤或工作艇倾覆沉没的风险较大。

（2）布放、回收需要4～6人用手托起输送围油栏，都无法避免围油栏在码头上的摩擦、划伤，人员站在岸边作业存在落水风险。

（3）装卸油作业中，输油软管与油轮连接后，软管在码头与船之间的跨度处折叠扭曲，船在海面的晃动拖拽，软管受扭矩、摩擦和挤压作用，有破裂和折断风险。

（4）装卸完成后，围油栏无法及时清洗，继续作业时未清洗的围油栏会重复使用，腐蚀严重，清洗需投入大量的人力和时间。

3 方案优化

3.1 过程优化

改变围油栏的固定点，使布放、回收工作不需工作艇协助，所有作业转移到岸上完成。如图2所示，液压卷绕机放到A端，工字滑轨伸长与码头平面平齐，围油栏固定点从1点移到3点，固定点2不变，张力绳在航标上的固定点转移到岸边4点。布放围油栏时，卷绳绞车放在码头C端固定点3，从卷绳绞车上拉一条牵引绳沿岸边绕过油轮外侧（由船上水手完成）到固定点2，连接液压卷绕机上围油栏的首端和中间张力绳的绳头，启动液压卷绕机放在海面划行到码头C端，张力绳另一端系在第2节与第3节围油栏的连接扣上。围油栏在海面被拉到固定点3后，岸上人员提起围油栏解开牵引绳，连接浮子卡套滑轨并放到海里，沿码头C端拉张力绳到固定点4系好。连接最后一节围油栏尾端和浮子并装卡滑轨上并滑到海面，围油栏在固定点和张力绳相互作用下隔离作业区域。

回收时，在岸上先沿滑轨拉起浮子，解开围油栏，松开固定点4张力绳的系点，并缓慢放松，A端液压卷绕机便可完成回收作业。

改变围油栏张力绳的固定点，利用绳索和气动绞车在岸上替代工作艇在海面牵引围油栏，省去工作艇在海面的拖拽和人员在工作艇上连接安装浮子和滑轨，所有作业都在岸上完成。

图2 优化改进的围油栏布放回收示意图Fig.2 Schematic diagram of optimization and improvement of traditional oil boom deployment and withdrawing

3.2 辅助装置设计应用

3.2.1 卷绳绞车

油品装卸区域应采取防爆措施，选用防爆设备。卷绳绞车利用气动电动机驱动滚筒，用换向阀控制气动电动机正反转[9]实现绳索的收放，用作围油栏在海面上划行的牵引力，漂浮在水面的围油栏受重力、浮力、波浪力、风力、摩擦阻力以及牵引绳的拖拽力等共同作用，解算需建立数值模型和仿真模型[10]，气动电动机功率选型最简单的方法是参考围油栏的设计计算数据。卷绳绞车由气动电动机、滚筒、换向阀和支架组成。此工具操作方便省力，还可以收集存放绳索。

3.2.2 围油栏快速收放清洗装置

为保护围油栏在布放、回收和存放过程中不受损伤，设计出操作方便的围油栏快速收放清洗装置，可辅助布放回收的同时又能用淡水自动清洗围油栏。如图3所示，装置由底座支架、角度调节支架、滚筒、立柱滚筒和上、下清洗水管组成。底座支架支撑滚筒和角度调节支架，角度调节支架调节范围在0°～85°，根据实际工作要求调节；滚筒由钢材、轴及轴承组成，用于输送保护围油栏，立柱滚筒用于防止围油栏跑偏。清洗装置由上、下两条清洗水管和外接水管组成，从上、下两个方向喷水两面清洗围油栏，清洗水管上有喷水小孔，设计时保证冲洗处形成连续水幕便可，调节喷水管连接螺纹的松紧可改变水幕喷射方向。清洗水源为淡水，用快速接头连接接入，清洗水量用接入管线上的球阀调整。

该工具操作简便，围油栏在支架与海面的高度上悬空，围油栏在角度调节支架滚筒上因悬空段重力作用滑到海面，角度调节支架控制滑落速度，装置滚筒因围油栏滑动摩擦而转动，因摩擦很小不会对围油栏造成损害。回收时液压卷绕机只须克服悬空段围油栏的重力和围油栏在海面的阻力，就可拉起回收海面上的围油栏。

图3 围油栏快速收放清洗装置Fig.3 Oil boom quick device of deployment withdrawing and cleaning

围油栏穿过快速收放清洗装置，水管两面喷水自动清洗。围油栏需要清洗的原因是：没有发生油品泄漏，清洗围油栏携带的海水，用淡水冲洗便可，清洗后污水可直接排放；发生了油品泄漏，清洗围油栏表面吸附的油污和携带的海水，把快速收放清洗装置放置于容器中，清洗水管上增加1个人字形挡水盖导流飞溅污水，另外清洗水源接口处接入1台油污清洗剂的虹吸泵，调整清洗水流喷射方向，清洗后污水应作回收处理[11]。使用该工具无需后续的人力投入，清洗淡水用量少，减少滚筒液压电动机运行时间，节省燃油和淡水消耗，避免作业完成后逐节拆除放出围油栏两面清洗后再回装的重复工作，延长了围油栏的使用寿命。

3.2.3 软管保护支架

码头装卸油是通过软管或输油臂与船连接输油，输油软管一般有橡胶软管和复合软管两类[12]，软管主要承受重力、内油压、拉伸、扭转弯矩、动力弯曲等作用[13]。据某石油化工报统计，130条橡胶软管中有92条为外壁损坏，占71%，9条报废复合软管中5条为外壁损坏，占33%，外壁损坏的主要原因是老化或外力作用[14]。对造成溢油事故的基本事件的概率重要度和关键重要度分析发现，降低外力破坏管线能够迅速降低溢油事故，且采取措施较为容易[15]，因此，避免软管受应力折断、摩擦磨损或挤压破裂，通常采用船上吊起软管的方法，但需要船上有固定吊点，而此方法无法解决软管在地面滑动产生的摩擦，软管在吊点受到剪切应力容易折断，在码头和滑轮之间的间隙处软管弯曲下垂易受挤压破裂。

如图4所示，输油软管保护支架可保护输油软管在布放、回收及作业过程中不受损伤。

图4 输油软管保护支架Fig.4 Oil hose protection bracket

该工具长度与装卸码头防碰垫尺寸、油轮吃水深度及装卸期潮汐幅度、软管受到拉伸时的轴力轴向变形和内压轴向变形[16]、承压弯曲半径等因素有关。设计和使用时，保证软管在保护支架上的卷绕段的绝对伸缩长度大于或等于装卸过程中软管因外部环境变化而发生的位移变量即可，即软管在保护支架上的弯曲长度与保护支架长度之间的绝对值差值，大于油轮装卸时因海水潮汐幅度、吃水深度变化以及油轮摇摆晃动的幅度所需要软管的位移长度。油轮装载或海水落潮时，弯曲在保护支架上的部分软管被拉直；油轮卸载或海水涨潮时，弯曲在保护支架上的部分软管被压缩；油轮摇摆晃动时，软管同时受拉直或压缩两种力作用，弯曲在保护支架上的软管随滚筒移动，摩擦较小。软管被支架支撑不需吊起，悬空段缩短，避免软管在地面的滑动擦伤和被吊带吊起，同时也避免被油轮挤压的可能。该工具使用后软管仅限在年度压力测试和老化中报废，或因支架损坏后磨损，未出现软管磨破现象，延长了软管的使用寿命。

4 效益评价

对优化前后各300多船次的装卸作业时间、人力投入及油水消耗进行了统计，其平均值核算结果见表1。

从表1可以看出，优化后的作业可减少作业时间2.5 h、操艇时间4 h，节省艇燃油32 L，节省劳动力5人。

使用气动卷绳绞车牵引围油栏，可省去4人的绳索收放工作和工作艇在海面牵引围油栏，使用围油栏快速收放清洗装置，保护围油栏在布放、回收过程中不受损伤，围油栏布放、回收方便可靠，清洗及时轻便，避免海水或油污对液压卷绕机及围油栏造成损害。整个放、收、清洗过程与之前相比，实现放、收、洗一体化、自动化，可节省6个劳动力协助作业和10人10 h的清洗工作，每次节省清洗淡水量4.6 m3，液压卷绕机工作时间缩短12.5 h，油耗减少50 L，据统计围油栏由每年平均消耗3～4条减少到5年消耗1～2条。

输油软管保护支架因改善了软管工作环境使软管的使用寿命从1年延长到3～5年，避免了输油软管因磨损而疲劳损坏或泄漏，造成海面污染。

表1 优化前后统计结果对比Tab.1 Comparison of the statistical results before and after optimization

5 结束语

（1）改变围油栏固定点，把海面操艇协助收放围油栏优化为岸上作业。

（2）设计辅助工具协助作业，实现作业机械化，减少作业人员和作业时间，节省燃油和淡水资源，延长围油栏使用寿命。

（3）设计和制作输油软管保护支架，延长软管使用寿命，降低泄漏污染风险。

码头装卸油作业的主要风险在于火灾爆炸、油品泄漏和人员作业安全，在确保安全的同时，通过各种方法优化码头装卸油作业防溢油方案，使装卸油作业在安全环保、工作效率等方面得到有效的提高。