移动式沉潜油回收装备研究

李国斌，孙志辉，周董明，吕天帅，周 岩

（青岛欧森系统技术有限公司，山东 青岛 266071）

1 研究内容

为了进行有效的沉潜油回收处置，文章以“研发一套小型快速反应沉潜油移动回收装备，其依托母船进行工作，可以对海底或围控后成稳定状态的固相、液相沉潜油进行高效率回收清除”为目标，以达到最大深度为30m、最大作业半径为50m、可处理沉潜油油量为60m3/h以及回收率不小于70%的考核指标。

2 各单元试验

研究人员以工作母船作为载体，设计了由前端集油装置、高效吸油泵、沉潜油回收控制系统、零浮力缆、卷缆架等关键装置组成的沉潜油移动回收装备。在作业时，通过母船上的吊机将前端集油装置、高效吸油泵及输油管路布放到水中，由安装在母船甲板上的沉潜油回收控制系统和动力单元对其进行操控。以下介绍具体的装备结构信息。

2.1 前端集油装置

前端集油装置主要由收油头、水下载体、集成附件（深水摄像头、LED照明）等组成，被设计为可通过遥控或潜水员2种形式进行操作。其主要结构设计、选型包括如下方面。

（1）收油头（见图1）。收油头的功能是收集水中的半潜油或沉到海底的沉降油。为提高吸附面积，收油头的前端集油口1设计成喇叭口形式，在集油口内设有隔栅5，防止大块沙石进入输油管，阻塞管道。考虑到沉降到海底砂石上的溢油，集油口前方设置滚刷2，能够将附着到海底砂石上的溢油清除下来，直接送到输油管吸口3，黏附在毛刷上的溢油则由输油管前端的刮油板4刮下。

图1 收油头结构图

（2）滚刷驱动电机的设计选型。滚刷在水下旋转运动，旋转速度n=100r/min，滚刷半径R=100，其中无刷丝部分半径r=40mm，则其所需要的电机力矩按式（1）计算。

式中：M为电机所需提供的力矩，Nm；MV为滚刷滚动时水的黏滞阻力矩，Nm；Mf为滚刷与砂石的摩擦阻力矩，Nm；MG为滚刷的惯性力矩，Nm。

最终计算得：M=4.32Nm

则电机功率P=2πnM/60=90W

根据计算选取无刷力矩电机型号TBSM60-50A27，选用减速比为1∶20的行星减速器60-L2。

（3）滚刷摆动电动推杆的设计选型。在处理海底砂石上的沉降油时需要用滚刷回收。针对半潜油时可以直接用集油口回收，这时为了扩大集油面积，提高集油效率，滚刷就需摆动到集油口上端，让出集油口位置，这个动作需要采用电动推杆来实现。根据相关力学模型分析（见图2），计算得出电动推杆推力F。

式中：G=70N；L1=0.086m；L2=0.187m。计算得出F=152N。

取安全系数5，测量电动推杆行程小于65mm，电动推杆最终选型推拉力1500N，行程100mm。

图2 滚刷电动推杆的力学模型

2.2 水下载体

水下载体是沉潜油回收装置水下主要承载部件，前端连接收油头，后端连接船上输油管，自身还集成了水下摄像头、LED灯、水下推进器、潜水员操作手柄等。

（1）结构设计。沉潜油回收装置在水下的移动速度不宜太快，选择在0.5m/s；结构强度符合水下30m要求，材料具备抗海水腐蚀性。连接收油头、输油管及自身附件后，整体所受重力和浮力相等且重心（Xg、Yg、Zg）和浮心（Xc、Yc、Zc）在同一铅垂线上，即Xg=Xc，Zg=Zc。为了保证载体的稳定平衡状态，其浮心必须低于重心。这样，当载体受到海流作用而倾斜的时候，就会自动产生一个复原力矩，使载体回到原来的平衡位置。对于整套系统而言，采用模块化的组装方式，先对分系统进行重心分析及浮力配平操作，然后对总系统进行浮力配平。由模型软件直接计算得出水下集油装置参数：质量=92988.24g；体积=91478175.50mm3；表面积=13184274.85m2；静稳心高h=Yc-Yg=79.53mm。依据以上要求，结合沉潜油回收的实际工况，进行整体结构设计（见图3）。

图3 沉潜油回收装置结构设计图

（2）推进器的设计及功率选择。水下载体由于本身重量太大，潜水员很难在水下自如操作，需要推进器辅助。设5台推进器（选择正反转能提供推力13kgf的水下推进器），升降动作1台，前后及转向动作4台。

第一，前进运动方向。迎水阻力面积，由软件计算得出迎水面积s=0.372m2。水阻力按式（4）计算。

带入数值，计算可得：F正阻=0.5×1025×1.5×1.5×0.372×1=428.963N，即F正阻=42.9kg。

前端集油装置能提供最大前进推力F正推=F1×-cos20° +F2×cos20° +F3×cos20° +F4×cos20°。带入数值可得：F正推=13×cos20°×4=48.86kg＞F正阻=42.9kg。故选用4台水平推进器能够满足前进推进动力。

第二，横移运动方向。迎水阻力面积，由软件计算得出迎水面积s=0.592m2。水阻力按式（4）计算。带入数值，计算可得：F侧阻=0.5×1025×0.6×0.6×0.592×1=109.3N，即F侧阻=10.9kg。前端集油装置能提供最大横移推力F侧推=F1×sin20° +F2×sin20° +F3×sin20°+F4×sin20°。带入数值，可得：F侧推=13×sin20°×4=17.79kg＞F侧阻=10.9kg。故选用4台水平推进器能够满足横移推进动力。

第三，上升下降运动方向。迎水阻力面积，由软件计算得出迎水面积s=0.7058m2。水阻力按式（4）计算。带入数值，计算可得：F浮阻=0.5×1025×0.5×0.5×0.7 058×1=90.43N，即F浮阻=9.43kg。前端集油装置能提供最大上升推力F浮推=13kg＞F浮阻=9.43kg。故选用1顶升推进器结构满足上升推进动力需求。

2.3 集成附件

除了收油头，水下载体上还集成了为完成沉潜油回收作业所必需的其他附件（见表1）。

2.4 沉潜油回收控制系统

沉潜油回收控制系统能够实现远程控制操作前端集油装置及高效吸油泵对沉潜油进行自动捕捉和变频收集。通过沉潜油探测器对沉潜油的精准定位，可驱使前端集油装置捕捉沉潜油（需借用北海分局现有SEAWOLF 5 ROV的USBL进行前端集油装置的水下定位）；通过控制单元控制前端集油装置的各种动作并接收、显示各动作状态信号；通过控制单元接收沉潜油探测器信号并判断沉潜油量大小，相应调节变频器以控制吸油泵流量大小，实现变频收集的功能。

表1 沉潜油回收作业的必要附件清单

2.5 油水初分离装置、卷缆架

油水初分离装置安装在母船载体上，可将回收的含水沉潜油进行初步分离，分离效率约80%。卷缆架用于储存和布放零浮力脐带缆，手动控制。

3 系统试验

在完成了对沉潜油回收系统各单元的试验后，进一步对整套系统进行了试验，试验内容主要包括空载运行试验、海域试验和负载试验。空载运行试验结果表明，前端集油装置在水下的运行状态平稳，控制系统对该装置的控制灵敏性、准确性及状态回馈性能良好，动力单元稳定可靠。海域试验结果表明，控制沉潜油回收装置收油头的各项动作（如毛刷摆动及转动等）均能够在受控下顺利完成。负载试验结果表明，在试验现场对指定预设沉潜油目标进行回收试验时，该沉潜油回收装置均具有达到设计标准的回收效率。

4 研究结论

目前，研究工作进展顺利，均能够按照研究进度计划按时完成。在已有研发成果的基础上，计划开展的下一步工作如下：（1）按照已完成的沉潜油移动回收装置的详细设计方案开展样机的试制工作；（2）样机试验完成，模型方案经修正后，立即依据课题组提供北海分局现有SEA-WOLF 5 ROV开展搭载ROV详细改装设计及工程；（3）围绕已编制完成的移动式沉潜油移动回收装备设计方案为主体，结合样机试制及试验中发现的问题，完善目前的详细设计方案。（4）准备沉潜油移动回收装置的相关试验。