船舶近体应急围油栏的设计与研究

侯恕萍，王钦政，张俊，于海洋，黄卫联

船舶近体应急围油栏的设计与研究

侯恕萍1，王钦政1，张俊1，于海洋1，黄卫联2

为解决现有船载围油栏的溢油围控面积较大和布放操作不便捷的问题，针对常见工况设计船舶近体应急围油栏，说明该装置的结构组成和功能，并通过仿真分析进行磁吸附方案的优化设计，结果表明船舶发生破损溢油事故后，船舶近体应急围油栏能迅速地完成布放，把溢油等漂浮污染物围控在船体周围较小范围内。

船体破损溢油；近体应急围油栏；电磁吸盘；仿真分析

船舶在航行中，尤其在航道、港口等船舶通行密集的水域内，发生碰撞破损事故的概率较高。在船体破损处应急封堵完成之前，破损处常伴有内部油液或含油压舱水泄漏，并沿破损处流入水域大面积扩散，对水质造成严重污染，同时对后期清污带来较大难度，甚至对水域造成不可逆转的污染。常规船载应急围油栏因其结构功能和使用方法上的特点，适用于水面溢油扩散后的拦截和围聚，但该片水域已经受到了严重污染。针对上述问题，研究设计了船舶近体应急围油栏，其两端固定于外船体，可将船体破损处相对较小范围内的水域围控起来。该装置既能配合船体破损处应急封堵工作，实现船舶近体应急围控溢油，又能配合船舶正常维修时的防污染工作使用。其布放速度快，围油面积小，吃水深度大，能最大程度地减小溢油对水域的污染影响。目前国内外针对船体破损溢油围控的专业方法、产品很少，在专利资料中，侯恕萍等[1]提出了一种船体破损溢油近体应急围油栏，Ira Wayne Mosley[2]提出了一种oil slick barrier device(浮油屏障装置)，二者均一定程度上表现出了“船舶近体围油”的特性，在溢油源头将其围控在船体附近，阻止其大面积扩散。继续探究和完善这种“船舶近体围油”思想、方法，并研究设计船舶近体应急围油装备是很有工程应用价值的。

1 工况分析

船舶碰撞事故可能造成船体破损溢油。为及明、有效地处理这种溢油事故，船舶必须配备必要的溢油应急设备、材料[3]。在航道、港口等船舶通行密集的水域内，船舶碰撞事故易发，但由于船速较低、风浪较小，碰撞大多只造成轻度船体破损和溢油事故，所以本文设计的船舶近体应急围油栏作为船载溢油应急装备，主要用于轻度船体破损和溢油事故的应急处置。水域工况参数见表1。

表1 船舶近体围油栏适用水域波浪参数

参考中华人民共和国交通行业标准《围油栏》及《溢油应急培训教程》的要求[4]，设计船舶近体应急围油栏的性能参数，见表2。

表2 船舶近体应急围油栏性能参数

2 船舶近体应急围油栏的结构功能

船舶近体应急围油栏的结构组成和工作状态如图1所示，其由近体围油栏和吊放装置两部分组成。

2.1 近体围油栏

近体围油栏，顾名思义就是靠近外船体使用的围油栏，其由围油栏主体和船体连接装置组成，如图2所示。围油栏主体用于围控溢油，其两端的船体连接装置用于与外船体连接固定。

2.1.1 围油栏主体

常规围油栏主要由浮体、裙体或挡油屏体、配重体、加强带、支撑件、绳索及连接件等组成[5]。现有常规围油栏整体上是软体的，在急流水域采取的用法是两端锚固布放被动拦截浮油，在开放水域采取的用法是两端栓固于拖船上主动围控浮油。如果采用常规围油栏作为近体围油栏的围油栏主体，由于其两端固定在同一艘船上，其整体围控形状可能会在风浪的作用下发生变形，甚至使围油栏贴附于船体，失去围油能力。

为解决上述问题，设计了一种硬体单元式可自维持整体围控形状的围油栏主体结构。

如图2所示，围油栏主体由两组硬体结构单元铰接组成，每组4个单元，其两端各铰接一个船体连接装置。每个硬体结构单元由长方形硬体框架、双层耐油布及其中间的条状固体浮子组成。每组硬体结构单元中的每两个单元之间通过板弹簧组件和拦油布连接。这些板弹簧组件两端均为铰接，可以使近体围油栏各硬体结构单元相互之间的运动受限，使围油栏整体具有自维持圆弧形围控形状的能力。近体围油栏受风、浪、流等外力后，整体上会产生弹性变形，减缓冲击，外力撤去后恢复原形，如图3所示。

板弹簧铰接处配有快速锁紧销，可快速装卸，其卸下后，各硬体结构单元可以相互折叠起来存放，在最大程度减小近体围油栏的储存占用空间的同时，缩短其使用时的布放时间。

板弹簧铰接处配有快速锁紧销，可快速装卸，其卸下后，各硬体结构单元可以相互折叠起来存放，在最大程度减小近体围油栏的储存占用空间的同时，缩短其使用时的布放时间。

2.1.2 船体连接装置

如图4所示，船体连接装置由固定支架、滑动支架、转动支架、吸盘、磁轮和折叠拦油布等组成。一侧与外船体连接固定，另一侧与围油栏之间按图5所示的具有3个自由度的机构运动副连接，使围油栏具有波浪随动及缓冲能力。

对于船体连接装置的连接方式，考虑采用可控且对船体无损的连接方式。首先考虑真空吸附方式。真空吸附技术是利用压缩空气通过特殊的气动装置产生真空进行吸附的一种技术，真空吸附系统由真空发生器、吸盘、管路组件和控制器组成[6]。船体结构钢一般分为一般强度船体钢、高强度船体钢、低磁船体钢和海上石油平台用钢[7]，绝大多数中大型船舶采用的都是前两种船体钢，所以可以采用电磁吸附方式。电磁吸附技术是利用通电后的线圈所产生的磁力线通过铁磁工件而吸紧。考虑船舶近体应急围油栏的应急特性，电路响应速度远高于气动响应速度，所以选定电磁吸附方式作为船体连接装置连接的实现形式。

图4中每个磁轮连接于一个可控运动摆臂的末端。如图6所示，磁轮的作用在于使船体连接器像爬壁机器人一样沿着船体侧壁进行吊放和回收，其到达指定位置后，控制磁轮摆臂背向船壁摆动，电磁吸盘便贴近于外船体表面，随后对电磁吸盘通电进行吸附。这使近体围油栏的吊放操作更加简便可靠，消除了电磁吸盘通电瞬间与船壁的撞击。在电磁吸盘断电后，控制磁轮摆臂面向船壁摆动，克服电磁吸盘的剩磁力使其抬离船壁，便于近体围油栏的吊起回收。

2.2 吊放装置

船舶上的工作人员无需下水，在甲板上通过吊放装置就能完成近体围油栏的布放和回收工作。如图7所示，吊放装置为一个下有轮子的可移动箱体，箱体内为可伸缩吊臂、托板、托板架、托板架举升臂和电磁吸盘等组件。吊臂上滑轮绳组与托板、托板架和船体连接装置各连有一根绳索。托板为导磁钢板，可在托板架上滑动。

工作流程：将吊放装置移动到船舷边预定位置，将其内的电磁吸盘通电吸附于甲板上；将船体连接装置电磁吸盘通电吸附于托板上；将托板架吊至竖直状态，同时移动托板架举升臂使托板面与船壁面对齐；将托板向下滑动使其接触到船壁面；将船体连接装置电磁吸盘断电，释放绳索通过磁轮的吸附作用使其紧贴船壁面向下行进至预定位置；控制磁轮摆臂背向船壁摆动，将船体连接器的电磁吸盘贴紧于船体侧壁，随后对电磁吸盘通电吸附于船体。

每个吊放装置负责一侧的船体连接装置的吊放工作。平时吊放装置的托板处于水平状态，箱内空间用于存放船体连接装置和折叠状态的围油栏，减小了整个装置的储存占用空间，轮子的存在增加了其便携性，底部的电磁吸盘增加了其工作时的稳定性，见图7。

3 仿真分析

3.1 电磁吸盘排布方式的选择

设计出两种吸盘排布方案，见图8。图8a)为4个大吸盘吸附方案，图8b)为每组4个小吸盘共4组吸盘吸附方案，磁极交替排布。

利用ANSYS Maxwell软件进行两种吸盘排布方案的磁力仿真。初始条件为：每个大吸盘单独的最大电磁力是每个小吸盘单独的最大电磁力的4倍，每个大吸盘的吸附面积是每个小吸盘的4倍。磁感应强度分布情况的分析结果如图9所示，经软件计算，两种吸盘排布方案中后者的总磁力比前者大，所以本设计采用图8b)所示方案。

3.2 围油栏板弹簧组件结构仿真分析

围油栏主体结构中，围油栏硬体单元间连接的板弹簧组件为关键受力结构，利用PTC Creo系列软件对该结构进行建模及结构应力分析。

由于各板弹簧端部均为铰链连接且轴线相互垂直，所以各板弹簧应力分布情况取决于所受力的方向或力矩的平面方向。整个组件两端各连接一个围油栏单元框架，由于波浪和水流的特性，每两个围油栏单元的相对运动很复杂，所以整个组件的每个板弹簧都会承受复杂的载荷，没有明确的载荷分布趋势。为简化分析过程，静力分析时固定模型右侧的围油栏单元框架，在左侧的围油栏单元框架截面上施加水流阻力，该力由下面的公式得到。

其中：ρ为水密度；v为相对速度。

围油栏整体形状为半圆柱面，取阻力系数Cd=0.4，动压p=1 000×0.42÷2=80 Pa，参考面积随波流方向变化而变化，Smax=吃水×直径=0.9×15=13.5 m2，所以阻力Xmax=432 N。

分别在水平面内垂直于船体表面方向和平行于船体表面方向加载432 N进行应力分析。分析结果显示，每个板弹簧靠近端部铰链附近的位置应力相对较大，最大值为40 MPa左右，铰链轴上的最大应力值达到70 MPa。围油栏板弹簧组件中板簧材料为65Mn钢板。65Mn钢的拉伸强度为100 MPa，屈服强度为80 MPa，远低于轴用结构钢。为了增加板弹簧结构安全性，在设计上应对其靠近端部铰链附近位置局部进行加厚或加宽，在保证一定的整体韧性的情况下，提高板簧重要位置的强度。

4 结论

本文设计的船舶近体应急围油栏，在功能上解决了现有船载应急围油栏围控面积过大且布放操作不够便捷问题。综合考虑了储存、运输、布放、回收等过程对船舶近体应急围油栏进行功能设计，在结构上采用了一体化设计，并且对关键结构或部件进行了仿真分析。与现有类似设计相比，本装置结构更简单可靠，功能更完善实用，为船舶近体围油技术和装备的进一步研究提供了良好的开端。

在船舶近体应急围油栏的设计和研究过程中，也遇到了一些问题，主要是船体表面平整度、粗糙度和附着物等对装置功能和性能的影响，需要作深入的分析和研究。

随着海洋开发程度的不断扩大，船只数量不断增加，人们对船舶应急装备的数量和质量的需求也不断增大。本文设计和研究的这种船舶近体应急围油栏，在海洋工程领域具有重要的实用价值，对以后更高效便捷的船舶应急装备的研制具有参考价值。

关于船舶近体应急围油栏的下一步研究工作主要包括：深入研究水域工况和船体自身条件对技术装备功能和性能上的影响；完成试验样机的设计和制造并对重要部件进行实验测定；进行设计工况条件下的海试，验证装置功能和性能；将试验结果与仿真分析结果进行比较分析，进行结构和功能上的优化改进等。

[1] 侯恕萍,王钦政,张俊,等.船体破损溢油近体应急围油栏：CN205000313U[P].2016-01-27.

[2] Ira Wayne Mosley. Oil slick barrier device[P]. United States:US006024512A,2000-02-15.

[3] 刘宗江,匡焕勤.船舶配备溢油应急设备、材料的经济选择[C].中国航海学会船舶防污染专业委员会.船舶防污染经济研讨会论文集.中国航海学会船舶防污染专业委员会,2002.

[4] 中华人民共和国海事局.溢油应急培训教程[M].北京：人民交通出版社,2004.

[5] 张勤,孙永明.海上溢油围油栏研究现状[J].绿色科技,2015(4):284-285+289.

[6] 田静眉.真空吸附式壁面清洗机器人结构设计与研究[D].成都：西南交通大学,2013:20-22.

[7] 林云辉,武晶,李月祥，等.我国船体结构用钢及其标准的发展[J].船舶标准化与质量,2000(1):22-24.

(1.哈尔滨工程大学 机电工程学院，哈尔滨 150001；2.天津神封科技发展有限公司，天津 300308)

Design and Research of Shipborne Lash-up Oil Booms Laid Close to the Broken Hull

HOU Shu-ping1, WANG Qin-zheng1, ZHANG Jun1, YU Haiyang1, HUANG Wei-lian2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China;2.Tianjin Shenfeng Science and Technology Development Co., Ltd., Tianjin 300308, China)

The existing shipborne oil booms can control the oil spreading in a large area, but it is inconvenient for laying. A new type of shipborne lash-up oil booms laid close to the broken hull was designed in light of the common working condition. The structural configuration and functions of the device were presented, as well as the optimal plan of the electromagnetic chuck by simulation analysis. This device could quickly put the spilled oil and other pollutants floating surrounded around the hull limited within the scope of control, prevent oil from spreading to a larger area.

hull damage with oil spill accident; lash-up oil booms laid chose to the broken hull; electromagnetic chuck; simulated analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.037

2016-05-30

国家科技支撑计划(2014BAK05B00)； 哈尔滨市自然科学基金(2013RFQXJ091)

侯恕萍(1972—)，女，博士，副教授研究方向:水下作业技术与装备

U698.7

A

1671-7953(2017)01-0148-05

修回日期：2016-07-15