全液压驱动船用双臂架溢油回收机研制

2017-11-07张德文邹云飞宋志国

中国航海 2017年1期

关键词：回收机溢油液压

张德文，邹云飞，张鹏，宋志国，丁敏

(交通运输部水运科学研究院，北京 100088)

全液压驱动船用双臂架溢油回收机研制

张德文，邹云飞，张鹏，宋志国，丁敏

(交通运输部水运科学研究院，北京 100088)

研制全液压驱动船用双臂架溢油回收机，主要由收油头、动力站、管路系统、电气控制柜、无线遥控器、卷管架及储油罐等部件组成。回收机采用船舶柔性侧挂四连杆同步定向、收油带线速度与水流速度及油膜厚度匹配、集油井油水界面检测与输油泵自动控制等关键技术，并进行回收机的实验室试验和海上试验。试验结果显示，回收机的回收速率可达237 m3/h，回收效率可达97%，输油泵排出来的垃圾碎屑最大尺寸≤35 mm。

船舶工程；溢油；回收机；回收速率；回收效率

Abstract: The full hydraulic marine skimmer with sweeping arm is mainly composed of oil recovery head, power pack, pipeline system, electric control cabinet, wireless remote control, reel rack, tanks, and other components composition. The key technologies of the first developed ship side flexible hanging four connecting rod synchronized orientation mechanism, speed matching relation, automatic control of oil pump are adopted. The skimmer is tested in the lab and at sea. The experiment results show that recovery rate reaches 237 m3/h, the recovery efficiency reaches 97%, and the maximum size of the garbage debris discharged by the oil pump is not greater than 35 mm.

Keywords: ship engineering; oil spill; skimmer; recovery rate; recovery efficiency

近几年，海上溢油事故和码头接卸油作业引起的近岸区域溢油事故[1]时有发生，全球每年发生的溢油事故多达240余起[2]，严重影响着海上航运安全和海洋生态环境，因此加强水上交通安全和提高环境事故处理能力刻不容缓[3]。2010年美国墨西哥湾和我国大连“7·16”重大海上溢油污染事故[4]造成的巨大损失和严重危害反映出当前溢油应急处置技术和装备水平亟待提高。

溢油回收机是溢油回收最为重要的手段和工具。世界上比较典型的回收机产品主要包括英国Vikoma公司的盘式回收机、美国SlickBar公司下属JBF公司的DIP回收机、芬兰Lamor公司的LSC刷式回收机、挪威Framo公司的堰式回收机、丹麦Ro-Clean公司的复合式回收机和荷兰KOSEQ公司的VOS系列收油机等。

目前国内还没有适用于海洋溢油回收的臂架型收油机系列产品，尤其针对大规模海上溢油回收，现有设备无法满足使用要求。与国外发达国家相比，国内还有许多关键技术需要突破。

为提升我国重大海上溢油事故的应急处置能力，交通运输部水运科学研究院等单位联合研制全液压驱动船用双臂架溢油回收机(简称溢油回收机)。

1 主要技术性能参数

溢油回收机系统主要技术性能参数为：回收速率200 m3/h；理论回收效率97%；适应浪高1.8 m；双臂架最大张开角度120°；双臂架张开后最大扫油宽度10 m；工作航行速度0～5 kn。

2 整机构造

研制的溢油回收机是一种机械式动态大型高效水面溢油回收装置，主要由收油头、动力站、管路系统、电气控制柜、无线遥控器、卷管架和储油罐等组成(见图1)。

2.1收油头

收油头是漂浮在水面上的部分，用于水面溢油的回收，采用可开合的双刚性导油臂结构型式，由撇油器总成、后浮筒、双导油臂、导油臂开合驱动液压缸、四连杆定向机构和卷扬机等组成，其中导油臂的前部为前浮筒。

收油头的2个导油臂前部和收油头尾部共有4个浮桶，保证收油头在水面上的工作浮性和稳性。撇油器总成设置在2个后浮桶之间。收油头不工作时，2个导油臂可合拢，减少运输和储存空间；船舶拖带收油头航行时，2个导油臂同样处于合拢状态，以减少船舶航行阻力；收油头收油工作时2个导油臂可张开，形成V字型导油结构，2个导油臂夹角可在0～120°任意调整。图2为收油头双导油臂最大张开状态俯视图。

撇油器总成是回收机系统收油的核心部件，运用水动力收油的原理[6-7]，由收油带、集油井、垃圾切碎机、输油泵和垃圾隔栅等组成。

2.2动力站

溢油回收机采用自备的动力站，无须任何外接动力，以降低对船舶的配套要求，适应溢油快速处置要求。动力站是整个系统的动力源，布置在工作船甲板上，由柴油机、液压系统及其附件等组成，可有效避免电气设备接近溢油可能导致的爆炸、燃烧等事故。

回收机系统的5个执行机构全部采用液压驱动方式，其中导油臂的开合机构采用2个液压缸驱动，收油带、垃圾切碎机、输油泵和卷扬机各采用1个液压电机驱动。实现双臂架同步开合的液压控制系统主要有串联液压油缸开环同步控制系统、流量阀开环同步控制系统和液压闭环同步控制系统[8-9]，为降低液压控制系统的成本，同时满足一定的控制精度(5%)要求，双臂架同步工作采用温度压力补偿的调速阀开环同步控制系统。此外，为实现撇油器收油带、输油泵和垃圾切碎机的调速要求，这3个回路均采用电磁比例换向阀控制。

2.3管路系统

回收机系统的管路系统包括液压软管和输油管。在非工作状态下，管道可全部有序地缠绕在卷管架上，方便运输、贮存和使用。

收油头的动力来自于动力站，系统工作时，动力站置于工作船甲板上，收油头置于水面上进行收油作业，二者通过液压软管相连。溢油经过输油管输送到工作船的船舱或储油罐、浮动油囊等储油装置中。为减少动力站与收油头之间的液压软管数量，同时降低成本，通过优化收油头总体布局，在满足稳性要求的情况下，将液压控制阀组集成在收油头顶部，使动力站与收油头之间只有3根液压软管连接，且液压软管与动力站和收油头的连接全部采用快速接头。

2.4电气系统及无线遥控器

电气系统主要包括电气控制柜和无线遥控器等组件。回收机系统采用远程无线遥控技术，对回收机五大机构的电磁液压换向阀实施控制，能有效控制半径为50 m的圆形区域，且不受障碍物的影响。回收机系统五大机构既可全部采用无线遥控，也可采用现场手动控制。电气控制柜和电气元件全部采用防爆技术。

3 关键技术

3.1收油带线速度与水流速度、油膜厚度匹配技术

合理匹配收油带运转速度与相对水流速度、油层厚度的关系是提高回收机系统回收速率和回收效率的关键。应用CFX仿真软件对下行带式撇油器的收油过程进行三维建模、量纲分析和仿真分析，研究得出收油带线速度与相对水流流速和油膜厚度的匹配关系。通过系统检测的收油头与水流的相对速度和油膜厚度，根据匹配关系，由比例换向阀智能调节收油带的线速度，获得最佳收油效果。

3.2集油井油水界面检测与输油泵自动控制技术

收油头的集油井为近似锥形封闭结构，其上部收口与垃圾切碎机的入口衔接，便于溢油或垃圾在输油泵的抽吸作用下通过垃圾切碎机。

收油头的收油带回收的油水混合物沿收油带下行，绕过收油带底部的改向滚筒后在集油井集聚，并在重力的作用下快速分离，溢油上浮到集油井顶部。集油井内设有油水分界面检测装置，根据分界面的高低变化自行判定集油井内溢油的多少，通过比例换向阀自动控制输油泵的启停和转速变化，确保输油泵输出的油水混合物中水含量尽可能低，提高系统的回收效率(即回收油的纯度)。

3.3垃圾切割输油泵技术

回收机系统的输油泵为凸轮转子泵，具有自吸能力强、扬程大、耐磨损、寿命长、设计紧凑和适宜输送不同黏度的介质等优点。

收油头进水口前部安装有垃圾隔栅，大块垃圾可被有效地过滤，而透过垃圾隔栅进入集油井和输油泵的小量垃圾仍有可能导致系统工作实效。为此，在收油头集油井与输油泵之间设置专用的垃圾切碎机，转速可在一定范围内任意调节，粒度在40 mm以上的大块垃圾可自行切割打碎，并顺利通过输油泵，有效避免水面漂浮物对收油头堵塞的影响。

3.4船舶柔性侧挂四连杆同步定向技术

图2中，收油头采用船舶柔性侧挂四连杆作为同步定向机构，四连杆在导油臂开合液压缸的作用下运动，在收油头牵引缆绳的作用下确保导油臂前浮桶外侧和四连杆拐点与船体侧舷接触，从而保证收油头的导油臂开口方向与船体航行方向一致，提高收油头姿态调整的准确性，确保回收速率和回收效率最佳。

基于船舶柔性侧挂四连杆同步定向技术的最大特点：

1) 四连杆的动作无需专门动力，巧妙地利用导油臂开合液压缸的动力，同时设计上要确保四连杆机构避开运动死点。

2) 无论2个导油臂开合多大角度，四连杆机构始终同步动作，确保收油头导油臂开口方向始终与船舶航行方向近似一致。

4 试验研究

回收机系统的试验工作主要依据《带式收油机》交通运输行业标准。试验工作主要分为3个阶段，各阶段具有不同的试验目的和试验方案。

4.1静水无油试验

该阶段试验在交通运输部水运科学研究院大兴实验基地综合消防水池中进行，在收油头未涂装面漆之前，整机下水进行试验。

在静水条件下逐项验证收油头浮筒等主结构的气密性及导油臂开合过程中收油头的稳性、漂浮性、运转平稳性和安全性等指标，测量导油臂开合角度和扫油宽度等，检验收油带、切碎机、输油泵、卷扬机、臂架开合机构及四连杆机构等机构单独和联合运转的平顺性等，对不满足要求的项目进行整改，直至所有项目均满足设计要求。

4.2静水真油试验

该阶段试验在采用高强度PVC布料、各种钢管及型材等搭建的临时溢油试验水池中进行。水池长22 m，宽13 m，高1.75 m，水深1.4 m，蓄水量约400 m3；临时储油罐容积为5～10 m3，4套；试验用油为原油，7.5 t；55 kW变频电动机驱动造流装置1套(包括变频电动机驱动的调速水泵、缓冲罐、循环管道、导流槽等)；输油泵2台。图3为溢油试验原理与试验现场。

由图3可知，收油头置于试验水池中央位置，其后部出水口连接变频电动机驱动的调速水泵，水泵输出水进入缓冲罐，经过循环管道将水输送至导流槽内形成匀速的水流，流向收油头的进水口形成水流循环。变频电动机通过对水泵进行调速实现导流槽内水流速度的变化，水流流速可控制在0～5 kn。

4.2.1回收速率和效率试验

通过投油管道向导流槽内投入不同黏度和不同流量的原油，原油与水混合后进入到收油头内，通过收油头收油。回收的油水混合物由输油泵和输油管道输送至临时储油罐中。

回收速率除了可按照《带式收油机》标准规定的试验方法求取之外，还可将流量计直接连接到输油泵的出口处，测其稳定运行时的输出流量，取3次测量的平均值。

为准确检测溢油回收机的回收效率，专门制作检测设备，包括油水分离罐和储水容器等。油水分离罐和储水容器应便于计算及测量所含液体的体积(见图4)。

在模拟相对水流速度为3 kn的条件下，回收机回收速率达到237 m3/h，回收效率达到97%。

试验过程中，当回收机稳定运转时，通过三通转换开关将回收的油水混合物直接注入到油水分离罐内。油水混合物静置一段时间后在重力的作用下分离，水下沉到分离罐的底部。打开分离罐底部的排水开关，分离水流到储水容器内，通过控制开关使流量适中，直至有块状原油溢出。此时测量3次排出水的体积，计算收油机的回收效率。检测过程中应控制好环境温度，不宜在高温条件下检测，以减少原油的乳化。

4.2.2垃圾适应性试验

采用稻草、树叶、杂草、三合板、纸盒、包装泡沫、各种蔬菜和冰块等模拟水面垃圾，以尽可能地反映事故水面的垃圾种类和特性(见图5a)。

通过试验发现，回收机垃圾切碎机完全可以自行切割大块垃圾(一般块状最大尺度<120 mm，条状的长度<300 mm)，顺利通过输油泵。经实测，输油泵排出来的垃圾碎屑最大尺寸≤35 mm(如图5b所示)，不影响输油泵的正常工作。

4.3海上试验

在青岛市中苑码头外侧海域对溢油回收机的牵引航行、船舷柔性侧挂、稳性、导油臂开合、四连杆定向、各机构独立和联合动作等进行试验及演习(见图6)。通过海上试验，验证收油机在3级海况环境条件下具有较好的稳性和波浪适应性，各机构工作情况良好。

5 结束语

研制的全液压驱动船用双臂架溢油回收机主要由收油头、动力站、管路系统、电气控制柜、无线遥控器、卷管架及储油罐等部件组成。回收机采用船舶柔性侧挂四连杆同步定向技术、收油带线速度与水流速度及油膜厚度匹配、集油井油水界面检测与输油泵自动控制等关键技术，并搭建临时溢油试验水池进行回收机的静水试验及海上试验。试验结果显示，回收机的回收速率可达237 m3/h，回收效率可达97%，输油泵排出的垃圾碎屑最大尺寸≤35 mm。

从目前的研究成果和试验数据看，研制的全液压驱动船用双臂架溢油回收机具有扫油宽度大、回收速率和回收效率高、垃圾适应性强、布放速度快和自动化水平高等特点。我国大型高效溢油回收机的研制工作仍处于起步阶段，与国外发达国家相比有较大差距，仍需积极推进相关研发工作。此外，溢油应急技术与装备的试验检测工作专业性很强，而我国目前没有专门的试验水池，溢油检测方法和检测设备还需进一步完善。

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DevelopmentofFullHydraulicMarineSkimmerwithSweepingArm

ZHANGDewen,ZOUYunfei,ZHANGPeng,SONGZhiguo,DINGMin

(China Waterborne Transportation Research Institute, Beijing 100088, China)