海上沉潜油围油栏的设计

2020-06-08赵建平安伟张庆范靳卫卫刘保占

船海工程 2020年2期

赵建平，安伟，张庆范，靳卫卫，刘保占

(1.中海油能源发展股份有限公司安全环保分公司，天津 300452；2.中海石油环保服务(天津)有限公司，天津 300457)

关于沉潜油的围控，国外研究较少，对沉潜油的处置也主要集中于沉潜油的回收[1-2]，国内相关的研究也较少。河北海事局从沉潜油围控清除入手，研发了沉潜油捕获器[3]，主要用于探测和监测水中是否含有沉潜油，并申请了实用新型专利[4]，围控捕获沉潜油的装置的裙部由围控网和加强带组成，围控网为亲油性材料的通透网状结构，对沉潜油具有吸附捕获作用。首次提出了以梳状或网状结构粘附沉潜油，而不是单纯的靠材料与沉潜油之间的吸附作用，一定程度上提高了吸附效率。天津汉海环保设备有限公司发明一种沉潜油拦截网[5]，拦截网上的网格单元由网线编织而成，网线表面粗糙且具有绒毛，进一步对网线表面进行处理，提高了拦截网对沉潜油的吸附效果。

依据相关单位对沉潜油进行粘挂的有益探索，结合沉潜油比一般重质原油和燃料油密度更大、粘附能力较弱，而且都呈一定形状等特点，选择一种多层网状吸附材料作为围油栏裙体对其进行围控。其优势为：①兼顾了对沉潜油进行拦截、粘附;②通过多层网状吸附材料的立体空间结构对沉潜油进行围控、直至达到回收的目的。

1 整体设计

1.1 设计思路

沉潜油围油栏裙体高2 m、每节长5 m、浮体直径为0.5 m，考虑到布放位置为近岸，因此抗波高为2 m，最大抗流速定为1.5 m/s。

围油栏裙体由帆布和多层网状吸附材料构成(见图1)，其中在帆布靠中部1 m的区域打有小孔，构成海水和沉潜油的进入通道，并在打孔区域处敷设多层网状吸附材料。当海水携带沉潜油以一定速度经过围油栏时，由于围油栏裙体的阻挡作用，经过围油栏孔眼的海水流速必然增加，利用水流惯性将沉潜油带入到多层网状吸附材料中，实现对沉潜油的吸附。

图1 单节围油栏示意

1.2 抗水流性能计算

围油栏裙体面积为10 m2，打孔区域与未打孔区域比为1∶1，因此,打孔区域高度为1 m，面积为5 m2。由于孔眼直径最大为1 m，在围油栏裙体上最多能打4个孔，直径为0.9 m，面积为2.543 4 m2。根据国家标准GB/T 36148.1—2018[6]中关于围油栏裙体抗水流性能的计算。

水阻力：

经计算得出围油栏裙体所受阻力约为16 200N。

2 裙体孔径仿真模拟

根据GB/T36148.1—2018中关于围油栏抗水流性能的计算，围油栏抗水流性能只与受力面积及相对流速有关系。实际上，如果在围油栏裙体上打孔且保持打孔区域孔眼总面积一定，不同孔眼数即不同孔眼直径对围油栏抗水流性能也有一定影响，因此,需模拟在围油栏的裙体上打孔数量即孔眼直径对围油栏抗水流性能的影响。此外，围油栏的抗水流性能不同，裙体帆布上孔眼内流速也不同，需对孔内流速进行模拟。

2.1 建模及参数设置

在围油栏的裙体的帆布上打4个0.9m的孔眼，400个0.09m的孔眼和1 600个0.045m的孔眼共3种打孔参数。

1)物理模型。建模参数为围油栏裙体高度为2m，布放水深为2.5m，围油栏左右两侧各扩展3倍于本身长度，以模拟在广阔水域中布放一段围油栏的情况，符合围油栏实际布设情况[7]，3D计算模型见图2。

图2 计算模型

坐标原点设置在围油栏的左上角顶点处，见图3。

图3 裙体局部放大及其坐标位置(以4个孔为例)

2)网格划分。采用非结构化网格[8]，网格数约1 000 000。

3)仿真参数及模型选取。模拟纯水流作用，不考虑风浪影响，假设围油栏裙体不可形变。不考虑重力的作用。水面自由边界设为无摩擦的壁面[9]。选取标准k-ε湍流模型，标准壁面函数法处理边界层流动。设流体的密度为1 025kg/m3；黏度为0.001 03Pa·s。

4)边界条件设置。入口边界为速度入口；出口边界为自由出流；其余为固壁边界[10]。参考压力为1bar，设在坐标原点。

2.2 对抗水流性能的影响

在孔眼的总面积一定、水流流速为1.5m/s时，不同孔眼数即不同孔眼直径的围油栏前后表面的压强分布见图4。

图4 围油栏压强分布

由图4可见，裙体前表面的压强分布不均匀，中间部分压强较大，边缘部分压强较小；裙体后表面的压强在中间和边缘分布基本均匀；说明裙体中间部分受力较大，是需要重点加强的部位。

在流速为1.5m/s时，围油栏裙体受力见表1。

表1 流速为1.5 m/s围油栏受力

由表1可见，打孔数越多，即孔径越小，围油栏前表面受力越小，围油栏后表面受力为先减小后增大，但是后表面受力远小于前表面的受力，整体上来看围油栏的净受力逐渐减小。

2.3 对孔内流速的影响

在孔眼的总面积一定、水流流速为1.5 m/s时，不同孔眼数即不同孔眼直径的围油栏打孔区域孔眼内水流分布见图5。

图5 不同打孔数YZ平面速度矢量分布局部放大

由图5可见，水流在裙体背面打孔区域的上、下两部分非打孔区域处产生漩涡；部分水流以较大的速度从裙体下部越过流到裙体背面。孔眼内流速分布见表2。

表2 流速为1.5 m/s时孔内速度分布

由表2可见，当水流经过围油栏时，由于围油栏裙体的阻挡作用，孔眼内流速大于来流速度，且打孔数越多，孔径越小，孔眼内流速越大。当打孔数为1 600个即孔径为4.5 cm时，可将流速为1.5 m/s的水流加速至接近2 m/s。

3 实验

在相同打孔面积条件下，打孔数越多，孔径越小，则围油栏裙体的受力越小，但是受材料强度和工艺的限制，打孔数不能无限多，因此,需在实验室内对多层网状吸附材料在孔径多大的条件下吸附失效进行评价。在水流冲击下，由于重质原油比海水中的沉潜油更易从吸附材料孔径中穿过，因此,使用重质原油作为吸附材料失效评价的实验用油。

在波浪槽底部设置一喷油口，用于模拟沉潜油在水体中。用材料挂架拖动吸附材料以0.4、0.8、1.2、1.6、2 m/s的速度经过喷油点，考察材料在不同速度下吸油效果，实验装置见图6。