激流条件下溢油围控技术研究

当今, 海洋石油开发及水上石油运输迅猛发展, 随之而来的水上溢油事件时有发生。如果溢油发生在激流河道或水域, 在水流和风的作用下将会迅速扩散和漂移, 溢油如果得不到及时围控和回收, 将会对大范围内的水域和周边岸线造成污染和危害。在水流速度大于1节 (0.5米/秒) 激流中控制和回收溢油是件很困难的事情, 因为溢油会从围油栏的底部逃逸。与在平静或者缓流水域中溢油应急相比, 激流中溢油应急更强调速度和效率。为此我们必须研究激流中溢油应急的技术和方法, 尽快采取有效措施围控溢油, 阻止其进一步的扩散和漂移。

一、水流模式

选择地方布放溢油应急设备的效果, 取决于事先的计划和对水文的了解。漂移研究、河流及径流历史、计算机模型等都是了解水文的有效工具, 从而制定适合的溢油应急方法。回收溢油时, 应该选择水流较缓慢的区域, 水流缓慢的水域可以增加围油栏和水流之间的角度, 更好的回收溢油。

水流中溢油的运动速度可以通过下式计算:

式中:o为溢油运动速度;

为表面流速, 一般采用距离水面0.5米处的流速;

w为现场风速作用分量, 当风速小于10km/h时, 其值为现场风速的3%。

二、溢油量的预测

估计溢油量时, 尽量使用多的方法来估计, 以便得到一个比较准确的结果:

1. 油品在管线中的压力、流量、泄露点大小和管线关闭前泄漏的时间;

2. 破裂的油罐的容积、数量;

3. 油层/油膜的颜色和面积。

根据溢油的颜色和面积来预测溢油量是非常复杂的, 特别是在流动的水面油膜几何形状复杂、颜色不尽不同。根据颜色来估计溢油量时, 可以使用下列的经验:

在同一块油膜中, 油膜的厚度相差非常大。如果油膜中有黑棕色或者黑色块状, 那么大部分油就集中在这些深色区域;

彩色的或者银灰色的油膜非常薄;这些区域一般位于油膜的边缘或者厚油层的外侧。

下表可以用于根据颜色来估计溢油量的大小。但是因为这种估计的变数太多, 而且也很不准准确, 只能用于估计是什么数量级别的溢油。

三、溢油回收地点的选择

通过调查河流和岸线来找到溢油回收点, 这些地点需要有合适的水流速度、水能产生环流, 以及良好的后勤保障条件:包括道路、宽阔的河岸便于布放设备、固锚点、足够的水深 (如果需要使用船只) 。

对于中小型河流, 溢油回收设备一般放置在河岸边或者河流中间的建筑物 (如桥梁) , 溢油通过围油栏引导到安放收油机的地方回收。

对于大型河流, 特别是河面宽度超过180米的河流, 水流在河流的外侧较快, 一般河岸的内侧水流较慢, 而且是浅的沙滩河岸。回收溢油时, 应该将溢油引导到河流流速较缓慢的一侧 (弯道河流的内侧) , 这些地方是最好的围控溢油的地方。

此外, 一般水面漂浮垃圾聚集点, 都是天然的溢油回收点。但是一定要在溢油到达之前清理水面垃圾, 以免损围油栏。

四、围油栏的失效

在激流环境中, 围油栏受水流、波浪等因素的影响, 经常会发生所拦截的油品从围油栏栏上溅出或栏下流走, 导致围油栏拦油失效, 其主要形式是溢油逃逸和溢油飞溅。

溢油逃溢是指水流在相对围油栏垂直方向的流速超过0.7节时, 围控的油膜下方会产生湍流, 油层被破坏, 油膜底下形成的油滴在激流的作用下, 从围油栏裙体下方逃溢, 在围油栏的另一些又重新形成油膜的现象。因此一般把0.7节的流速称为溢油逃溢的临界流速。

溢油飞溅一般是在风浪的作用下, 当波高大于围油栏干舷高度, 而且波长和波高的比例小于10:1时发生, 使得溢油越过围油栏上方到达围油栏另一侧, 重新形成油膜的现象。这是由于激流或波浪作用在围油栏体上, 使得围油栏下沉, 减小了围油栏在水面上的高度, 溢油淹过围油栏。

五、围油栏的布放角度

1. 围油栏与水流形成一定的角度

为防止溢油逃溢、围油栏失效, 在急流的河流中, 围油栏应与水流形成一定的角度, 以减小激流在围油栏垂直方向上的相对速度。实际中大多数的河流都是中间流速高, 向两岸流速逐渐降低。考虑到河流中的这种流速分布, 在布放围油栏时, 要使围油栏和水流的夹角随流速的变化而变化, 从岸边到河中间夹角逐渐减小。

河流中布放围油栏的角度和流速的计算公式为:

式中:a为布放的围油栏与水流所成角度;

V临界为围油栏溢流逃溢失效的临界流速;

V水为水流速度。

2. 围油栏以一定速度相对水流运动

在表面流速超过临界流速后, 以一定形状固定的围油栏就很难发挥围控作用了。这时就要采用让围油栏也沿水流方向运动, 以减小溢油对围油栏的相对速度。需两边用拖船分别牵引围油栏的一端, 让围油栏在激流中保持稳定运动, 并保持U

形底部围油栏和溢油的相对速度小于围油栏失效的临界速度, 这样溢油就被完全围控在U形区域内, 待围油栏把溢油转移到水流平缓之处就可对溢油进行回收了。

六、围油栏的固定

在围油栏的各种布放形式中, 由于风、流等诸多因素的影响, 围油栏很难保持预定的形状, 实现溢油的围控。通常河流上在流速固定的情况下大都采用锚来保持围油栏的围控形状。

围油栏的设锚地点要选在水流相对平缓的河段, 水流流速不能超过临界流速, 并且要考虑下列因素:

1. 水流平缓之处即是水面相对开阔处;

2. 河床的底质最好是软泥底, 泥沙底次之, 沙或贝砾底的系留力很差, 石头底不宜抛一般的锚, 可用混凝土重块作为固定锚。水中漂浮围油栏受到的水流作用力为:

式中:F为水流作用力;

Cd为围油栏围控形状系数 (取值为2) ;

ρ为水的密度;

A为围油栏水面下总面积在垂直流速方向上的投影面积;

V为河流表面平均流速;

g为重力加速度。

在选择锚时, 要根据式 (3) 计算出围油栏受到的载荷, 然后选择可以提供足够系留力的锚, 为了避免采用单锚固定时对锚的系留力要求过高, 一般采用多锚固定。锚的系留力计算公式为:

式中:P为锚的系留力;

Wa为锚在水中的重量, 即锚在空气中重量的0.867倍;

λa为锚的抓力系数, 其值选取根据下表:

为了能够得到曲率随流速平滑变化的围油栏布放形状, 在围油栏上每隔6—10米设置一个系泊点, 各点上用绳索牵拉, 绳索另一端固定在锚上, 这样就使各段围油栏都和水流成适当的角度, 并能保持围控形状的稳定性。

七、激流条件下围油栏的布放方法

1. 围油栏多级阶梯布放

当水流速度超过3节时, 单级围油栏过长会导致水流拉力过大, 难以布放成理想的结构。通过缩短围油栏长度, 多级阶梯式布放围油栏能够解决这个难题。

阶梯式布放围油栏的好处在于每节围油栏的受力变小, 这样可以使用较小的锚来固定围油栏。如果垃圾冲走或移动一组围油栏, 其余的围油栏仍然保持在原有位置, 不会导致整个围油栏结构被破坏。如果需要容许船只通过, 只需增加每组围油栏之间的距离即可。

这种技术在水面较宽的激流中布放围油栏时经常用到, 可将溢油从水流较急的河流中间引导到河边回收。

2. 围油栏人字布放

当需要在小港湾、河流、运河的两岸时, 可以采用围油栏人字布放结构。它的最大有效水流速度是2节 (1米/秒) , 它具有布放速度快的优点。围油栏和水流的角度必须满足水流速度和围油栏角度关系表, 避免水流和围油栏之间的相对速度大于0.7节。围油栏人字结构有封闭式和开口式两种。

(1) 封闭人字结构

标准的封闭人字结构围油栏布放采用一个位于水体中间的锚点, 两组围油栏连接到中间的锚点。围油栏的尾部分别连接到两岸的锚点上。围油栏的形状通过调节围油栏松紧度决定。一般围油栏不需要再加锚固定。围油栏的长度决定围油栏和水流之间的角度。这种方法在有预先修建锚柱的情况下最有效, 可以快速布放围油栏。

(2) 开口人字结构

如果河流中有船只通航的需要, 必须使用开口人字结构布放围油栏。采用开口的人字结构时, 需要在河流的中间有两个锚, 锚之间有一定距离, 方便船只通过。固定锚时, 应该让围油栏有部分重叠, 这样可以确保不让浮油逃逸。

3. 重叠式围油栏J型布放

J型结构围油栏布放结构, 适合于较宽 (180米以上) 水面溢油围控或保护岸线, 用于将溢油引导到收集地点。但是需要使用水底锚固定围油栏及马力较大的船只。它也可以用于近海, 阻止浮油进入敏感区域。

为了确保围油栏保持理想的角度, 建议每组围油栏的长度为15米至30米。在布放重叠式J型围油栏时, 下游的围油栏应该和上游的围油栏有足够的距离, 确保从上游逃逸的浮油能浮出水面, 能被围油栏收集。

结束语

本文通过分析溢油在水中的运动规律和围油栏在激流中的主要失效形式, 系统阐述了围油栏围控溢油的布放方式、布放角度和用锚保持围控形状的方法, 为溢油应急提供了较全面的理论依据和指导, 对激流条件下溢油回收的快速决策和有效实施具有积极作用。

摘要：通过分析溢油在水中的运动规律和围油栏在激流中的失效形式, 研究和总结激流水域中溢油围控的有效方法和技术, 为水上溢油事件应急提供了实用的方法和技巧:如提出了适合激流环境中溢油的围油栏的布放方法、布放角度和用锚保持围控形状的方法, 为溢油事件应对提供了较为实用的理论指导。

关键词：溢油,激流,应急,溢油围控,溢油回收

参考文献

[1] 刘献强、焦光伟.激流条件下溢油控制与回收新技术研究.

[2] 邓立志.泄露油品控制作业指导手册.

[3] 卓诚裕.海洋油污染防止技术[M]北京国防工业出版社.