海上泄漏石油回收装置的设计毕业作品.docx

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海上泄漏石油回收装置的设计毕业作品

海上泄漏石油回收装置的设计

专业：

机械设计制造及其自动化

摘要

随着海洋石油开采和船舶运输业的迅速发展，海上溢油事故频繁发生，海洋的石油污染已充分引起了公众的重视。

石油作为全球性的污染物，正以大大超过其它污染物的量进入海洋。

据统计，全球每年生产的32亿吨石油中，约有千分之一即320万吨进入海洋环境。

通常1吨石油可在海上形成覆盖12平方公里范围的油膜，由此形成的大面积油膜将阻隔正常的海气交换过程，使气候异常,影响了生物链的循环，从而破坏了海洋生态平衡，而且也浪费了宝贵的石油资源。

因此，防止石油污染应引起各有关方面的重视。

为了降低溢油对海洋生态环境的损害，并从回收资源的角度考虑，采用何种方案对海面上的溢油进行回收，是一个亟待解决的问题。

此次毕业设计主要是海上泄漏石油回收的整体方案和部分装置的设计，参照了以往的石油常规回收和现代的技术，设计一种可以在海上回收泄漏石油的装置。

选择一种平台来配合撇油器的使用，减少受风浪的影响，提高回收的效率。

针对现有机械法在处理溢油时存在对薄油膜回收困难、效率低下的现状，使用溢油回收的油膜加厚技术。

为了保持吸油且得到吸油效率和速率俱佳的回收装置系统，对现有的撇油器的吸油口进行改进，使其增加油水预分离功能，从而提高溢油回收的效率，可以在海上完成回收泄漏石油及储存等功能，来增加石油泄漏的回收效率和减少经济损失。

[关键字]：

石油泄漏；石油回收装置；围油栏；撇油器

Abstract

Withtheswiftdevelopmentofoilexploitationintheoceanandshippingtransportation,accidentsofoilspillontheseasurfaceoccurfrequently,andmarineoilpollutionhascausedpublicattention.Asaglobalpollutant,oiliscomingintotheoceanfarmorethananyotherpollutant.Accordingtostatics,theglobalannualoilproductionisabout32milliontons,butaboutonethousandthoftheoilproductioncomeintothemarineenvironment.Usually,1tonsofoilcancoverontheseainform12squaremilesofthescopeoftheoil.Theresultingfilmwillblockalargeareaofnormalair-seaexchangeprocess,maketheclimateabnormal,andaffectthefoodchaincycle,thenitcandestructthemarineecologicalbalanceandwastevaluableoilresources.Therefore,preventingoilpollutionshouldcausethevariousaspectsofthevalue.

Inordertoreducethedamageoftheoilspilltothemarineenvironment,recycletheresources,itisaseriousproblemthatwhatkindofprogramscanbeusedtorecycletheoilonthesea.Thisgraduationdesignisaboutthewholeschemeanddevicedesignofoilrecovery,withreferencetothepreviousconventionalprogramofoilrecoveryandmoderntechnology,designadevicetorecycletheleakoil.Selectaplatformtousewiththeskimmertoreducetheimpactbythestormsandimprovetheefficiencyofrecovery.Whenexistingmechanicalmethoddealwithoilspillinthepresenceofathinfilm,itisdifficultandefficienttocollecttheoil,it’sbettertousethethickfilmtechnologyofoilspillrecovery.Inordertogetarecoverysystemwhichtheoilrecoveryefficiencyandspeedisbothgood,improvetheexistingskimmer'ssuctionporttoincreasetheoilpre-separationfunctionandenhancetheefficiencyofoilrecovery.Therebyrecyclingandstorageoftheoilandotherfunctionscanbedoneatsea,toincreasetheefficiencyofoilrecoveryandreduceeconomiclosses.

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Keyword:

oilleakageoil；recoverydevice；oilfence；oilSkimmer

第1章绪论

1.1课题的背景及意义

近年来，由于海上交通运输、海洋资源的开发利用和海上军事装备的迅猛发展，海洋环境受到的污染从数量上到形式上都在以前所未有的态势急速增长，严酷的现实和随之带来的无法承受的损失使得人类不得不从一个新的高度来认识和解决海洋的污染问题。

众所周知，石油及其炼制品是一种复杂的化学混合物，它不仅含有一定的毒性，而且还有发生火灾和爆炸危险。

在溢油事故发生后，将会有巨量的石油溢出船舶，进入海洋环境，并在洋流和风的作用下迅速扩散和漂移，从而造成严重的环境污染和巨大的经济损失，使自然环境和生态资源遭受灾难性的破坏。

石油进入海洋后，会随着时间的延长发生漂移、扩散和风化等一系列的变化，使其处理难度随之增加，因此寻求一种更加快速有效的石油处置、回收和清除技术迫在眉睫。

在防止海洋石油污染方面，国际上制订了一系列法规和协定，各沿海国家也制订了有关法规和法令，并十分重视溢油的有效处置、回收和清除技术的研究。

为了减轻石油对海洋环境的危害，在海上石油泄漏事故发生后，需要立即采取行之有效的技术手段对石油进行处理。

目前，海洋石油泄漏的治理方法按其性质可分为三种：

化学方法，生物方法和物理方法。

（1）化学法：

适用于石油油膜很薄的情况，处理石油的化学制剂包括石油分散剂、聚油剂、凝油剂和吸油剂等。

（2）生物处理法：

生物处理法处理石油的基本原理就是利用微生物来加速降解和分解污染油中的有油烃，使之转化为无毒或低毒的物质，从而减少对环境造成的危害。

生物处理法同物理法和化学法相比较，具有费用低、效率高、安全性好，而且所能处理的污染物具有危害低、残留少、无二次污染等优点，特别是对于机械装置无法清除的薄油层。

对化学药剂更显示出其无可比拟的优越性，但生物处理法也存在很大缺点，一旦出现大规模的石油泄漏或是油层比较厚时，由于营养和氧气供应不足，会抑制细菌的生长，处理过程过于漫长，因而，该方法尚处于起步阶段，目前还无法大量在实际中应用该项技术[1]。

（3）物理处理法：

物理法是指在不改变石油存在形态的情况下利用各种手段将石油从水面分离出来。

在物理法中，既可以采用机械装置回收石油，也可以采用吸附材料回收石油[2]。

1.2课题的研究任务

根据各种方法的的不同优缺点，可以看出采取机械回收和消除大量的海上石油泄漏是目前最有效且最有价值的的方法。

机械回收是解决海上石油污染最实际有效的措施。

然而用机械回收也都存在不同程度的缺陷，难以胜任大规模溢油的回收。

因此，研究一种针对大规模海上石油泄漏的高效回收技术，已成为当前石油回收领域一项亟待解决的重大课题。

本研究旨在开发一套在高效的海上泄漏石油回收系统。

由于海上石油收集过程包括回收船、拖船、围油栏、撇油器、输油泵、临时贮存设备等一系列的装置，而撇油器是浮油回收链中的关键一环。

回收链的表现很大程度上要看当时的天气、海况、石油泄漏范围和油的种类、是否存在浮渣、船舶驾驶技术、围油栏形状、撇油器类型、输油泵类型和能力，最后还有贮存量的大小，哪一个环节较差都会影响到整个过程的表现。

1.3总体设计思路

参考以往的回收方法，在出现泄漏事故时，采用两条拖船各拖动一条连接浮油回收船的围油栏进行运动，使围油栏成V形在条状油带上扫过，由于围油栏会在一定的情况下失效，所以在围油栏的限定范围内围取一定范围的海上溢油后，两拖轮把围油栏接头接在一起，浮油回收船开始启动卷绕装置圈起围油栏，缩小围油的面积，加厚海上溢油，加强吸油口回收效率。

在浮油回收船回收围油栏时，两艘拖轮再次进行U型围油，在围取一定浮油后把两端接头接到浮油回收船中，周而复始，直到回收所有的浮油。

1.4论文的主要内容及所要完成的工作

由于撇油器和船舶固接在一起，船舶在行进中的纵摇、横摇和垂荡运动会严重影响撇油器的回收性能，选择一种平台来配合撇油器的使用，减少受风浪的影响，提高回收的效率。

针对现有机械法在处理溢油时存在对薄油膜回收困难、效率低下的现状，使用石油回收的油膜加厚技术。

由于在大规模溢油的回收要求装置在回收速率高的同时还要保持较高的回收效率。

为了保持吸油且得到吸油效率和速率俱佳的回收装置系统，对撇油器的吸油口进行改进，使其增加了油水预分离功能，提高其溢油回收的效率。

论文的主要内容为

（1）回收平台的比较选择

（2）围油栏的结构及回收装置的设计（3）吸油装置的结构及控制系统的设计

第2章石油回收装置平台的比较选择

目前，在国际和国内应用的浮油回收船根据用途分可以大致分为三种：

日常维护型、大量回收型和清扫船。

日常维护型浮油回收船主要作业范围在港口水域，主要作用是对浮油和瓦斯泄漏等事故进行应急处理，这类船型多为小型的双体船，载重量仅为几十吨，回收油的装置有倾斜板式、涡卷式、动态斜面式撇油器等多种，主要布置在两片船体之间。

而大量回收型浮油回收船则除了回收浮油的功能外还具有海上抢救和海上消防的功能，其载重量大，回收石油的通常方法是将石油吸回船舱后载回岸上进行处理，也可进行少量的处理，此类船的船型基本上都为单体船。

清扫船主要用于清洁海面残留的漂浮物，一般配备有油水分离器、撇油器等，也可用于小范围的清除浮油和消防、冲洗作业。

2.1船舶要求

（1）船舶用途

船舶平台应该具有应对浙江沿海及支援上海等近省市的大规模石油泄漏事故的应急处置能力，可以适应在浙江沿海近岸开阔水域以及港区进行石油泄漏的围控及清除作业，并可兼作港区巡航、事故调查取证、船舶油污水处理和垃圾日常清除回收以及港区范围的油污水处理和回收作业的多功能平台。

（2）航速与续航力

船舶的主要作用是负责上海宁波舟山三市港口群的船舶石油泄漏事故应急处置，主要作业范围为舟山港口，基本覆盖半径为60海里左右的海域范围，要求船舶可以在4～5小时内赶到事故海域进行事故处理。

因此，船舶应具有较高航速，以争取更多的石油泄漏事故的应急反应时间，所以要求在轻载出港的航速最好不低于15节。

图2.1船舶作业范围

船舶的续航能力应该在满足500海里左右的范围下，需要充分考虑持续作业能力和应急航速的基础上进行选择。

（3）推进系统

推进系统必须在满足较高航速的条件下考虑到作业时的航速。

按照上面的任务要求，浮油回收船的航速应达到15节，接近高速船，需要的功率较大。

作业航速浮油回收船进行拖放和回收围油栏时，需要保持一定的低速。

（4）良好的低速操纵性

回收浮油时，船舶的航速很低，有时需要静止甚至是后退，有时需要横移或原地旋转。

（5）多功能、高航海性能的要求

为了提高船舶在空闲时间的利用率，需要向多功能方向进行二次开发。

（6）专门的安全性的要求

由于其处理作业的特殊，需满足其对安全的标准，以及应对的各种处理机构。

2.2我国浮油回收船现状

我国正在服役的浮油回收船数量稀少，且多为小船，其缺点明显：

（1）作业能力低下，应急能力较差

（2）改装的船舶效率有待提高

以往建造的浮油回收船很多是改装的旧船，新的船很少，一般都是加装了通用型撇油器改装过来的。

在改装回收船的过程中，需要根据船舶的型号来选择配套产品，选择范围一般仅限于一些小型的撇油器，不能和浮油回收船达到最佳配合，其效能很难得到充分发挥，收油效率较低，而较大的浮油回收船都有大的储油舱，船舶的吨位大，配置单一功能的通用型撇油器极大的浪费了船舶的能力。

虽然改装船舶简单易行，成本低，但在实践工作中，暴露出了很多的不足之处。

（3）功能单一，平时利用率低

我国现有的浮油回收船中，旧船受改装条件的限制，新船受到经费的限制，功能都比较限于比较简单的石油泄漏回收作业，平时利用率很低，作业范围与其它功能也很小。

这种形势下，为了应对我国海域内日益突出的石油泄漏油事故，进一步提高石油泄漏油事故的处理能力和日常使用的经济性，研究设计一种高性能、多功能的浮油回收平台是非常迫切的。

2.3浮油回收船的比较选择

分析我国现有的情况，目前使用较广泛的海上作业船船型除单体船外，还有常规的双体船等。

对于浮油回收船，从现实情况来看：

（1）选择常规的单体船作为回收平台是可行的。

（2）双体船型具有稳性好，甲板面积大，操纵性和抗漂移好等优点，越来越多的作为海上作业船和客渡船上的选择船型。

但由于双体船自重大，在高速的航行中需要更大的推动力。

因此，下面进行分析和比较单体船和双体船是否能很好的适应任务的要求。

单体浮油回收船和双体浮油回收船的布置草图如下图所示：

图2.2单体船中回收装置结构布置

图2.3双体船中回收装置结构布置

2.3.1石油回收装置对船型选择的影响

作为浮油回收船来讲，其首要的职责就是石油回收功能。

因此，在平台选择的初始阶段，对于回收装置的选择就是首要考虑的条件。

以往使用的石油回收装置多为单一型设备，如撇油器、吸油拖栏、吸油毡、油捞子等，由于海况、石油的性质和石油泄漏的油量的不同，使用方式及作用范围都不相同。

并且，为了适应各种船舶改装，其容量有限。

因此这些单一型的回收设备只能适应于某些特定条件，在很多复杂条件下使用时都存在着这样那样的缺陷和不足，不能很好的胜任回收作业。

近年来回收装置的发展方向是将不同类型的单一型收油装置组合成一个整体，根据任务要求，通过船舶的配合设计，来专门应用于浮油回收船上。

因设计时装置的重量和体积都是和船舶协调确定的，因此可以有较好的利用率。

毫无疑问在选择浮油回收船时，采用复合式撇油器这类装置是最合适的。

但是，同样是采用回收装置，使用不同的船型，发挥的效率仍有很大差别。

使用常规单体船时，平时将回收装置放在甲板上，进入作业时依靠吊机将装置放到船两侧的海面上，起吊时需要花费较多的人力进行辅助作业，而且收放速度慢，受制于吊机的范围，其限制因素较多，因此重量和体积都不能做大。

还有一种方案是将回收装置装在船头上，可通过升降来实现海上作业。

但船的形状会改变很多，在高速航行时会增加大量的阻力。

另外，单体船在处理垃圾时也不得不使用船用吊机和人工操作，且在回收垃圾时也需要停顿。

另一种做法是采用双体船，可将回收装置放在两片船体之间，利用机械装置控制其升降，可以想象，这将大大提高布放和回收速度，且方便船员操作。

在不用时可以升起装置，不影响船的高速航行。

当石油泄漏面积较小时，双体船可利用两片船体之间的距离，在不需要围油栏的情况下自行收油。

2.3.2船型其他方面的比较选择

（1）航行速度

本船在自由航行时，从阻力性能上看，使用单体船和双体船型大体阻力相当；从推进效率上，使用双体船有利。

（2）甲板装置布置

据统计，同排水量的双体船有效甲板面积比单体船大50％左右，可以有更多的布置空间。

（3）稳定性

单体船在风浪较大时无法阻挡和封闭油水层，受风浪影响大，无法有效的进行回收作业。

双体船具有较好的稳性和抗风浪能力，两个船体又可为中间的回收装置提供良好的遮挡，回收装置可以在风浪较大时仍能有效地工作。

（4）操纵性

在相同的使用条件下，一般双体船比单体船短，水下部分的侧面积较小，加上双体船两桨、舵间距较大，使双体船能获得良好的操纵性能，具有良好的航向稳定性。

单体船当航速改变或回转时，对其围油栏和收油机的展开都有一定影响，需要时间进行再次操作。

而双体船在改变航行状态后可以继续作业。

（5）造价及维护费用

一方面双体船空船重量比同载重量的单体船大约20％，并需要配置较大的舾装设备，造价较高。

另一方面双体船排水量比单体船大，但其推进效率较高，风浪中增阻小，因此，在总的功率需求方面单、双体船基本持平[3]。

2.4结论

根据前面综合分析比较，双体船在回收装置的选择布置和设备机械化的实现上，功能明显优于单体船，自由航速下阻力性能好，对于船舶的多功能化有更大的扩展空间，另外在稳定性、操纵性以及航态变化时保持作业的能力等多方面都具有较优的性能。

双体船的不足之处是船体结构重量大，直接影响到船舶初投资。

但是，从长期权衡利弊来看，还是选择双体船型为宜。

为了配合下面的回收装置的设计，选择了基本的双体船尺寸。

其数据及结构图如下：

水线长L＝53.38m；

片体间距K＝11.74m；

型宽B＝17.08m；

片体宽b＝5.30m；

型深D＝4.17m；

设计吃水T＝2.67m；

排水量Δ＝878.4t；

自由航速V＝15kn；

作业航速V’＝2.3kn。

图2.4船型正面尺寸

对平台上的各种机械设备要求按照位置、功能的需要进行布置，同时满足预期目标。

其布置结构如下：

图2.5双体船平台装置布置

1-控制平台及动力室2-固定升降机3-围油栏回收箱4-垃圾挡板5-撇油器

第3章围油栏的结构及回收装置设计

3.1充气式围油栏结构及回收方法

围油栏是一种物理型的防油污设备，是处理港湾或海上石油泄漏的重要装置。

它是防止石油扩散，缩小石油泄漏面积，配合回收装置进行清除、回收或使石油带偏离敏感地区作业的有效工具。

在码头、炼油厂、锚地、水生物养殖场及海滨浴场等处设置围油栏，可以作为常用设备预防事故，对防止石油污染，保护水上交通和水生生物具有重要作用。

围油栏一般由浮体浮子、裙体和配重等部分组成。

浮体主要起浮力作用，可以提供浮力使围油栏浮在水面上；裙体在水下形成一道屏障,防止油污从下面流走；配重则垂于裙体之下，起保持垂直平衡的作用。

由于围油栏在围油时不可避免的会受到自然界风浪的影响，因此为防止所围石油的流失，它必须具有一定的抗风、抗流和抗浪能力。

围油栏的失效形式主要有泄漏、携带逃逸、飞溅失效、平倒失效、沉没失效和结构损坏这几种。

泄漏是指由于围油栏围控溢油太多或围油栏裙体的弯曲造成溢油从围油栏底部自然溢出至围控区域外的现象，实践证明油层深度不能超过裙体的1/3，这要求在围油过程中需要时时保持对石油厚度的监控，确保围油栏不会失效。

携带逃逸是溢油围控过程中难以避免的现象，当水流和围油栏的相对速度达到临界速度时油膜就会破碎成油滴，水流携带油滴从围油栏底部逃逸，在围油栏另一侧上浮重新形成油膜，这就要求围油栏在围取石油时速度不能太快。

飞溅失效是指石油从围油栏的干舷顶部越过的溢油逃逸现象，一般在围控区域出现劈浪（波长与波高比小于5:

l）或围油栏随波性差都可能造成飞溅失效。

平倒失效是指在强风和急流的方向相反时，致使围油栏平倒而发生溢油泄漏的现象，这也提醒在回收作业过程中，控制好围油栏的围控方向。

沉没失效是指在高速拖带围油栏过程中，围油栏被压到水面以下引起溢油逃逸的现象。

此外其裙体还必须具有一定的抗拉强度[4]。

这里采用的是充气式围油栏，可以进行有效的海上紧急的回收作业。

图3.1即为充气式围油栏的结构图，气室作为浮体为围油栏提供在水中所需的浮力。

使用时，可以先通过充气机（便携式充气机专为充气式围油栏设计，排气量25cc，有加速装置和紧急制动装置）向气室内充满空气，然后缓慢放入水中，由拖船形成V形的围控区域。

当石油回收作业完后,把气室中的空气放掉,经过清洗后存放。

图3.1充气式围油栏

1-接头板　2-张力带　3-气室　4-配重链　5-充气阀　6-本体

围油栏数据如下：

充气式浮囊长度L=3m；

浮囊直径R=76cm；

围油栏总高l1=152cm；

围油栏干舷h=61cm；

围油栏吃水H=91cm；

围油栏浮重比24：

1；

围油栏长度L=200m；

围油栏重量M=11.29千克/米；

围油栏材质聚氨酯或氯丁橡胶；

基座尺寸2540mm×2134mm；

重量空置时为1317千克。

在浮油回收船到达污染区域后采用扇形围控方式进行联合作业（图3.2），由于围油栏会在一定的情况下失效，所以在围油栏的限定范围内围取一定范围的海上溢油后，两拖轮把围油栏接头接在一起，浮油回收船开始卷绕围油栏，缩小围油的面积，加厚海上溢油，加强吸油口回收效率。

在浮油回收船回收围油栏时，两艘拖轮再次进行U型布防（图3.3），在围取一定浮油后把两端接头接到浮油回收船中，周而复始，直到回收所有的浮油[5]。

图3.2扇形围控

1-浮油回收船2-围油栏3-拖船4-浮油

图3.3U型围控

1-拖船2-围油栏3-浮油

3.2回收装置改进

当围油栏完成水上作业后需要回收围油栏，可以采用如图3.4所示的方法回收围油栏：

通过挤压滚轮机构挤压围油栏的气室，使气室内部的压力升高，当压力到达设定值时，旋塞在压力的作用下顶开卡紧它的钢珠，把旋塞弹出，这时气室内部的空气可以迅速排出，围油栏就可以方便地用卷轮回收。

在回收过程中，由于围油栏的外表面会粘有石油，需要人工清洗，为配合上面的回收装置，需要在挤压滚轮上加装对油具有粘附性的材料制成的吸油毯的连续运动，将具有一定粘度的浮油带离围油栏表面，并通过刮擦或挤压等手段将油从吸油绳上分离下来，转移到储油槽中，实现石油的二次回收。

下图是围油栏的回收卷绕装置原理图：

图3.4卷绕装置

1-卷辊　2-围油栏　3-挤压滚轮　4-气室　5-充气阀6-吸油毯7-收油箱8-挤压滚轮

对应采用的新型排气阀的工作原理如图3.5所示:

圆形阀体的外部和压板圆孔都带有螺纹，压板通过螺纹连接固定在阀体上。

安装排气阀时在气室壁上钻孔，然后把孔的边缘放入压板和阀体之间，转动压板将其夹紧。

在围油栏使用前可以转动调压螺丝来压缩弹簧，这样钢珠就被压紧在阀体钢球座的孔壁上，通过其外露的凸出部分顶住密封套。

通过调压螺丝可以控制弹簧压缩量来设定充气阀的排气压力。

密封套的下部加工成锥形，可以和阀体实现线密封以保