适用于恶劣海况的新型海上溢油回收装置设计与应用分析

周俊辉, 魏东泽，刘月松，徐欣霞

(浙江海洋大学 海洋工程装备学院, 浙江 舟山 316022)

0 引言

海上运输是石油运输的主要途径，据估算，2019年全球原油海运运输量达到了21 亿t。我国是全球第一大原油进口国，2019年原油进口量为5.06 亿t，其中海运量为4.37 亿t，占比86.4%。根据统计，我国沿海平均每4天就会发生一起海上溢油事故。海上溢油事故不仅会造成严重的经济损失，还会给海洋生态环境系统造成难以修复的损害，因此研究海上溢油的应急处置技术和设备具有重大的经济和环境效益。一些研究者[1-5]在海上溢油应急处置方面进行了相关的研究，并取得了一定的成果，但恶劣海况下的海上溢油应急处置一直是薄弱环节。本文针对现有应急处置设备研发的不足和海上溢油处置的难点、特点，提出了适用于恶劣海况的新型溢油应急处置装置的研发思路并进行了概念性设计。

1 海上溢油处置技术现状

目前，海上溢油处置技术主要有物理方法、化学方法和生物方法，各自有一定的适用范围和优缺点。

1.1 物理处置法

物理处置法是目前最为常用的方法，也是二次污染最小的方法，常规的设备主要有收油机、吸油毡、溢油回收船及围油栏等，主要通过物理措施将原油吸收、捕捉后再进行分离、回收。

1）收油机是主要的收油装置之一，根据原理不同又可分为堰式收油机、管式收油机、浮筒式收油机等，具有适用范围广、收油效果好等优点，但都难以实现自动化操作，无法自主到达溢油地点，需要船舶和大量人力配合。

2）吸油毡也是常用的海上溢油回收材料之一，一般用于小型溢油事故。吸油毡适用效率较低，需要人工抛洒和回收，作业风险大，在恶劣海况下难以大规模使用，而且吸附油污后难以分离再利用，一般只能起辅助作用。

3）溢油回收船（如图1）是专门设计用来回收水面溢油的船舶。溢油回收船通常装备有各种物理或化学法回收装置，回收装置的选择视溢油量、溢油种类、海况等因素而定。溢油回收船的工作受海况条件影响极大，一般溢油回收船的抗风等级在6级左右，在恶劣海况下工作能力有时可下降20%～90%。因此，溢油回收船一般是在平静的海域内作业，同时，目前溢油回收船的智能化水平较低，需要配置大量的船员和溢油处置人员，人员伤亡的风险较大。

图1 多功能海上溢油回收船

4）围油栏也是一种常用的溢油处置设备，采用船舶拖曳的方式，由拖拉系统和悬臂支撑系统将海面上分散的油膜聚集在一起，以便集中处理。相较于其他方式，设置围油栏的方式操作简单，具有灵活可靠的优点，但易受天气、海浪等诸多因素的影响，且没有对溢油进行回收处理的能力，在恶劣海况条件下，围油栏的使用也受到很大的限制。

1.2 化学处理法

燃烧法是最常见的化学处理法，这种处理方法比其他方法更加彻底，成本较低，但燃烧会给大气环境造成二次污染，也可能给附近船舶和设施带来威胁。使用化学剂进行溢油处置也是化学处理方法之一，根据化学剂的作用原理不同分为消油剂、凝油剂和集油剂，但是这种方法二次污染更为严重，使用时需要海事部门的同意，需要谨慎使用。

1.3 生物处理法

利用微生物氧化分解石油的能力进行溢油处置存在理论上的可行性，但仍需要在安全性、有效性和环境友好程度等方面进行进一步研究，生物降解的速度也无法满足应急工作的需要。

2 海上溢油应急处置的难点、特点

相较于陆上溢油，海上溢油应急处置难度更大，因此也导致海上溢油往往产生更为严重的危害，主要体现在以下几个方面：

1）海上溢油风险源难以确定，影响范围更大。陆上溢油风险源往往比较固定，影响范围有限，而海上溢油特别是船舶导致的溢油难以提前预测并采取措施，一旦油品泄漏，会在风、浪、流的作用下不断扩散，且目前尚无能够准确预测溢油扩散路径的方法，提升了溢油应急处置的难度。

2）海上溢油处置的环境条件更为恶劣。海上溢油发生地往往具有风高浪急的特点，特别是远离海岸的区域，给溢油应急处置带来了极大的难度，目前常用的溢油处置设施设备大多无法在大风、大浪的环境下作业，或者作业效率大大下降，导致海上溢油无法得到及时有效的控制。

3）对溢油处置设备的工作能力要求更高。海上溢油事故大多发生于恶劣天气，对溢油设备的工作性能要求极高，目前投入使用的溢油设备或溢油回收船普遍不具备在大风、大浪环境下工作的能力，如果事故海域离陆地距离远，则处置的难度将大幅提升。

4）海上溢油应急处置产生的二次事故风险大。目前，海上溢油应急处置的自动化、智能化水平较低，进行海上溢油处置往往需要大量的船舶和人员参与，应急处置人员暴露于溢油环境中，存在火灾、爆炸、中毒等二次事故的可能性，给溢油应急处置带来严重的风险。据报道，2010年墨西哥湾“深水地平线”钻井平台爆炸后造成原油泄漏，造成当地人和47 000名参与了善后清理工作的人患病。

3 新型海上溢油回收装置概念设计及应用

随着对海上溢油危害的日益重视，海上溢油应急处置技术将会得到更多的关注和研究，特别是在海上溢油扩散模拟研究、恶劣海况溢油应急处置技术、自动化、智能化、“无人化”海上应急处置设备等方面将成为未来海上溢油应急处置技术研究的优先方向。近年来，作者针对海上溢油应急处置的关键难点进行了深入研究，并设计了多种适用于恶劣海况条件下的新型海上溢油应急处置设备，致力于提高应急设备的自动化、智能化，降低应急人员的二次伤害风险，并取得了国家发明专利授权，部分新型设备介绍如下：

1）一种自动化海上溢油回收装置（专利号：ZL20181 0822638.1，如图2）。该装置不同于传统的海上溢油回收装置，通过改良传统物理回收的方法，基于新型吸油材料、利用回转舱室收集溢油，整个过程较化学法相比不产生二次污染，对环境友好，并且不影响已回收溢油的再次使用性能。与传统物理法相比，该装置自动化程度高，能通过远程遥控实现吸油及航行全过程，高效快速，不需工作人员全程参与，节省了大量时间、劳动成本。另外，该装置也可以通过更换核心吸油材料使其广泛适用于各种油品，并且对事故发生地的地形开阔程度、海况情况和油膜厚度都没有过于严苛的要求。该装置溢油回收的流程设计如图3所示。

图2 一种自动化海上溢油回收装置

图3 溢油回收装置工作流程图

2）一种半潜式溢油清理装置（专利号CN104153333A，如图4）。该装置主要包括主体结构部分和设备部分，其中设备部分又包括自动导航系统、泵吸系统、油水分离系统、波浪发电系统、推进系统等。其主要工作流程如下：使用者可以利用装置中的自动化设备遥控指挥装置进行清污工作，设置在入口处的泵吸系统将溢油和海水的混合物吸收到装置内部，混合物通过躯干部分的油水分离装置后，分离出来的溢油由于密度较小向上流向溢油存放容器中或用管线输送到远处的船舶或岸上，分离出来的海水进入装有波浪发电装置的空间中用于发电，最后从尾部流出，形成一个完整的回收、处理系统，如图5所示。

图4 一种水上智能溢油清理装置

图5 半潜式溢油清理装置控制机理及工作程序

该装置具有如下优点：半潜于水中，受风浪作用较小，能够在恶劣的海况下工作；采用许多自动化装备，如自动导航系统，使整套装置基本实现自动化，工作人员只需要在远处的船舶或岸上操纵即可，减少暴露于溢油现场的危险性；该装置中增加了一套波浪发电系统，在风浪较大的情况下，反而能提供更多的能源，提高装置持续工作的能力，降低使用成本；该装置可以在溢油现场就完成整个油污的回收、处理工作，不需要像清污船那样把油污水运输到岸上再进行处理，减少来回运输的时间，工作效率高。

3）一种碾压式出油的溢油回收船（如图6）。该装置主要包括储油舱、转动轴和控制室等主要结构，储油舱内部上表面设有轨道、过滤板和碾压轮装置；2个转动轴设于船面，1个转动轴放吸油毡卷通过轨道固定到另一个转动轴上；控制室设于船面一侧，内置有定位装置、动力系统、雷达、视频传感器、控制器。

图6 一种碾压式出油的溢油回收船

该装置的优点如下：采用自动化控制系统，溢油回收过程中不需要工作人员直接参与，只需岸上操纵溢油回收船的运动轨迹即可，保障了清理溢油工作人员的人身安全，减少了暴露于溢油现场的危险性；通过碾压轮碾压吸油毡的方式和通过活动件上下移动挤压吸油毡的方式将溢油回收至储油舱，能够高效回收溢油，避免了油品的浪费，同时碾压或挤压过后的吸油毡通过回收可重复利用，降低了溢油回收成本。

上述3种新型海上溢油应急回收装置专门针对恶劣海况而设计，具有自动化程度高、抗风浪能力强、持续工作时间长、二次污染风险低等特点，能有效降低人员暴露风险，并获得了国家发明专利授权，在技术上具有较高的可行性。同时，能较好地应用于远离陆地的深远海，特别适合应对大规模海上溢油事故，开发应用的前景广阔。

4 结语

海上溢油事故的处置是一个世界性难题，给海洋环境造成了不可估量的损害，现有的溢油应急处置设备还难以满足溢油处理的需求，亟需加快研发步伐。本文在分析现有溢油应急处置技术和设备不足的基础上，结合海上溢油的难点，提出了适用于恶劣海况的新型海上溢油回收设备研发思路和设计构想，对海上溢油应急处置技术的研究和设备研发有一定的参考意义。