張 勤，孫永明

（上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海201306）

1 引言

石油和應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展帶動(dòng)了海洋石油的快速增長，同時(shí)也增加了海上石油污染的風(fēng)險(xiǎn)。在海上發(fā)生溢油的事故時(shí)，要對(duì)溢油進(jìn)行處理，對(duì)于海上溢油如何處理如何圍控以及更好地回收則需要使用很多專業(yè)的工具，目前在船舶市場上陳列著各式各樣的類型的設(shè)備。然而最常用最有效最普通的還是圍油欄。首先它不會(huì)對(duì)海洋造成二次污染，體積很輕，投放與回收更方便，并且很多經(jīng)過優(yōu)化結(jié)構(gòu)的圍油欄使攔截效率有了很大的提高。

圍油欄在研制初期被看作是一種緊急情況的急救措施，主要用于煉油廠、儲(chǔ)油廠等地方。然而它真正被重視是在20世紀(jì)60年代初、70年代末，那時(shí)原油泄漏事故頻發(fā)，為了防治與處理海上的溢油事故，隨著專家、學(xué)者深入、廣泛地研制，圍油欄才真正逐漸成為一種高效的防污器材［1］。

2 圍油欄的結(jié)構(gòu)、特性與分類

圍油欄構(gòu)造簡單、操作方便、投資很小，大致分為三個(gè)作用。

（1）溢油圍控。指把泄漏的油控制集中到一個(gè)很小的范圍內(nèi)，防止其繼續(xù)擴(kuò)散，然后對(duì)溢油進(jìn)行回收和處理。

（2）溢油疏導(dǎo)。指利用圍油欄使溢油按特定的路線流到某個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行處理，防止其流到某些敏感區(qū)域。

（3）防止?jié)撛谝缬?。是指在某些溢油事故頻發(fā)的地方，根據(jù)實(shí)際的水流和地形，提前布置圍油欄防控，這樣當(dāng)溢油事故發(fā)生時(shí)，就能及時(shí)有效地進(jìn)行處理［2］。

圍油欄種類很多形式各異，但是其基本結(jié)構(gòu)都是大同小異的，組成部分是：浮體、裙體、張力帶、配重和接口。浮體又叫浮子，為圍油欄提供浮力，使得圍油欄能夠飄浮在海面。裙體是浮體以下的連接部分，作用是防止溢油從圍油欄的下面逃逸。張力帶是承受圍油欄水平拉力的部件，包括鏈條和帶子，其主要作用是用來承受風(fēng)浪、潮流等所產(chǎn)生的拉力。配重是在裙體下面，是使圍油欄保持平衡的壓載物，使圍油欄的性能保持最理想的狀態(tài)。

在圍油欄研制初期，日本將圍油欄分為A、B、C、D 型［3］。

A型圍油欄：吃水深度30cm，高出水面20cm；

B型圍油欄：吃水深度40cm，高出水面30cm；

C型圍油欄：吃水深度60cm以上，高出水面40cm以上；

D型圍油欄：吃水深度80cm以上，高出水面60cm以上。

目前圍油欄大致可以分為以下5類［4］。

（1）按圍油欄結(jié)構(gòu)形態(tài)分，可分為柵欄式圍油欄和屏障式圍油欄。

（2）按圍油欄放置和浮沉情況，可以分為浮沉式圍油欄、浮上式圍油欄、定置式圍油欄和非定置式圍油欄。

（3）根據(jù)圍油欄使用場所，分為外海圍油欄、港口圍油欄和河流圍油欄。

（4）根據(jù)圍油欄的使用方法，可分為可搬式圍油欄、固定圍油欄、拖帶式圍油欄和船載圍油欄。

（5）根據(jù)圍油欄硬度，可分為柔性圍油欄、半柔性圍油欄和剛性圍油欄［5］。

目前應(yīng)用最普遍的圍油欄是固體浮子式圍油欄和充氣式圍油欄，結(jié)構(gòu)如下。

（1）固體浮子式圍油欄的結(jié)構(gòu)。固體浮子式圍油欄由裙體、浮體、脊繩、接頭、配重鏈和柔性段等組件組成，每隔20m為一組，圍油欄的浮體是PVC包布內(nèi)夾固體泡沫，各個(gè)浮體之間依靠柔性段連接，如圖1所示［6］。

（2）充氣式圍油欄的結(jié)構(gòu)。充氣式圍油欄由接頭板、配重鏈、張力帶、充氣閥、氣室和本體等組件構(gòu)成，其圍油欄本體是一條耐油膠帶，在水面之上和水面之下形成薄薄的屏障，其上部設(shè)有氣囊，且每個(gè)氣囊間是互不相通的，在使用的時(shí)候，氣囊就會(huì)充滿氣，再用于截?cái)r溢油，如圖2所示。

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

圖1 固體浮子式圍油欄基本結(jié)構(gòu)

圖2 充氣式圍油欄基本結(jié)構(gòu)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)和軟件的普及，人們已經(jīng)逐漸由實(shí)驗(yàn)的方法轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件來模擬波浪、風(fēng)、水流等因素對(duì)圍油欄的影響從而檢驗(yàn)圍油欄的性能。這樣不僅節(jié)約了大量的人力、財(cái)力和物力，而且還大幅提升了試驗(yàn)的效率和準(zhǔn)確性［7］。

浮子結(jié)構(gòu)對(duì)攔油的效果有比較大的影響。C.M.Lee和K.H.Kang通過實(shí)驗(yàn)得出圍油欄的浮子式為圓柱形時(shí)的攔油效果最好，在矩形的浮子和裙體之間沒有鉸鏈，使得浮子和裙體不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，從而不能更好地適應(yīng)各種海上環(huán)境。H.M.Brown，C－F AN等人用計(jì)算機(jī)成功地模擬了圍油欄攔油過程的攔油失效現(xiàn)象，并利用二維模擬得到了三種圍油欄攔油失效的形式。張政等人在AN的基礎(chǔ)上，通過自己編輯程序，采用VOF的方法數(shù)值模擬攔油過程，得出了低粘度的油易反正“反射”現(xiàn)象的結(jié)論，同時(shí)成功模擬出油滴夾帶失效與臨界累計(jì)失效（粘度很大的油在水流的速度超過臨界速度的時(shí)候發(fā)生的累積失效現(xiàn)象）［8～10］。

由于風(fēng)浪與水流等條件影響，過去傳統(tǒng)單一結(jié)構(gòu)的圍油攔不能很好適用在某些惡劣的海況，而一味地增加圍油欄深度，雖能改善攔油的效果，但是圍油欄在水流和波浪的影響下容易發(fā)生變形，使得有效欄深減小。于是Lee等人提出了雙體圍油欄，并運(yùn)用拉格朗日粒子追蹤法，得到雙體圍油欄的欄間距在8.0倍欄深時(shí)，攔油效果最好。于桂峰等人應(yīng)用Fluent軟件對(duì)單、雙體圍油欄適用的條件進(jìn)行模擬，得到在水流速度在每秒0.2 m時(shí)攔油能力相對(duì)提高率達(dá)到2.66667。

孫添虎研究了不同結(jié)構(gòu)和材料的網(wǎng)－柵結(jié)構(gòu)圍油欄的攔油特性，根據(jù)不同水流、風(fēng)速和波浪環(huán)境的變化分析其攔油特性，并進(jìn)行優(yōu)化選?。?1］。王緒勝等人通過對(duì)傳統(tǒng)圍油欄攔油失效原因的研究，提出了一種新型結(jié)構(gòu)，并利用Fluent軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，為新型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。蔡軍、陳新響等人提出了一種自充氣圍油欄的設(shè)計(jì)思路，及自充氣圍油欄利用自帶的二氧化碳的氣瓶對(duì)圍油欄的浮體進(jìn)行充氣，從而實(shí)現(xiàn)圍油欄浮體的自動(dòng)充氣，并且在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)充氣和回收的自動(dòng)化。由于Wong等人對(duì)傳統(tǒng)實(shí)心圍油欄的形狀進(jìn)行優(yōu)化的過程過于復(fù)雜，在現(xiàn)實(shí)中難以實(shí)現(xiàn)，魏芳、劉曉峰等人從實(shí)際出發(fā)，對(duì)其進(jìn)行簡易的優(yōu)化，得到了4種優(yōu)化方案，并通過數(shù)值模擬方法對(duì)形狀優(yōu)化后圍油欄的攔油失效時(shí)間、欄前受壓分布和攔油失效速度進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算分析，從而說明其提出的優(yōu)化具有可行性，并對(duì)圍油欄技術(shù)改進(jìn)提供了理論數(shù)據(jù)。

王建偉通過多組的數(shù)值模擬，分析了溢油的品質(zhì)和水流速度對(duì)圍油欄攔油效果的影響，并實(shí)現(xiàn)了圍油欄在受到船舶牽引的狀態(tài)下的隨動(dòng)模擬，為不同結(jié)構(gòu)圍油欄的優(yōu)化和選擇提供的依據(jù)。張博實(shí)現(xiàn)了圍油欄在不同海況和風(fēng)浪下的隨動(dòng)模擬，不同海況條件下對(duì)不同形狀的圍油欄的攔油特性進(jìn)行研究，并進(jìn)行優(yōu)化選取，為不同海況下圍油欄的選擇優(yōu)化提供了依據(jù)。劉獻(xiàn)強(qiáng)等人通過分析圍油欄在急流溢油使用中的4個(gè)典型問題（圍油欄不穩(wěn)定性、溢油逃逸、溢油泄漏、溢油飛濺），談?wù)摿?種情況的應(yīng)對(duì)措施與相應(yīng)圍油欄的優(yōu)化選擇，為急流條件下對(duì)溢油污染防治以及圍油欄的選擇提供了參考借鑒。

4 結(jié)論

近幾年來，對(duì)圍油欄的研究大約分為三個(gè)方面。第一，從圍油欄利用數(shù)值分析模擬進(jìn)行研究。通過分析溢油的品質(zhì)和水流速度對(duì)圍油欄攔油效果的影響，實(shí)現(xiàn)圍油欄在受到船舶牽引的狀態(tài)下的隨動(dòng)模擬，或者實(shí)現(xiàn)圍油欄在不同海況和風(fēng)浪下的隨動(dòng)模擬，在不同海況條件下對(duì)不同形狀的圍油欄的攔油特性進(jìn)行研究等。第二，對(duì)圍油欄結(jié)構(gòu)的研究和優(yōu)化。利用Fluent軟件對(duì)一個(gè)或者多個(gè)圍油欄在適用條件下進(jìn)行模擬對(duì)比，通過結(jié)論進(jìn)行分析，然后對(duì)圍油欄進(jìn)行優(yōu)化。第三，從圍油欄分類進(jìn)行研究。外海圍油欄主要用于風(fēng)、浪較大的情況，它的柔性和乘波性較好，且重量和總高度較大。河流圍油欄主要用于內(nèi)陸河流、湖泊，它的體積小、重量較輕。港口圍油欄主要適用于港口圍船和圍油，其大小和重量介于外海圍油欄和河流圍油欄之間。

5 結(jié)語

如今，由于計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，人們大多采用數(shù)值模擬的方法對(duì)圍油欄材料、性能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，這樣既避免了在極度惡劣的環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可能產(chǎn)生的危險(xiǎn)，又很大程度上節(jié)約了資源。不同結(jié)構(gòu)的圍油欄的出現(xiàn)大大地提高了圍油欄的攔油效果，在以后的研究中，應(yīng)該加大對(duì)不同結(jié)構(gòu)圍油欄的數(shù)值模擬分析，為圍油欄結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

［1］魏 芳，林建國，許 穎.圍油欄研制的歷史、現(xiàn)狀及數(shù)值模擬的應(yīng)用展望［C］//中國船舶學(xué)會(huì).船舶防污染學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.西寧：船舶防污染學(xué)術(shù)年會(huì)，2006.

［2］魏 芳，劉曉峰，林建國，等.圍油欄性能優(yōu)化的數(shù)值模擬［J］.交通環(huán)保，2007（7）：39～44.

［3］孫永明.海洋與港口船舶防污染技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［4］王緒勝.某新型結(jié)構(gòu)圍油欄的數(shù)值模擬分析［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2011（7）.

［5］李長海.曲面式集油器內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究［D］.大連：大連海事大學(xué)，2013.

［6］許祖美.日本的海洋污染防治技術(shù)［J］.海洋環(huán)境科學(xué)，2010（9）.

［7］F.Fang，A，J.Johnston.Oil Containment by Boom in Waves and Wind：III：Containment Failure［J］.Journal of Waterway，Port，Coastal，and Ocean Engineering.2001，127（4）：234～239.

［8］F.Fang，A，J.Johnston.Oil Containment by Boom in Waves and Wind：II：Waves［J］.Journal of Waterway，Port，Coastal，and O－cean Engineering.2001，127（4）：228～233.

［9］于桂峰.基于Fluent典型結(jié)構(gòu)圍油欄適用條件數(shù)值實(shí)驗(yàn)［J］.大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010（2）.

［10］寧成浩.圍油柵失效的數(shù)值模擬研究［D］.北京：北京化工大學(xué)，2008.

［11］魏 芳.圍油欄在多種海況卜攔油效果及形狀優(yōu)化的數(shù)值模擬［D］.大連：大連海事大學(xué)，2007.