陳賦才

西安西北石油管道有限公司

 

摘要：通過(guò)分析圍油欄在激流中攔油的失效形式，研究和總結了激流水域中溢油圍控的基本理論和有效方法。提出了適合激流環(huán)境下的溢油圍控點(diǎn)的選擇、圍油欄的布放角度、圍油欄的錨固及保持圍控形狀的方法，列舉多級階梯、人字布放、重疊式J型結構等典型圍油欄布放形式，為河流溢油事件應對提供了較為實(shí)用的指導。

關(guān)鍵詞：溢油；激流；溢油圍控；溢油回收

 

近年來(lái)，水上溢油事件時(shí)有發(fā)生，如果溢油發(fā)生在激流河道或水域，在水流和風(fēng)的作用下將會(huì )迅速擴散和漂移，如果得不到及時(shí)圍控和回收，將會(huì )對大范圍水域和岸線(xiàn)造成污染。水域中溢油的綜合運動(dòng)速度，取決于流水表面流速（一般采用距離水面0.5 m處的流速）和現場(chǎng)風(fēng)速沿水流方向的作用分量。當溢油的綜合運動(dòng)速度大于1節（0.51 m/s）時(shí)，溢油會(huì )從圍油欄的底部逃逸，則圍控和回收將是很困難的事情。為此需要研究激流中圍油欄布設技術(shù)和方法，首先調查清楚河流地貌和河水流動(dòng)情況，選擇水流較緩慢的區域布設圍油欄。在水流速度較快的水域，通過(guò)改變圍油欄的布設形式和布設角度，減小激流在圍油欄垂直方向上的相對速度，以便提高圍控效率，阻止其進(jìn)一步擴散和漂移。

1  圍油欄攔油失效的機理

在激流環(huán)境中，圍油欄受水流、波浪等因素的影響，經(jīng)常會(huì )發(fā)生溢油逃逸和溢油飛濺（圖 1），導致攔油失效。溢油逃溢是當水流在相對圍油欄垂直方向的流速超過(guò)0.7節（溢油逃溢臨界流速）時(shí)，圍控的油膜下方會(huì )產(chǎn)生湍流，浮在水面的溢油會(huì )從圍油欄裙體下方發(fā)生逃溢，然后在圍油欄的另一側又重新形成油膜。溢油飛濺是在風(fēng)浪的作用下，當波高大于圍油欄干舷高度，而且波長(cháng)和波高的比例小于10∶1時(shí)，激流或波浪作用在圍油欄體上，使其下沉降低了在水面上的高度，溢油越過(guò)圍油欄上方到達圍油欄另一側，重新形成油膜。

圖 1 溢油逃溢（左）和溢油飛濺（右）

2  圍油欄的布放

2.1  溢油圍控點(diǎn)的選擇

對于中小型河流，溢油欄一般放置在河岸邊或者河流中間的建筑物（如橋梁），溢油通過(guò)圍油欄引導到安放收油機的地方回收。對于河面寬度超過(guò)180 m的大型河流，宜選擇河流的彎道處，將溢油引導到河流流速較緩慢的一側（彎道河流的內側）回收。支流匯入主河流時(shí)導致交匯處的下游水流速度加快，溢油回收宜在河流交匯處之前完成。交匯處的上下游常常會(huì )有環(huán)流，這些地方是天然溢油回收點(diǎn)，可以將溢油從主流引導到水流較緩慢的支流或者水灣。此外，水面漂浮的垃圾聚集點(diǎn)也是天然的溢油回收點(diǎn)，但是一定要在溢油到達之前清理出水面垃圾，以免損壞圍油欄。

2.2  圍油欄布放角度

為防止溢油逃溢導致攔油失效，圍油欄應與水流形成一定的角度，以減小激流在圍油欄垂直方向上的相對速度，即低于溢油逃溢的臨界流速。大多數河流都是中間流速高、向兩岸流速逐漸降低，基于這種流速分布，要使圍油欄和水流的夾角隨流速變化從岸邊到河中間逐漸減�。▓D 2）。

圖 2 圍油欄和水流的相對角度

河流中布放圍油欄的角度與流速的計算公式為：

Sin a＝V臨界/V水  （1）

式中：a為圍油欄與水流所成夾角，°；V臨界為溢油逃溢臨界流速；V水為水流速度，m/s。

2.3  圍油欄相對水流運動(dòng)

如果溢油表面流速超過(guò)臨界流速，以一定形狀固定的圍油欄就很難發(fā)揮圍控作用。這就需要圍油欄也沿水流方向運動(dòng)。用拖船沿兩邊分別牽引圍油欄的一端，使其在激流中保持穩定運動(dòng)，并保持與溢油的相對速度小于圍油欄失效臨界速度，這樣溢油就被完全圍控在圍油欄U形區域內，待轉移到水流平緩之處就可以回收溢油。

2.4  圍油欄的固定

由于水流、風(fēng)等諸多因素的影響，通常在流速固定的情況下大都采用錨來(lái)保持圍油欄的圍控形狀。圍油欄的設錨地點(diǎn)宜選在水流相對平緩的河段，水流流速不能超過(guò)臨界流速，并且要考慮下列因素： ①水流平緩之處即是水面相對開(kāi)闊處；②河床的底質(zhì)最好是軟泥底，泥沙底次之，沙或貝礫底的系留力很差，石頭底不宜拋一般的錨，可用混凝土重塊作為固定錨。

圍油欄受到的水流作用力為：

  （2）

式中： F為水流作用力，kg； Cd為圍油欄圍控形狀系數，取值為2；ρ為水的密度，kg/m3；A為圍油欄水面下總面積在垂直流速方向上的投影面積，m2；V為河流表面平均流速，m/s；g為重力加速度，m/s2。

在選擇錨具時(shí)，要根據式（2）計算出圍油欄受到的載荷，然后選擇可以提供足夠系留力的錨，為了避免單錨固定對錨的系留力要求過(guò)高，一般采用多錨固定。錨的系留力計算公式為：

P ＝Wa·λa   （3）

式中：P為錨的系留力，kg；Wa為錨在水中的重量（減掉錨在水中的浮力），kg；λa為錨的抓力系數，其值根據表 1選取。

表 1 不同底質(zhì)下錨的抓力系數

為了能夠得到曲率隨流速平滑變化的圍油欄布放形狀，在圍油欄上每隔6 m～10 m設置一個(gè)系泊點(diǎn)，各點(diǎn)用繩索牽拉，繩索另一端固定在錨上，這樣就使各段圍油欄都與水流形成適當夾角，能保持圍控形狀的穩定性。

3  典型的圍油欄布放形式

3.1  多級階梯布放

當水流速度超過(guò)3節時(shí)，單級圍油欄過(guò)長(cháng)會(huì )導致水流拉力過(guò)大，難以布放成理想的結構。通過(guò)縮短圍油欄長(cháng)度，以多級階梯式布放圍油欄能夠解決這個(gè)難題。

階梯式布放圍油欄的好處在于每節圍油欄的受力變小，這樣可以使用較小的錨來(lái)固定圍油欄。如果被沖走或移動(dòng)一組圍油欄，其余圍油欄仍然保持在原有位置，不會(huì )導致整個(gè)圍油欄結構被破壞。這種技術(shù)常用在水面較寬的激流中，可將溢油從水流較急的河流中間引導到河邊回收（圖 3）。

圖 3 圍油欄階梯布放將溢油引導到岸邊回收

3.2  人字布放

對于小港灣、中小河流，可采用圍油欄人字布放結構。它的最大有效水流速度為2節，具有布放速度快的優(yōu)點(diǎn)。圍油欄和水流的角度必須滿(mǎn)足水流和圍油欄之間的相對速度大于0.7節。圍油欄人字結構有封閉式和開(kāi)口式兩種（圖 4）。

圖 4 圍油欄人字布放示意圖

標準的封閉人字結構圍油欄布放采用一個(gè)位于水體中間的錨點(diǎn)，兩組圍油欄連接到中間的錨點(diǎn)。圍油欄的尾部分別連接到兩岸的錨點(diǎn)上。圍油欄的形狀通過(guò)調節圍油欄松緊度決定。圍油欄的長(cháng)度決定圍油欄和水流之間的角度。一般不需要再加錨固定。這種方法在有預先修建錨柱的情況下最有效，可以快速布放圍油欄。

如果河流中有通航需要，必須使用開(kāi)口人字結構布放圍油欄。需要在河流的中間設兩個(gè)錨，錨之間保持一定距離，方便船只通過(guò)。固定錨時(shí)，應該讓圍油欄有部分重疊，這樣可以確保不讓浮油逃逸（圖 5）。

3.3  重疊式J型布放

重疊式圍油欄J型布放結構適合于較寬（180 m以上）水面溢油圍控或岸線(xiàn)保護，以將溢油引導到收集地點(diǎn)。但是需要使用水底錨固定圍油欄及馬力較大的船只。為了確保圍油欄保持理想角度，建議每組圍油欄長(cháng)度以15 m～30 m為宜。J型結構中，溢油經(jīng)常從圍油欄J的下游逃逸，因為J的頂部圍油欄角度常常會(huì )大于最佳引導溢油角度。下游的圍油欄應該和上游的圍油欄有足夠的距離，確保從上游逃逸的浮油能浮出水面，被圍油欄收集（圖 6）。

圖 6 重疊式圍油欄J型布放

4  結束語(yǔ)

通過(guò)分析激流水域圍油欄攔油失效機理，系統介紹了溢油回收點(diǎn)的選擇、圍油欄布設角度、圍油欄相對水流運動(dòng)布設、圍油欄的固定方法等。并舉例介紹了激流條件下幾種典型的圍油欄布放形式，為河流溢油應急提供了較為詳實(shí)的理論指導。下一步還需研究討論工程應用案例，分析實(shí)踐中存在的問(wèn)題，總結各種布放方式經(jīng)驗做法，以便對激流條件下溢油圍控和回收的快速決策和有效實(shí)施更具指導意義。

 

作者簡(jiǎn)介：陳賦才，1985年生，工程師，本科畢業(yè)于西安石油大學(xué)，研究生畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，現從事管道維搶修、油氣管道運行等工作。聯(lián)系方式： 18710455865，359768910@qq.com。