趙建平，安偉，張慶范，靳衛(wèi)衛(wèi)，劉保占

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 安全環(huán)保分公司，天津 300452；2.中海石油環(huán)保服務(天津)有限公司，天津 300457)

關于沉潛油的圍控，國外研究較少，對沉潛油的處置也主要集中于沉潛油的回收[1-2]，國內相關的研究也較少。河北海事局從沉潛油圍控清除入手，研發(fā)了沉潛油捕獲器[3]，主要用于探測和監(jiān)測水中是否含有沉潛油，并申請了實用新型專利[4]，圍控捕獲沉潛油的裝置的裙部由圍控網和加強帶組成，圍控網為親油性材料的通透網狀結構，對沉潛油具有吸附捕獲作用。首次提出了以梳狀或網狀結構粘附沉潛油，而不是單純的靠材料與沉潛油之間的吸附作用，一定程度上提高了吸附效率。天津漢海環(huán)保設備有限公司發(fā)明一種沉潛油攔截網[5]，攔截網上的網格單元由網線編織而成，網線表面粗糙且具有絨毛，進一步對網線表面進行處理，提高了攔截網對沉潛油的吸附效果。

依據相關單位對沉潛油進行粘掛的有益探索，結合沉潛油比一般重質原油和燃料油密度更大、粘附能力較弱，而且都呈一定形狀等特點，選擇一種多層網狀吸附材料作為圍油欄裙體對其進行圍控。其優(yōu)勢為：①兼顧了對沉潛油進行攔截、粘附;②通過多層網狀吸附材料的立體空間結構對沉潛油進行圍控、直至達到回收的目的。

1 整體設計

1.1 設計思路

沉潛油圍油欄裙體高2 m、每節(jié)長5 m、浮體直徑為0.5 m，考慮到布放位置為近岸，因此抗波高為2 m，最大抗流速定為1.5 m/s。

圍油欄裙體由帆布和多層網狀吸附材料構成(見圖1)，其中在帆布靠中部1 m的區(qū)域打有小孔，構成海水和沉潛油的進入通道，并在打孔區(qū)域處敷設多層網狀吸附材料。當海水攜帶沉潛油以一定速度經過圍油欄時，由于圍油欄裙體的阻擋作用，經過圍油欄孔眼的海水流速必然增加，利用水流慣性將沉潛油帶入到多層網狀吸附材料中，實現對沉潛油的吸附。

圖1 單節(jié)圍油欄示意

1.2 抗水流性能計算

圍油欄裙體面積為10 m2，打孔區(qū)域與未打孔區(qū)域比為1∶1，因此,打孔區(qū)域高度為1 m，面積為5 m2。由于孔眼直徑最大為1 m，在圍油欄裙體上最多能打4個孔，直徑為0.9 m，面積為2.543 4 m2。根據國家標準GB/T 36148.1—2018[6]中關于圍油欄裙體抗水流性能的計算。

水阻力：

經計算得出圍油欄裙體所受阻力約為16 200N。

2 裙體孔徑仿真模擬

根據GB/T36148.1—2018中關于圍油欄抗水流性能的計算，圍油欄抗水流性能只與受力面積及相對流速有關系。實際上，如果在圍油欄裙體上打孔且保持打孔區(qū)域孔眼總面積一定，不同孔眼數即不同孔眼直徑對圍油欄抗水流性能也有一定影響，因此,需模擬在圍油欄的裙體上打孔數量即孔眼直徑對圍油欄抗水流性能的影響。此外，圍油欄的抗水流性能不同，裙體帆布上孔眼內流速也不同，需對孔內流速進行模擬。

2.1 建模及參數設置

在圍油欄的裙體的帆布上打4個0.9m的孔眼，400個0.09m的孔眼和1 600個0.045m的孔眼共3種打孔參數。

1)物理模型。建模參數為圍油欄裙體高度為2m，布放水深為2.5m，圍油欄左右兩側各擴展3倍于本身長度，以模擬在廣闊水域中布放一段圍油欄的情況，符合圍油欄實際布設情況[7]，3D計算模型見圖2。

圖2 計算模型

坐標原點設置在圍油欄的左上角頂點處，見圖3。

圖3 裙體局部放大及其坐標位置(以4個孔為例)

2)網格劃分。采用非結構化網格[8]，網格數約1 000 000。

3)仿真參數及模型選取。模擬純水流作用，不考慮風浪影響，假設圍油欄裙體不可形變。不考慮重力的作用。水面自由邊界設為無摩擦的壁面[9]。選取標準k-ε湍流模型，標準壁面函數法處理邊界層流動。設流體的密度為1 025kg/m3；黏度為0.001 03Pa·s。

4)邊界條件設置。入口邊界為速度入口；出口邊界為自由出流；其余為固壁邊界[10]。參考壓力為1bar，設在坐標原點。

2.2 對抗水流性能的影響

在孔眼的總面積一定、水流流速為1.5m/s時，不同孔眼數即不同孔眼直徑的圍油欄前后表面的壓強分布見圖4。

圖4 圍油欄壓強分布

由圖4可見，裙體前表面的壓強分布不均勻，中間部分壓強較大，邊緣部分壓強較?。蝗贵w后表面的壓強在中間和邊緣分布基本均勻；說明裙體中間部分受力較大，是需要重點加強的部位。

在流速為1.5m/s時，圍油欄裙體受力見表1。

表1 流速為1.5 m/s圍油欄受力

由表1可見，打孔數越多，即孔徑越小，圍油欄前表面受力越小，圍油欄后表面受力為先減小后增大，但是后表面受力遠小于前表面的受力，整體上來看圍油欄的凈受力逐漸減小。

2.3 對孔內流速的影響

在孔眼的總面積一定、水流流速為1.5 m/s時，不同孔眼數即不同孔眼直徑的圍油欄打孔區(qū)域孔眼內水流分布見圖5。

圖5 不同打孔數YZ平面速度矢量分布局部放大

由圖5可見，水流在裙體背面打孔區(qū)域的上、下兩部分非打孔區(qū)域處產生漩渦；部分水流以較大的速度從裙體下部越過流到裙體背面?？籽蹆攘魉俜植家姳?。

表2 流速為1.5 m/s時孔內速度分布

由表2可見，當水流經過圍油欄時，由于圍油欄裙體的阻擋作用，孔眼內流速大于來流速度，且打孔數越多，孔徑越小，孔眼內流速越大。當打孔數為1 600個即孔徑為4.5 cm時，可將流速為1.5 m/s的水流加速至接近2 m/s。

3 實驗

在相同打孔面積條件下，打孔數越多，孔徑越小，則圍油欄裙體的受力越小，但是受材料強度和工藝的限制，打孔數不能無限多，因此,需在實驗室內對多層網狀吸附材料在孔徑多大的條件下吸附失效進行評價。在水流沖擊下，由于重質原油比海水中的沉潛油更易從吸附材料孔徑中穿過，因此,使用重質原油作為吸附材料失效評價的實驗用油。

在波浪槽底部設置一噴油口，用于模擬沉潛油在水體中。用材料掛架拖動吸附材料以0.4、0.8、1.2、1.6、2 m/s的速度經過噴油點，考察材料在不同速度下吸油效果，實驗裝置見圖6。

圖6 實驗裝置

拖帶速度為1.6 m/s時，孔徑分別為0.5、1、1.5 cm的吸附材料經過噴油口高清攝像頭拍攝照片見圖7。

圖7 不同孔徑吸附材料以1.5 m/s速度拖帶重質原油

由圖7可見，吸附材料在孔徑<1.5 cm，拖帶速度為1.6 m/s時，能夠對重質原油完全吸附。

拖帶速度為2 m/s時，孔徑為0.5、1、1.5 cm的吸附材料經過噴油口高清攝像頭拍攝照片見圖8。

圖8 不同孔徑吸附材料以1.5 m/s速度拖帶重質原油

由圖8可見，在材料孔徑≤1 cm的條件下，吸附材料能夠對重質原油完全吸附，不會產生脫附；當孔徑為1.5 cm時，重質原油會產生脫附。

因此，吸附材料孔徑為1.5 cm可完全吸附重質原油的水流流速為1.6 m/s；吸附材料孔徑為1 cm可完全吸附重質原油的水流流速為2 m/s。

4 結論

1)運用經驗公式和數值模擬對圍油欄裙體的抗水流性能進行計算，結果表明，兩者雖有差別，但隨著打孔數增多，孔徑不斷減小，差距越小。

2)通過對水流經過圍油欄時裙體上的壓強分布進行模擬，可知在相同開孔面積下，開孔數越多、孔徑越小，圍油欄所受阻力越小，孔眼內水流速度越大。

3)圍油欄裙體上帆布的打孔數為1 600個，孔眼直徑為4.5 cm，且多層網狀吸附材料的孔徑應<1 cm時，可以實現對1.5 m/s的水流攜帶的重質原油進行完全吸附。