激流条件下溢油围控技术研究｜盘石动力

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激流条件下溢油围控技术研究

盘石动力

2022-03-01 10:47:32 评论（0）

激流条件下溢油围控技术研究

陈赋才

西安西北石油管道有限公司

摘要：通过分析围油栏在激流中拦油的失效形式，研究和总结了激流水域中溢油围控的基本理论和有效方法。提出了适合激流环境下的溢油围控点的选择、围油栏的布放角度、围油栏的锚固及保持围控形状的方法，列举多级阶梯、人字布放、重叠式J型结构等典型围油栏布放形式，为河流溢油事件应对提供了较为实用的指导。

关键词：溢油；激流；溢油围控；溢油回收

近年来，水上溢油事件时有发生，如果溢油发生在激流河道或水域，在水流和风的作用下将会迅速扩散和漂移，如果得不到及时围控和回收，将会对大范围水域和岸线造成污染。水域中溢油的综合运动速度，取决于流水表面流速（一般采用距离水面0.5 m处的流速）和现场风速沿水流方向的作用分量。当溢油的综合运动速度大于1节（0.51 m/s）时，溢油会从围油栏的底部逃逸，则围控和回收将是很困难的事情。为此需要研究激流中围油栏布设技术和方法，首先调查清楚河流地貌和河水流动情况，选择水流较缓慢的区域布设围油栏。在水流速度较快的水域，通过改变围油栏的布设形式和布设角度，减小激流在围油栏垂直方向上的相对速度，以便提高围控效率，阻止其进一步扩散和漂移。

1 围油栏拦油失效的机理

在激流环境中，围油栏受水流、波浪等因素的影响，经常会发生溢油逃逸和溢油飞溅（图 1），导致拦油失效。溢油逃溢是当水流在相对围油栏垂直方向的流速超过0.7节（溢油逃溢临界流速）时，围控的油膜下方会产生湍流，浮在水面的溢油会从围油栏裙体下方发生逃溢，然后在围油栏的另一侧又重新形成油膜。溢油飞溅是在风浪的作用下，当波高大于围油栏干舷高度，而且波长和波高的比例小于10∶1时，激流或波浪作用在围油栏体上，使其下沉降低了在水面上的高度，溢油越过围油栏上方到达围油栏另一侧，重新形成油膜。

图 1 溢油逃溢（左）和溢油飞溅（右）

2 围油栏的布放

2.1 溢油围控点的选择

对于中小型河流，溢油栏一般放置在河岸边或者河流中间的建筑物（如桥梁），溢油通过围油栏引导到安放收油机的地方回收。对于河面宽度超过180 m的大型河流，宜选择河流的弯道处，将溢油引导到河流流速较缓慢的一侧（弯道河流的内侧）回收。支流汇入主河流时导致交汇处的下游水流速度加快，溢油回收宜在河流交汇处之前完成。交汇处的上下游常常会有环流，这些地方是天然溢油回收点，可以将溢油从主流引导到水流较缓慢的支流或者水湾。此外，水面漂浮的垃圾聚集点也是天然的溢油回收点，但是一定要在溢油到达之前清理出水面垃圾，以免损坏围油栏。

2.2 围油栏布放角度

为防止溢油逃溢导致拦油失效，围油栏应与水流形成一定的角度，以减小激流在围油栏垂直方向上的相对速度，即低于溢油逃溢的临界流速。大多数河流都是中间流速高、向两岸流速逐渐降低，基于这种流速分布，要使围油栏和水流的夹角随流速变化从岸边到河中间逐渐减小（图 2）。

图 2 围油栏和水流的相对角度

河流中布放围油栏的角度与流速的计算公式为：

Sin a＝V临界/V水（1）

式中：a为围油栏与水流所成夹角，°；V临界为溢油逃溢临界流速；V水为水流速度，m/s。

2.3 围油栏相对水流运动

如果溢油表面流速超过临界流速，以一定形状固定的围油栏就很难发挥围控作用。这就需要围油栏也沿水流方向运动。用拖船沿两边分别牵引围油栏的一端，使其在激流中保持稳定运动，并保持与溢油的相对速度小于围油栏失效临界速度，这样溢油就被完全围控在围油栏U形区域内，待转移到水流平缓之处就可以回收溢油。

2.4 围油栏的固定

由于水流、风等诸多因素的影响，通常在流速固定的情况下大都采用锚来保持围油栏的围控形状。围油栏的设锚地点宜选在水流相对平缓的河段，水流流速不能超过临界流速，并且要考虑下列因素：①水流平缓之处即是水面相对开阔处；②河床的底质最好是软泥底，泥沙底次之，沙或贝砾底的系留力很差，石头底不宜抛一般的锚，可用混凝土重块作为固定锚。

围油栏受到的水流作用力为：

式中：F为水流作用力，kg；Cd为围油栏围控形状系数，取值为2；ρ为水的密度，kg/m³；A为围油栏水面下总面积在垂直流速方向上的投影面积，m²；V为河流表面平均流速，m/s；g为重力加速度，m/s²。

在选择锚具时，要根据式（2）计算出围油栏受到的载荷，然后选择可以提供足够系留力的锚，为了避免单锚固定对锚的系留力要求过高，一般采用多锚固定。锚的系留力计算公式为：

P ＝Wa·λa （3）

式中：P为锚的系留力，kg；Wa为锚在水中的重量（减掉锚在水中的浮力），kg；λa为锚的抓力系数，其值根据表 1选取。

表 1 不同底质下锚的抓力系数

为了能够得到曲率随流速平滑变化的围油栏布放形状，在围油栏上每隔6 m～10 m设置一个系泊点，各点用绳索牵拉，绳索另一端固定在锚上，这样就使各段围油栏都与水流形成适当夹角，能保持围控形状的稳定性。

3 典型的围油栏布放形式

3.1 多级阶梯布放

当水流速度超过3节时，单级围油栏过长会导致水流拉力过大，难以布放成理想的结构。通过缩短围油栏长度，以多级阶梯式布放围油栏能够解决这个难题。

阶梯式布放围油栏的好处在于每节围油栏的受力变小，这样可以使用较小的锚来固定围油栏。如果被冲走或移动一组围油栏，其余围油栏仍然保持在原有位置，不会导致整个围油栏结构被破坏。这种技术常用在水面较宽的激流中，可将溢油从水流较急的河流中间引导到河边回收（图 3）。

图 3 围油栏阶梯布放将溢油引导到岸边回收

3.2 人字布放

对于小港湾、中小河流，可采用围油栏人字布放结构。它的最大有效水流速度为2节，具有布放速度快的优点。围油栏和水流的角度必须满足水流和围油栏之间的相对速度大于0.7节。围油栏人字结构有封闭式和开口式两种（图 4）。

图 4 围油栏人字布放示意图

标准的封闭人字结构围油栏布放采用一个位于水体中间的锚点，两组围油栏连接到中间的锚点。围油栏的尾部分别连接到两岸的锚点上。围油栏的形状通过调节围油栏松紧度决定。围油栏的长度决定围油栏和水流之间的角度。一般不需要再加锚固定。这种方法在有预先修建锚柱的情况下最有效，可以快速布放围油栏。

如果河流中有通航需要，必须使用开口人字结构布放围油栏。需要在河流的中间设两个锚，锚之间保持一定距离，方便船只通过。固定锚时，应该让围油栏有部分重叠，这样可以确保不让浮油逃逸（图 5）。

图 5 围油栏开口人字布放

3.3 重叠式J型布放

重叠式围油栏J型布放结构适合于较宽（180 m以上）水面溢油围控或岸线保护，以将溢油引导到收集地点。但是需要使用水底锚固定围油栏及马力较大的船只。为了确保围油栏保持理想角度，建议每组围油栏长度以15 m～30 m为宜。J型结构中，溢油经常从围油栏J的下游逃逸，因为J的顶部围油栏角度常常会大于最佳引导溢油角度。下游的围油栏应该和上游的围油栏有足够的距离，确保从上游逃逸的浮油能浮出水面，被围油栏收集（图 6）。

图 6 重叠式围油栏J型布放

4 结束语

通过分析激流水域围油栏拦油失效机理，系统介绍了溢油回收点的选择、围油栏布设角度、围油栏相对水流运动布设、围油栏的固定方法等。并举例介绍了激流条件下几种典型的围油栏布放形式，为河流溢油应急提供了较为详实的理论指导。下一步还需研究讨论工程应用案例，分析实践中存在的问题，总结各种布放方式经验做法，以便对激流条件下溢油围控和回收的快速决策和有效实施更具指导意义。