陳賦才

西安西北石油管道有限公司

 

摘要：通過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。提出了適合激流環境下的溢油圍控點的選擇、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用的指導。

關鍵詞：溢油；激流；溢油圍控；溢油回收

 

近年來，水上溢油事件時有發生，如果溢油發生在激流河道或水域，在水流和風的作用下將會迅速擴散和漂移，如果得不到及時圍控和回收，將會對大范圍水域和岸線造成污染。水域中溢油的綜合運動速度，取決于流水表面流速（一般采用距離水面0.5 m處的流速）和現場風速沿水流方向的作用分量。當溢油的綜合運動速度大于1節（0.51 m/s）時，溢油會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和方法，首先調查清楚河流地貌和河水流動情況，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，阻止其進一步擴散和漂移。

1  圍油欄攔油失效的機理

在激流環境中，圍油欄受水流、波浪等因素的影響，經常會發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0.7節（溢油逃溢臨界流速）時，圍控的油膜下方會產生湍流，浮在水面的溢油會從圍油欄裙體下方發生逃溢，然后在圍油欄的另一側又重新形成油膜。溢油飛濺是在風浪的作用下，當波高大于圍油欄干舷高度，而且波長和波高的比例小于10∶1時，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），溢油通過圍油欄引導到安放收油機的地方回收。對于河面寬度超過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有環流，這些地方是天然溢油回收點，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也是天然的溢油回收點，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小（圖 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

如果溢油表面流速超過臨界流速，以一定形狀固定的圍油欄就很難發揮圍控作用。這就需要圍油欄也沿水流方向運動。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，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保持圍油欄的圍控形狀。圍油欄的設錨地點宜選在水流相對平緩的河段，水流流速不能超過臨界流速，并且要考慮下列因素： ①水流平緩之處即是水面相對開闊處；②河床的底質最好是軟泥底，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，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設置一個系泊點，各點用繩索牽拉，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3節時，單級圍油欄過長會導致水流拉力過大，難以布放成理想的結構。通過縮短圍油欄長度，以多級階梯式布放圍油欄能夠解決這個難題。

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固定圍油欄。如果被沖走或移動一組圍油欄，其余圍油欄仍然保持在原有位置，不會導致整個圍油欄結構被破壞。這種技術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點。圍油欄和水流的角度必須滿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位于水體中間的錨點，兩組圍油欄連接到中間的錨點。圍油欄的尾部分別連接到兩岸的錨點上。圍油欄的形狀通過調節圍油欄松緊度決定。圍油欄的長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，必須使用開口人字結構布放圍油欄。需要在河流的中間設兩個錨，錨之間保持一定距離，方便船只通過。固定錨時，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保護，以將溢油引導到收集地點。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，建議每組圍油欄長度以15 m～30 m為宜。J型結構中，溢油經常從圍油欄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

通過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的選擇、圍油欄布設角度、圍油欄相對水流運動布設、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的理論指導。下一步還需研究討論工程應用案例，分析實踐中存在的問題，總結各種布放方式經驗做法，以便對激流條件下溢油圍控和回收的快速決策和有效實施更具指導意義。

 

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