海上溢油围油栏研究现状

摘要：指出了围油栏是用水域中防止油扩散、缩小溢油面积，转移溢油及保护水域环境的重要防污设备之一。对目前使用围油栏的分类、特性、结构以及围油栏研制的历史和现状做了较详尽的阐述，结合围油栏研制的历史和现状作了进一步的分析和展望。

关键词：围油栏;海上溢油;研究现状

中图分类号：U698.7

文献标识码：A文章编号：1674-9944（2015）04-0284-03

1引言

石油和应用领域的发展带动了海洋石油的快速增长，同时也增加了海上石油污染的风险。在海上发生溢油的事故时，要对溢油进行处理，对于海上溢油如何处理如何围控以及更好地回收则需要使用很多专业的工具，目前在船舶市场上陈列着各式各样的类型的设备。然而最常用最有效最普通的还是围油栏。首先它不会对海洋造成二次污染，体积很轻，投放与回收更方便，并且很多经过优化结构的围油栏使拦截效率有了很大的提高。

围油栏在研制初期被看作是一种紧急情况的急救措施，主要用于炼油厂、储油厂等地方。然而它真正被重视是在20世纪60年代初、70年代末，那时原油泄漏事故频发，为了防治与处理海上的溢油事故，随着专家、学者深入、广泛地研制，围油栏才真正逐渐成为一种高效的防污器材[1]。

2围油栏的结构、特性与分类

围油栏构造简单、操作方便、投资很小，大致分为三个作用。

（1）溢油围控。指把泄漏的油控制集中到一个很小的范围内，防止其继续扩散，然后对溢油进行回收和处理。

（2）溢油疏导。指利用围油栏使溢油按特定的路线流到某个地点进行处理，防止其流到某些敏感区域。

（3）防止潜在溢油。是指在某些溢油事故频发的地方，根据实际的水流和地形，提前布置围油栏防控，这样当溢油事故发生时，就能及时有效地进行处理[2]。

围油栏种类很多形式各异，但是其基本结构都是大同小异的，组成部分是：浮体、裙体、张力带、配重和接口。浮体又叫浮子，为围油栏提供浮力，使得围油栏能够飘浮在海面。裙体是浮体以下的连接部分，作用是防止溢油从围油栏的下面逃逸。张力带是承受围油栏水平拉力的部件，包括链条和带子，其主要作用是用来承受风浪、潮流等所产生的拉力。配重是在裙体下面，是使围油栏保持平衡的压载物，使围油栏的性能保持最理想的状态。

在围油栏研制初期，日本将围油栏分为A、B、C、D型[3]。

A型围油栏：吃水深度30cm，高出水面20cm;

B型围油栏：吃水深度40cm，高出水面30cm;

C型围油栏：吃水深度60cm以上，高出水面40cm以上;

D型围油栏：吃水深度80cm以上，高出水面60cm以上。

目前围油栏大致可以分为以下5类[4]。

（1）按围油栏结构形态分，可分为栅栏式围油栏和屏障式围油栏。

（2）按围油栏放置和浮沉情况，可以分为浮沉式围油栏、浮上式围油栏、定置式围油栏和非定置式围油栏。

（3）根据围油栏使用场所，分为外海围油栏、港口围油栏和河流围油栏。

（4）根据围油栏的使用方法，可分为可搬式围油栏、固定围油栏、拖带式围油栏和船载围油栏。

（5）根据围油栏硬度，可分为柔性围油栏、半柔性围油栏和刚性围油栏[5]。

目前应用最普遍的围油栏是固体浮子式围油栏和充气式围油栏，结构如下。

（1）固体浮子式围油栏的结构。固体浮子式围油栏由裙体、浮体、脊绳、接头、配重链和柔性段等组件组成，每隔20m为一组，围油栏的浮体是PVC包布内夹固体泡沫，各个浮体之间依靠柔性段连接，如图1所示[6]。

图1固体浮子式围油栏基本结构

1-接头;2-压板;3，7-包布;4-柔性隔;5-拉力带;6-脊绳;8-浮子;9固锚座;10-裙体;11-吃水线;12-泄水孔;13-配重链;L-围油栏节长度;M-围油栏本体;H-总高;H1-干舷;H2-吃水

（2）充气式围油栏的结构。充气式围油栏由接头板、配重链、张力带、充气阀、气室和本体等组件构成，其围油栏本体是一条耐油胶带，在水面之上和水面之下形成薄薄的屏障，其上部设有气囊，且每个气囊间是互不相通的，在使用的时候，气囊就会充满气，再用于截拦溢油，如图2所示。

3国内外研究现状

随着科学技术的发展，计算机和软件的普及，人们已经逐渐由实验的方法转变为运用计算机软件来模拟波浪、风、水流等因素对围油栏的影响从而检验围油栏的性能。这样不仅节约了大量的人力、财力和物力，而且还大幅提升了试验的效率和准确性[7]。

浮子结构对拦油的效果有比较大的影响。C.M.Lee和K.H.Kang通过实验得出围油栏的浮子式为圆柱形时的拦油效果最好，在矩形的浮子和裙体之间没有铰链，使得浮子和裙体不能自由转动，从而不能更好地适应各种海上环境。H.M.Brown，C-FAN等人用计算机成功地模拟了围油栏拦油过程的拦油失效现象，并利用二维模拟得到了三种围油栏拦油失效的形式。张政等人在AN的基础上，通过自己编辑程序，采用VOF的方法数值模拟拦油过程，得出了低粘度的油易反正“反射”现象的结论，同时成功模拟出油滴夹带失效与临界累计失效（粘度很大的油在水流的速度超过临界速度的时候发生的累积失效现象）[8～10]。

由于风浪与水流等条件影响，过去传统单一结构的围油拦不能很好适用在某些恶劣的海况，而一味地增加围油栏深度，虽能改善拦油的效果，但是围油栏在水流和波浪的影响下容易发生变形，使得有效栏深减小。于是Lee等人提出了双体围油栏，并运用拉格朗日粒子追踪法，得到双体围油栏的栏间距在8.0倍栏深时，拦油效果最好。于桂峰等人应用Fluent软件对单、双体围油栏适用的条件进行模拟，得到在水流速度在每秒0.2m时拦油能力相对提高率达到2.66667。

孙添虎研究了不同结构和材料的网-栅结构围油栏的拦油特性，根据不同水流、风速和波浪环境的变化分析其拦油特性，并进行优化选取[11]。王绪胜等人通过对传统围油栏拦油失效原因的研究，提出了一种新型结构，并利用Fluent软件对其进行数值模拟实验，为新型结构的优化提供了理论依据。蔡军、陈新响等人提出了一种自充气围油栏的设计思路，及自充气围油栏利用自带的二氧化碳的气瓶对围油栏的浮体进行充气，从而实现围油栏浮体的自动充气，并且在此基础上，实现充气和回收的自动化。由于Wong等人对传统实心围油栏的形状进行优化的过程过于复杂，在现实中难以实现，魏芳、刘晓峰等人从实际出发，对其进行简易的优化，得到了4种优化方案，并通过数值模拟方法对形状优化后围油栏的拦油失效时间、栏前受压分布和拦油失效速度进行详细的计算分析，从而说明其提出的优化具有可行性，并对围油栏技术改进提供了理论数据。

王建伟通过多组的数值模拟，分析了溢油的品质和水流速度对围油栏拦油效果的影响，并实现了围油栏在受到船舶牵引的状态下的随动模拟，为不同结构围油栏的优化和选择提供的依据。张博实现了围油栏在不同海况和风浪下的随动模拟，不同海况条件下对不同形状的围油栏的拦油特性进行研究，并进行优化选取，为不同海况下围油栏的选择优化提供了依据。刘献强等人通过分析围油栏在急流溢油使用中的4个典型问题（围油栏不稳定性、溢油逃逸、溢油泄漏、溢油飞溅），谈论了4种情况的应对措施与相应围油栏的优化选择，为急流条件下对溢油污染防治以及围油栏的选择提供了参考借鉴。

4结论

近几年来，对围油栏的研究大约分为三个方面。第一，从围油栏利用数值分析模拟进行研究。通过分析溢油的品质和水流速度对围油栏拦油效果的影响，实现围油栏在受到船舶牵引的状态下的随动模拟，或者实现围油栏在不同海况和风浪下的随动模拟，在不同海况条件下对不同形状的围油栏的拦油特性进行研究等。第二，对围油栏结构的研究和优化。利用Fluent软件对一个或者多个围油栏在适用条件下进行模拟对比，通过结论进行分析，然后对围油栏进行优化。第三，从围油栏分类进行研究。外海围油栏主要用于风、浪较大的情况，它的柔性和乘波性较好，且重量和总高度较大。河流围油栏主要用于内陆河流、湖泊，它的体积小、重量较轻。港口围油栏主要适用于港口围船和围油，其大小和重量介于外海围油栏和河流围油栏之间。

5结语

如今，由于计算机的飞速发展，人们大多采用数值模拟的方法对围油栏材料、性能和结构进行研究，这样既避免了在极度恶劣的环境下进行实验可能产生的危险，又很大程度上节约了资源。不同结构的围油栏的出现大大地提高了围油栏的拦油效果，在以后的研究中，应该加大对不同结构围油栏的数值模拟分析，为围油栏结构的优化提供理论依据。

参考文献：

[1]魏芳，林建国，许颖.围油栏研制的历史、现状及数值模拟的应用展望[C]//中国船舶学会.船舶防污染学术年会论文集.西宁：船舶防污染学术年会，2006.

[2]魏芳，刘晓峰，林建国，等.围油栏性能优化的数值模拟[J].交通环保，2007（7）：39～44.

[3]孙永明.海洋与港口船舶防污染技术[M].北京：人民交通出版社，2010.

[4]王绪胜.某新型结构围油栏的数值模拟分析[J].中国高新技术企业，2011（7）.

[5]李长海.曲面式集油器内部流道结构的优化研究[D].大连：大连海事大学，2013.

[6]许祖美.日本的海洋污染防治技术[J].海洋环境科学，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 Ocean Engineering. 2001，127（4）：228～233.

[9]于桂峰.基于Fluent 典型结构围油栏适用条件数值实验[J].大连海事大学学报：自然科学版，2010（2）.

[10]宁成浩.围油栅失效的数值模拟研究[D].北京：北京化工大学，2008.

[11]魏芳.围油栏在多种海况卜拦油效果及形状优化的数值模拟[D].大连：大连海事大学，2007.