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移動式沉潛油回收裝備研究

文檔作者：李國斌，孫志輝，周董明，呂天帥，周巖文檔來源：青島歐森系統(tǒng)技術(shù)有限公司		更新日期： 2026年05月17日	點擊數(shù)：
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·128· | 工程設(shè)備與材料 | Engineering Equipment and Materials 2020 年第 13 期
移動式沉潛油回收裝備研究
李國斌，孫志輝，周董明，呂天帥，周 巖
（青島歐森系統(tǒng)技術(shù)有限公司，山東 青島 266071）
摘 要：為解決渤海沉潛油的回收處置問題，研究人員以工作母船作為載體，集成前端集油裝置、高效吸油泵、沉潛油
回收控制系統(tǒng)等關(guān)鍵裝置，研制出了沉潛油移動回收系統(tǒng)。通過對關(guān)鍵裝置的研究及整合，實現(xiàn)了對固相和液相沉潛油
的自動捕捉、變頻收集的高效率回收。文章就此展開論述。
關(guān)鍵詞：沉潛油回收；沉潛油移動回收裝備；集油裝置
中圖分類號：U698 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-2789（2020）13-0128-02
作者簡介：李國斌，男，高級工程師，研究方向：海洋環(huán)保設(shè)備。
1 研究內(nèi)容
為了進(jìn)行有效的沉潛油回收處置，文章以“研發(fā)一
套小型快速反應(yīng)沉潛油移動回收裝備，其依托母船進(jìn)
行工作，可以對海底或圍控后成穩(wěn)定狀態(tài)的固相、液相
沉潛油進(jìn)行高效率回收清除”為目標(biāo)，以達(dá)到最大深度
為30m、最大作業(yè)半徑為50m、可處理沉潛油油量為
60m3/h 以及回收率不小于70% 的考核指標(biāo)。
2 各單元試驗
研究人員以工作母船作為載體，設(shè)計了由前端集油
裝置、高效吸油泵、沉潛油回收控制系統(tǒng)、零浮力纜、
卷纜架等關(guān)鍵裝置組成的沉潛油移動回收裝備。在作業(yè)
時，通過母船上的吊機(jī)將前端集油裝置、高效吸油泵及
輸油管路布放到水中，由安裝在母船甲板上的沉潛油回
收控制系統(tǒng)和動力單元對其進(jìn)行操控。以下介紹具體的
裝備結(jié)構(gòu)信息。
2.1 前端集油裝置
前端集油裝置主要由收油頭、水下載體、集成附件
（深水?dāng)z像頭、LED 照明）等組成，被設(shè)計為可通過遙
控或潛水員2 種形式進(jìn)行操作。其主要結(jié)構(gòu)設(shè)計、選型
包括如下方面。
（1）收油頭（見圖1）。收油頭的功能是收集水中
的半潛油或沉到海底的沉降油。為提高吸附面積，收油
頭的前端集油口1 設(shè)計成喇叭口形式，在集油口內(nèi)設(shè)有
隔柵5，防止大塊沙石進(jìn)入輸油管，阻塞管道?？紤]到
沉降到海底砂石上的溢油，集油口前方設(shè)置滾刷2，能
夠?qū)⒏街胶５咨笆系囊缬颓宄聛?，直接送到輸?
管吸口3，黏附在毛刷上的溢油則由輸油管前端的刮油
板4 刮下。
刷絲部分半徑r=40mm，則其所需要的電機(jī)力矩按式（1）
計算。
M=MV+Mf+MG （1）
式中：M 為電機(jī)所需提供的力矩，Nm；MV 為滾刷
滾動時水的黏滯阻力矩，Nm；Mf 為滾刷與砂石的摩擦
阻力矩，Nm；MG 為滾刷的慣性力矩，Nm。
MV =0.616πρ R4 （2）
最終計算得：M=4.32Nm
則電機(jī)功率P=2πnM/60=90W
根據(jù)計算選取無刷力矩電機(jī)型號TBSM60-50A27，
選用減速比為1 ∶ 20 的行星減速器60-L2。
（3）滾刷擺動電動推桿的設(shè)計選型。在處理海底
砂石上的沉降油時需要用滾刷回收。針對半潛油時可以
直接用集油口回收，這時為了擴(kuò)大集油面積，提高集油
效率，滾刷就需擺動到集油口上端，讓出集油口位置，
這個動作需要采用電動推桿來實現(xiàn)。根據(jù)相關(guān)力學(xué)模型
分析（見圖2），計算得出電動推桿推力F。
G×L2=F×L1 （3）
式中：G=70N；L1=0.086m；L2=0.187m。計算得
出F=152N。
取安全系數(shù)5，測量電動推桿行程小于65mm，電
動推桿最終選型推拉力1500N，行程100mm。
1. 集油口 2. 滾刷 3. 輸油管吸口4. 刮油板5. 隔柵
圖1 收油頭結(jié)構(gòu)圖
（2）滾刷驅(qū)動電機(jī)的設(shè)計選型。滾刷在水下旋轉(zhuǎn)
運動，旋轉(zhuǎn)速度n=100r/min，滾刷半徑R=100，其中無
2.2 水下載體
水下載體是沉潛油回收裝置水下主要承載部件，前
端連接收油頭，后端連接船上輸油管，自身還集成了水
下攝像頭、LED 燈、水下推進(jìn)器、潛水員操作手柄等。
（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計。沉潛油回收裝置在水下的移動速
度不宜太快，選擇在0.5m/s；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合水下30m 要
求，材料具備抗海水腐蝕性。連接收油頭、輸油管及自
身附件后，整體所受重力和浮力相等且重心（Xg、Yg、
Zg）和浮心（Xc、Yc、Zc）在同一鉛垂線上，即Xg=Xc，
圖2 滾刷電動推桿的力學(xué)模型
DOI:10.19537/j.cnki.2096-2789.2020.13.061
2020 年第 13 期 Engineering Equipment and Materials | 工程設(shè)備與材料 | ·129·
Zg=Zc。為了保證載體的穩(wěn)定平衡狀態(tài)，其浮心必須低于
重心。這樣，當(dāng)載體受到海流作用而傾斜的時候，就會
自動產(chǎn)生一個復(fù)原力矩，使載體回到原來的平衡位置。
對于整套系統(tǒng)而言，采用模塊化的組裝方式，先對分系
統(tǒng)進(jìn)行重心分析及浮力配平操作，然后對總系統(tǒng)進(jìn)行浮
力配平。由模型軟件直接計算得出水下集油裝置參數(shù)：
質(zhì)量=92988.24g； 體積=91478175.50mm3； 表面積=
13184274.85m2； 靜穩(wěn)心高h(yuǎn)=Yc-Yg=79.53mm。依據(jù)以
上要求，結(jié)合沉潛油回收的實際工況，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)
計（見圖3）。
集。通過沉潛油探測器對沉潛油的精準(zhǔn)定位，可驅(qū)使
前端集油裝置捕捉沉潛油（需借用北海分局現(xiàn)有SEAWOLF
5 ROV 的USBL 進(jìn)行前端集油裝置的水下定位）；
通過控制單元控制前端集油裝置的各種動作并接收、顯
示各動作狀態(tài)信號；通過控制單元接收沉潛油探測器信
號并判斷沉潛油量大小，相應(yīng)調(diào)節(jié)變頻器以控制吸油泵
流量大小，實現(xiàn)變頻收集的功能。
2.5 油水初分離裝置、卷纜架
油水初分離裝置安裝在母船載體上，可將回收的含
水沉潛油進(jìn)行初步分離，分離效率約80%。卷纜架用于
儲存和布放零浮力臍帶纜，手動控制。
3 系統(tǒng)試驗
在完成了對沉潛油回收系統(tǒng)各單元的試驗后，進(jìn)一
步對整套系統(tǒng)進(jìn)行了試驗，試驗內(nèi)容主要包括空載運行
試驗、海域試驗和負(fù)載試驗?？蛰d運行試驗結(jié)果表明，
前端集油裝置在水下的運行狀態(tài)平穩(wěn)，控制系統(tǒng)對該裝
置的控制靈敏性、準(zhǔn)確性及狀態(tài)回饋性能良好，動力單
元穩(wěn)定可靠。海域試驗結(jié)果表明，控制沉潛油回收裝置
收油頭的各項動作（如毛刷擺動及轉(zhuǎn)動等）均能夠在受
控下順利完成。負(fù)載試驗結(jié)果表明，在試驗現(xiàn)場對指定
預(yù)設(shè)沉潛油目標(biāo)進(jìn)行回收試驗時，該沉潛油回收裝置均
具有達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的回收效率。
4 研究結(jié)論
目前，研究工作進(jìn)展順利，均能夠按照研究進(jìn)度計
劃按時完成。在已有研發(fā)成果的基礎(chǔ)上，計劃開展的下
一步工作如下：（1）按照已完成的沉潛油移動回收裝
置的詳細(xì)設(shè)計方案開展樣機(jī)的試制工作；（2）樣機(jī)試
驗完成，模型方案經(jīng)修正后，立即依據(jù)課題組提供北海
分局現(xiàn)有SEA-WOLF 5 ROV 開展搭載ROV 詳細(xì)改裝設(shè)
計及工程；（3）圍繞已編制完成的移動式沉潛油移動
回收裝備設(shè)計方案為主體，結(jié)合樣機(jī)試制及試驗中發(fā)現(xiàn)
的問題，完善目前的詳細(xì)設(shè)計方案。（4）準(zhǔn)備沉潛油
移動回收裝置的相關(guān)試驗。
參考文獻(xiàn)：
[1] 劉正江. 沉潛油的成因及防治[M]. 大連: 大連海事大學(xué)出
版社,2014.
[2] 柳婷婷, 田珊珊. 海上溢油事故處理及未來發(fā)展趨勢[J].
中國水運（理論版）,2006(11):27-29.
[3] 濮文虹, 周李鑫, 楊帆, 等. 海上溢油防治技術(shù)研究進(jìn)展[J].
海洋科學(xué).2005(6):73-76.
圖3 沉潛油回收裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計圖
（2）推進(jìn)器的設(shè)計及功率選擇。水下載體由于本
身重量太大，潛水員很難在水下自如操作，需要推進(jìn)器
輔助。設(shè)5 臺推進(jìn)器（選擇正反轉(zhuǎn)能提供推力13kgf 的
水下推進(jìn)器），升降動作1 臺，前后及轉(zhuǎn)向動作4 臺。
第一，前進(jìn)運動方向。迎水阻力面積，由軟件計算
得出迎水面積s=0.372m2。水阻力按式（4）計算。
（4）
帶入數(shù)值，計算可得：F 正阻=0.5×1025×1.5×1.5×
0.372×1=428.963N，即F 正阻=42.9kg。
前端集油裝置能提供最大前進(jìn)推力F 正推=F1×cos20°
+F2×cos20° +F3×cos20° +F4×cos20°。帶
入數(shù)值可得：F 正推=13×cos20°×4=48.86kg ＞ F 正阻=
42.9kg。故選用4 臺水平推進(jìn)器能夠滿足前進(jìn)推進(jìn)動力。
第二，橫移運動方向。迎水阻力面積，由軟件計算
得出迎水面積s=0.592m2。水阻力按式（4）計算。帶入
數(shù)值，計算可得：F 側(cè)阻=0.5×1025×0.6×0.6×0.592×
1=109.3N， 即F 側(cè)阻=10.9kg。前端集油裝置能提供
最大橫移推力F 側(cè)推=F1×sin20° +F2×sin20° +F3×
sin20° +F4×sin20 °。帶入數(shù)值， 可得：F 側(cè)推=13×
sin20°×4=17.79kg ＞ F 側(cè)阻=10.9kg。故選用4 臺水平
推進(jìn)器能夠滿足橫移推進(jìn)動力。
第三，上升下降運動方向。迎水阻力面積，由軟件
計算得出迎水面積s=0.7058m2。水阻力按式（4）計算。
帶入數(shù)值，計算可得：F 浮阻=0.5×1025×0.5×0.5×0.7
058×1=90.43N，即F 浮阻=9.43kg。前端集油裝置能提供
最大上升推力F 浮推=13kg ＞ F 浮阻=9.43kg。故選用1 頂
升推進(jìn)器結(jié)構(gòu)滿足上升推進(jìn)動力需求。
2.3 集成附件
除了收油頭，水下載體上還集成了為完成沉潛油回
收作業(yè)所必需的其他附件（見表1）。
2.4 沉潛油回收控制系統(tǒng)
沉潛油回收控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制操作前端集
油裝置及高效吸油泵對沉潛油進(jìn)行自動捕捉和變頻收
表1 沉潛油回收作業(yè)的必要附件清單
名稱技術(shù)參數(shù)
深水?dāng)z像頭12V DC，分辨率700 線
水下LED 探照燈20W，700lux@1m
便攜式水下指南針
便攜式水下深度計
帶燈觸感式自復(fù)位水下開關(guān)不銹鋼316
帶燈觸感式自鎖水下開關(guān)不銹鋼316

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