СИСТЕМА ДЛЯ СБОРА И ЛОКАЛИЗАЦИИ НЕФТИ В ВОДНОЙ СРЕДЕ
SYSTEM FOR COLLECTION AND LOCALIZATION OF OIL IN WATER MEDIUM

Изобретение относится к охране окружающей среды и предназначено для сбора нефти и нефтепродуктов, вытекающих из подводных аварийных скважин, трубопроводов, затонувших судов и локализации нефти и нефтепродуктов на поверхности воды. Известно устройство для сбора нефти под водой, патент RU 2247807, предназначенное для локализации и сбора нефти на дне проточного водоема непосредственно над аварийным выбросом ее из магистрального нефтепровода. Устройство содержит герметичную трубчатую раму с опорами и водозаборными трубками в нижней ее части. С внутренней стороны по периметру рамы закреплена эластичная оболочка, к другому концу которой прикреплен эластичный рукав, другой конец которого герметично закреплен внутри плавучей камеры. Рама с плавучей камерой установлена в проеме плавучей платформы, на которой установлены лебедки, к которым рама прикреплена тросами, а также установлен источник сжатого воздуха, сообщенный с полостями рамы и плавучей камеры. По высоте внутри опор установлены ограждения, имеющие отверстия. По второму варианту устройство содержит установленную на колесах герметичную трубчатую раму с опорами. Как и в первом варианте, к раме прикреплена оболочка с эластичным рукавом, конец которого герметично закреплен внутри плавучей камеры. Полости рамы имеют возможность сообщения с источником сжатого воздуха. По высоте опор внутри них установлены ограждения с возможностью вертикального перемещения. Изобретение расширяет арсенал технических средств, предназначенных для сбора нефти непосредственно над ее аварийным выбросом из магистрального нефтепровода. Предложенное устройство имеет следующие недостатки:
- Устройство предназначено для работы только на малых глубинах и на ровном дне.
- В рабочем состоянии рама 1 и эластичная оболочка 9 со всех сторон закрывают подход к месту аварийного выброса, тем самым исключают возможность проведения ремонтных работ непосредственно на месте аварии.
- Плавучий резервуар, образованный камерами 12, слишком мал, и в случае выхода из строя насоса 20 или его недостаточной производительности нефть переполнит резервуар, перельется на платформу 13 и далее в воду, т.е. произойдет загрязнение водной поверхности.
- Система слишком усложнена большим количеством механизмов, зависящих от внешних источников питания (компрессор, лебедки, насос).
Известно устройство для защиты водной среды от загрязнений, поступающих из подводных источников", патент RU 2268338, состоящий из улавливающего свода и шахтных колодцев, выполненных из эластичного материала и поплавковых элементов, удерживающих шахтные колодцы в вертикальном положении. Предложенное техническое решение имеет следующие недостатки:
- Устройство не разборное и доставляется к месту установки в свернутом компактном состоянии.
- Для прижатия купола к грунту необходимо использовать водолазов либо управляемые подводные аппараты.
- Доступ к аварийному объекту под водой осуществляется через люки 6 в своде 1, что существенно ограничивает возможность проведения ремонтных работ с аварийным объектом и существенно ограничивает арсенал использования подводных ремонтных технических средств.
- С помощью шахтных колодцев можно только контролировать наличие или отсутствие утечек из аварийного объекта, но для сбора и удержания большого объема утечек вредных веществ предложенные шахтные колодцы не годятся по причине ограниченных размеров.
- В описании указано, что шахтные колодцы 2 должны быть выполнены из эластичного материала, но возникает вопрос, а за счет чего верхние части шахтных колодцев возвышаются над поверхностью воды. Значит, тогда должна быть какая-то армирующая конструкция, придающая жесткость шахтным колодцам. Такой конструкции нет. Либо материал для шахтных колодцев должен быть достаточно жесткий, чтобы сохранять цилиндрическую форму под водой, вертикально возвышаться над поверхностью воды и при этом еще иметь люк на верхнем торце.
- Предложенное устройство может использоваться только в неглубоких водоемах со стоячей водой или с очень слабым течением. Шахтные колодцы 2 не имеют никаких креплений в виде растяжек или якорных канатов, удерживаются в вертикальном положении только поплавковым элементом 3. Любое волнение выше 1-2-х баллов или течение непременно отклонит шахтные колодцы от вертикали и может попросту оторвать свод 1 от дна либо оторвать сами шахтные колодцы 2 от свода 1. Иными словами, такое устройство для морских и речных условий абсолютно не подходит.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство для сбора продукта и для транквилизации колонны в подводной среде и ее использование, патент FR 2850425 А1, состоящий из мягкого купола, выполненного в форме усеченного конуса, в верхней части которого имеется круглое отверстие, к которому присоединена полая колонна, выполненная из эластичного материала, удерживаемая в вертикальном положении посредством плавающего на поверхности воды поплавка в форме тора. Устройство устанавливается под водой над местом аварийного выброса нефти или нефтепродуктов, фиксируется посредством якорных канатов, прикрепленных к мертвым якорям, установленных на дне вокруг источника выброса нефтепродуктов. Данное техническое решение имеет следующие недостатки:
- Устройство частично разборное, т.к. модульные элементы 5 формируются из 12 полотен шириной 2,5 м, которые соединяются между собой посредством термической (высокочастотной) склейки. К месту установки модульные элементы 5 должны доставляться в готовом склеенном виде, так как после склейки все модульные элементы становятся неразборными.
- Обручи 12 сложносоставные и состоят из отдельных элементов 16, 17, 18, 19, 20 и 21, которые необходимо соединять между собой посредством специальных замков. Собранные один раз такие обручи желательно не разбирать и в дальнейшем использовать уже как готовую конструкцию. Дело в том, что после первого применения обязательно произойдет деформация элементов и разбирать их будет просто нецелесообразно, т.к. возникнет необходимость промаркировать все элементы и при сборке необходимо будет соблюдать маркировку, что значительно увеличит время при следующей сборке. Основное назначение обручей 12 - это растягивание модульных элементов 5 в местах их соединения друг с другом. Кроме того, на обручи воздействуют якорные канаты (тросы) 11, идущие от поплавков 25 сквозь обручи 12b-12d, проходящие через шкивы 26, мертвых якорей 3 и крепящиеся к кольцам 14 купола 2. Таким образом, на обручи 12 одновременно воздействуют радиальные нагрузки от модульных элементов 5 и знакопеременные нагрузки от канатов (тросов) 11. В таких условиях, даже при среднем волнении, ажурная конструкция обручей 12 начнет деформироваться.
- Верхний край модульного элемента 6 плотно крепится к внутренней поверхности поплавкового элемента 7, имеющего форму тора. В описании указано, что возможно накопление нефти или нефтепродуктов внутри модульного элемента 6 на участке до 50 метров от поверхности воды. Дело в том, что в холодной воде сырая нефть или мазут становятся очень вязкими и не пригодны для откачки насосами. Нефть и мазут, перед перекачкой насосами, всегда разогревается либо перекачивается вместе с водой, т.е. в виде водно-нефтяной смеси. В предлагаемом случае, загустевшая нефть или мазут полностью вытеснят воду из полости модульного элемента 6 и откачать их будет крайне сложно либо невозможно. В случае залпового выброса либо интенсивной утечки, при невозможности быстро откачать скопившиеся нефтепродукты, колонна 1' и купол 2 быстро ими наполнятся. В условиях моря, при переменчивой погоде и волнении, скопившаяся масса загустевших нефтепродуктов может разорвать колонну 1' и такой вариант приведет к созданию дополнительной нештатной аварийной ситуации.
- Для того чтобы стабильно удерживать всю конструкцию в вертикальном, натянутом, напряженном состоянии, поплавковый элемент 7 и поплавки 25 должны иметь большой запас плавучести. В таком случае, в условиях сильного волнения или шторма, поплавковый элемент 7 и поплавки 25, имея большой запас плавучести, будут сообщать системе сильные знакопеременные нагрузки и в лучшем случае начнут смещать с места мертвые якоря 3, а в худшем случае, оторвутся или разорвут саму колонну 1'. Тем более что модульные элементы 5, 6 и купол 2 соединены между собой посредством сшивания шнуром (тонким тросом). При длительном воздействии знакопеременных нагрузок на подобного рода швы последние будут обязательно ослабевать и разрываться. В предложенной конструкции есть два наиболее уязвимых места, это место крепления модульного элемента 6 к поплавковому элементу 7 и место соединения модульного элемента 5е с обручем 12d. В любом случае разрыв колонны 1' или отрыв поплавкового элемента 7 от колонны приведет к неконтролируемому растеканию продуктов загрязнения по поверхности воды.
- Кроме того, при проходе высокой волны на вершине волны велика вероятность притапливания поплавка 7 и, как следствие, перелив содержимого модульного элемента 6 через поплавок 7. Во впадине между волнами вода выдавит содержимое из модульного элемента 6 через края поплавка 7, что опять будет способствовать загрязнению водной поверхности.
- Согласно описанию и рисункам тросы (канаты) 11 от поплавков 25 нижним концом крепятся к кольцам 14 купола 2, проходят через поворотные шкивы 26 якорей 3 и далее проходят сквозь обручи 12 к поплавкам 25. С такой компоновкой при любом волнении моря вся конструкция устройства будет совершать колебательные движения вдоль вертикальной оси. При этом тросы (канаты) 11 будут тереться об элементы конструкции обручей 12 и растягивать их. При среднем или сильном волнении велика вероятность того, что через какое-то время перетрутся канаты (тросы) 11 либо элементы конструкции обручей 12 и они начнут разрушаться.
- Согласно описанию откачка содержимого из модульного элемента 6 может производиться только при хорошей погоде, т.е. при слабом волнении или при штиле. К сожалению, в море такие условия бывают не часто.
Задачей предлагаемого технического решения является создание простой, легкой, компактной, быстро и легко собираемой мобильной системы для сбора и локализации нефти, нефтепродуктов, вытекающих из подводных аварийных скважин, трубопроводов, трещин в морском дне и затонувших судов.
Поставленная задача решается тем, что предлагаемая система выполнена в виде купола, представляющего собой усеченный конус, имеющий 4, 5 или 6 граней. В центре конуса имеется круглое отверстие, к которому посредством соединительного кольца крепится рукав, образованный из отдельных полотнищ, скрепленных застегивающими устройствами, соединенными в рукав посредством соединительных колец и удерживаемыми в вертикальном положении поплавками, прикрепленными к соединительным кольцам. Система устанавливается под водой над местом аварийного выброса нефти или нефтепродуктов, фиксируется посредством якорных канатов, прикрепленных к мертвым якорям, установленным на дне, в районе аварийного выброса нефти. На поверхности воды, вокруг верхнего края рукава, устанавливается боновое заграждение, которое посредством якорных канатов крепится к мертвым якорям на дне и удерживает в центре заграждения верхний край рукава посредством растяжек.
Предлагаемая система состоит из купола - 1, якорных канатов - 2, рукава - 3, поплавков - 4, бонового заграждения - 5, растяжек - 6, мертвых якорей - 7, компенсирующих грузов - 8.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
Фиг. 1 - общий вид системы в рабочем состоянии.
Фиг. 2 - полотнище 9 рукава 3.
Фиг. 3 - застегивающее устройство 10, 3а - в закрытом виде, 3б - в открытом виде (повернуто на 90° вокруг оси).
Фиг. 4 - сегмент 12 соединительного кольца 11.
Фиг. 5 - поперечное сечение сегмента 12.
Фиг. 6 - держатель 15.
Фиг. 7 - поплавок бонового заграждения 17.
Фиг. 8 - уплотнительное полотнище 18.
Фиг. 9 - складной якорь 21, общий вид.
Фиг. 10 - складной якорь 21, вид сбоку с сечением.
Фиг. 11 - складной якорь 21 в раскрытом виде.
Купол 1 (Фиг. 1) выполнен из мягкого материала, в раскрытом виде образующий усеченный конус, имеющий 4, 5 или 6 граней. Рукав 3 (Фиг. 1) выполнен разборным и состоит из отдельных полотнищ 9 (Фиг. 2), скрепленных внахлест по бокам застегивающими устройствами 10 (Фиг. 3) и образующих мягкий полый цилиндр, соединяемый в длинный рукав посредством соединительных колец 11 (Фиг. 1). Полотнища 9 (Фиг. 2) вдоль краев по всему периметру имеют отверстия для застегивающих устройств 10, 10а (Фиг. 3, 4, 5) и держателей 15 (Фиг. 4, 5, 6). Кольца 11 (Фиг. 1) также выполнены разборными и состоят из отдельных трубчатых сегментов 12(Фиг. 4), соединяемых встык посредством замков 13 (Фиг. 4). Сегменты 12 абсолютно одинаковы и взаимозаменяемы. Ширина полотнища 9 (Фиг. 2) на 10% больше длины двух или четырех соединенных сегментов 12 (Фиг. 4) (запас для соединения внахлест). Соединительное кольцо 11 (Фиг. 1) может состоять из 4÷8 сегментов 12 (Фиг. 4), образующих кольцо диаметром 2÷4 м. Кольцо 11, состоящее из 4÷8 сегментов 12, формирует рукав 3 (Фиг. 1), состоящий из одного или двух полотнищ 9 (Фиг. 2). Сквозь сегменты 12 (Фиг. 4, 5) через равные расстояния вварены трубки 14 с внутренней резьбой, в которые вкручиваются застегивающие устройства 10а и держатели 15 (Фиг. 4, 5). Застегивающие устройства 10а вкручиваются в трубки 14 с внутренней стороны дуги сегментов 12 (Фиг. 4, 5), держатели 15 вкручиваются с наружной стороны. Застегивающие устройства 10 (Фиг. 3) и 10а (Фиг. 4, 5) отличаются только тем, что в варианте 10 (Фиг. 3) на резьбовой конец центрального штока накручена круглая шляпка грибовидной формы. При сборке рукава 3 (Фиг. 1) полотнища 9 верхним краем крепятся к соединительному кольцу 11 (Фиг. 1) изнутри посредством застегивающих устройств 10а (Фиг. 4, 5), а нижним краем надеваются снаружи на кольцо 11 и крепятся держателями 15 (Фиг. 4, 5). К проушинам 16 держателей 15 (Фиг. 5, 6) крепятся поплавки 4 (Фиг. 1). В полностью снаряженном виде поплавки 4 придают всей системе положительную плавучесть и удерживают рукав 3 (Фиг. 1) в вертикальном положении. Длина рукава 3 выбирается такой, чтобы верхний край рукава находился ниже поверхности воды на 0,05÷0,5 м, в зависимости от условий водной среды. Например, в местах с течением (реки, проливы) глубина заглубления верхнего края рукава 3 должна быть минимальной, в условиях открытого моря, глубина заглубления максимальная. На поверхности воды, вокруг верхнего края рукава, устанавливается боновое заграждение 5 (Фиг. 1), состоящее из соединенных между собой в замкнутое кольцо поплавков 17 (Фиг. 1, 7). В местах соединения поплавки 17 (Фиг. 7) уплотняются между собой уплотнительным полотнищем 18 (Фиг. 8), обматываемым вокруг краев поплавков 17 и фиксируемым за выступающим буртами поплавков посредством ремней 19 (Фиг. 8). Ремни 19 прикреплены к полотнищу 18, затягиваются и фиксируются замками 20 (Фиг. 8). Для того чтобы верхний край рукава 3 находился постоянно в центре круга, образованного боновым заграждением 5 (Фиг. 1), между поплавками 17 и верхним краем рукава 3 натягиваются растяжки 6 (Фиг. 1). Вся система устанавливается на мертвые якоря 7 (Фиг. 1). Так как в море почти всегда имеется волнение, то для того чтобы на волне поплавки не притапливало, якорные канаты устанавливаются с запасом длины и к ним крепятся компенсирующие грузы 8 (Фиг. 1), которые удерживают якорные канаты 2 в натянутом состоянии и не препятствуют поплавкам 17 качаться на волнах. Якорные канаты 2 крепятся к мертвым якорям 7 (Фиг. 1) посредством складных якорей 21 (Фиг. 1, 11). Складной якорь 21 (Фиг. 1, 9, 10, 11) состоит из головной части 22, штока 23 с кольцом 24, раскрывающихся лап 25 с зубом 26, колпака 27 с кольцом 28, фиксатора 29, упорного конуса 30, втулки 31 и срезного кольца 32.
Система работает следующим образом - при возникновении ситуации, связанной с аварийным выбросом нефти или нефтепродуктов под водой (авариная скважина, прорыв магистрального нефтепровода, затопление судна, выход нефти через трещину в дне после землетрясения), к месту аварии на судне или барже доставляется предлагаемая система. Определив место, рельеф дна и глубину аварийного участка, с судна или баржи, в расчетных местах, на дно опускаются мертвые якоря 7 (Фиг. 1). Количество якорей зависит от количества граней купола и размеров бонового заграждения. Мертвые якоря 7 представляют собой бетонные грузы любой геометрической формы с короткой цепью и кольцом. На дно якоря 7 опускаются посредством канатов, продетых в кольцо и сложенных вдвое. После опускания якоря на дно к двум свободным концам каната крепятся поплавки (не показано). На борту судна или баржи аварийная бригада из полотнищ 9 (Фиг. 2), застегивающих устройств 10, 10а, держателей 15 и соединительных колец 11 собирает рукав 3 (Фиг. 1), посредством соединительного же кольца 11 крепит рукав 3 к куполу 1 (Фиг. 1). К этим же кольцам к проушинам 16 (Фиг. 6) держателей 15 крепятся поплавки 4 (Фиг. 1). На нижних концах ребер купола 1 имеются петли или кольца (не показано), к которым крепятся якорные канаты 2, к противоположным концам которых за кольца 24 прикреплены складные якоря 21 (Фиг. 1, 11). Длина якорных канатов 2 рассчитывается с учетом гидрологических условий и рельефа дна. Собранная система сбрасывается на воду, один из свободных концов каната от мертвого якоря крепится к кольцу 28 колпака 27 (Фиг. 10) складного якоря 21 (Фиг. 9, 10, 11), поплавки отсоединяются от каната и за другой свободный конец канат шпилем, брашпилем или лебедкой вытягивается на борт судна или баржи. При вытягивании канат, продетый сквозь кольцо якоря, втягивает в него головной частью складной якорь 21 (Фиг. 9, 10, 11). Так как широкая часть упорного конуса 30 (Фиг. 9, 10) больше внутреннего диаметра кольца якоря 7, то конус 30 застревает в кольце. Лебедкой продолжается выбор каната, и при достижении усилия, при котором срезное кольцо 32 (Фиг. 9, 10) срезается втулкой 31 и колпаком 27, складной якорь вытягивается из втулки 31 (Фиг. 10). Освобождаются лапы 25, и внутренним буртом колпака 27 за зубья 26 лапы 25 раскрываются и фиксируются подпружиненными фиксаторами 29 (Фиг. 10, 11). При полном раскрытии лап 25 колпак 27 освобождается и снимается с головной части 22 складного якоря 21 (Фиг. 10, 11). Отцепившийся конец каната свидетельствует о том, что якорный канат 2 сцеплен с мертвым якорем 7 (Фиг. 1). Такая операция поочередно проделывается с каждым якорным канатом, и в результате купол 1 раскрывается над местом вытекания нефти или нефтепродуктов. Вытекающая нефть поднимается на верх и стенками купола 1 направляется во внутреннюю полость рукава 3, по которому поднимается на поверхность воды. Рукав 3 удерживается в вертикальном положении посредством поплавков 4 (Фиг. 1). Верхний край рукава 3 не доходит до поверхности воды на 0,05÷0,5 м. Вокруг рукава 3 на поверхности воды устанавливается боновое заграждение 5 (Фиг. 1), собираемое из отдельных поплавков 17 (Фиг. 7), уплотненных в местах соединения полотнищами 18 (Фиг. 8). Поплавки 17 (Фиг. 7) полые внутри, накачиваются воздухом, выполнены из толстой резины или полимерного материала, имеют наружный диаметр 0,5÷1,0 метр и длину 1,5÷2,5 метра. Имея достаточно большой вес, эти поплавки погружаются в воду на 15÷30 см (в зависимости от размера) и могут удерживать слой нефти толщиной до 10÷15 см. Чтобы рукав 3 постоянно находился в центре бонового заграждения, между поплавками 17 и верхним краем рукава 3 устанавливаются растяжки 6 (Фиг. 1) из канатов, а само боновое заграждение 5 крепится к мертвым якорям 7, установленным на некотором удалении от якорей купола 1 (Фиг. 1). Схема постановки бонового заграждения на якоря 7 такая же, как и для купола 1. Так как в море почти всегда имеется волнение, то якорные канаты бонового заграждения должны иметь запас длины, достаточной для того, чтобы поплавки 17 свободно отыгрывали на волнах. Чтобы якорные канаты бонового заграждения имели постоянное натяжение, примерно на расстоянии 1/4 длины каната, от якоря к ним крепятся компенсирующие грузы 8, которые держат якорные канаты 2 (Фиг. 1) в натянутом состоянии, но при этом не мешают поплавкам 17 качаться на волнах. Нефть или нефтепродукты, накапливающиеся внутри бонового заграждения, отсасываются насосами на суда для сбора нефти (не показано). Так как купол 1 (Фиг. 1) может устанавливаться над местом аварии на достаточно большом расстоянии от дна, то остающееся свободное пространство между дном и куполом достаточно для проведения работ по ликвидации аварии подводными аппаратами или водолазами. Размеры купола могут быть достаточно большими и ограничиваются только прочностью материала, из которого он изготовлен, и прочностью якорных канатов. Длина рукава 3 также ограничивается только прочностными характеристиками. Система может использоваться на любых глубинах, где осуществляются добыча и перекачка нефти. Учитывая, что размер купола 1 ограничивается только прочностью полотна и канатов, то его можно делать достаточно большим и им можно накрывать большую площадь. Таким образом, данная система может устанавливаться над затонувшими судами и собирать вытекающую из них нефть или нефтепродукты. Купол 1 (Фиг. 1), полотнища 9 (Фиг. 2) и 18 (Фиг. 8) изготавливаются из мягкого материала, устойчивого к воздействию морской воды, нефти и нефтепродуктов. Для повышения механической прочности этот материал армируется синтетической сеткой.