本發(fā)明涉及沉船重油回收領(lǐng)域，尤其涉及一種用于沉船重油回收的可快速卷收的復(fù)合材料熱控管路、熱量調(diào)節(jié)方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、海上運(yùn)輸交通事故常導(dǎo)致大型船只失控后沉沒，大部分載滿燃料或原油，一旦發(fā)生船體銹蝕穿孔導(dǎo)致重油泄漏，將對海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生巨大影響，因此重油應(yīng)急回收意義重大。由于所處環(huán)境多為深水低溫高圍壓的深海區(qū)域，海水溫度隨水深增加而逐漸降低，在水深超過1000m后，水溫低于4℃。低溫環(huán)境使油品呈冷凝態(tài)，粘度極高，并伴隨著水合物生成和蠟析出等現(xiàn)象，流動(dòng)性極差，同時(shí)復(fù)雜的海底地形和水流限制設(shè)備操作，再加上高昂的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)成本，使得回收工作面臨巨大挑戰(zhàn)。

2、目前行業(yè)內(nèi)對于深海沉船油艙中近乎固態(tài)的重油采用的收集方式大致兩種，其核心均為降低高稠度重油介質(zhì)的剪切力，增加其流動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)高效傳輸與舉升。一是直接向油艙內(nèi)注入高溫水蒸汽，或從工作母船引熱水注入油艙、或?qū)㈦姛峁芡ǖ接团搩?nèi)加熱等方法提高重油溫度，降低油液粘度以增強(qiáng)流動(dòng)性。這種方式對整體油艙進(jìn)行加熱，重油溫度僅小幅度超過油液反常點(diǎn)，無法全部轉(zhuǎn)化為流體狀態(tài)，且加熱裝備的工作路徑越長加熱效率越低，低溫環(huán)境下熱量損失大。同時(shí)，油液在傳輸管路流出過程中，由于管路徑向溫度梯度遠(yuǎn)大于軸向溫度梯度，油液熱量再次向管路外散失，流動(dòng)性逐漸隨溫度下降而降低，使得油液脫離熱源后有效傳輸距離短。二是使用開發(fā)的水下rov(remotely?operated?vehicle，水下機(jī)器人)搭載的抽油裝置，由rov帶纜或潛水員手持收油管或吸油罩等前端裝置，通過真空泵管路將沉船重油傳輸至回收罐。但由于重油溫度過低，粘度極大，使得此類裝備的抽油效率、傳輸距離和適用水深均受到限制。

3、因此，沉船重油高效集熱降稠以及快速傳輸亟需新的技術(shù)創(chuàng)新與突破。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、根據(jù)上述提出的技術(shù)問題，提供一種用于沉船重油回收的可快速卷收的復(fù)合材料熱控管路、熱量調(diào)節(jié)方法及系統(tǒng)。

2、針對現(xiàn)有深水重油回收過程中油液加熱效率低、低溫流動(dòng)性差、傳輸距離短等難題，本發(fā)明在傳統(tǒng)加熱作業(yè)裝備的基礎(chǔ)上提出具有升溫降稠功能的的碳纖維復(fù)合材料新型集熱管路，使冷凝態(tài)油液流經(jīng)管路后快速升溫至粘度極小值對應(yīng)的溫度區(qū)間，在管路內(nèi)保持低粘度與高流動(dòng)性。且通過水下軟管與集熱管路分段設(shè)置的方式，不僅滿足作業(yè)回收要求，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)深水重油在高效加熱與長距離傳輸方面的技術(shù)突破，解決深海油艙低溫重油的加熱與傳輸問題，完成沉船油艙重油回收的技術(shù)需求。

3、本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

4、一種用于沉船重油回收的可快速卷收的復(fù)合材料熱控管路，包括前端快速集熱管路與連接作業(yè)母船的軟硬結(jié)合式可卷收熱控管路，兩部分管路中加熱功能均由碳纖維復(fù)合材料承擔(dān)，將碳纖維復(fù)合材料作為發(fā)熱電阻本體，并通過纖維絲束兩端通電的形式使材料集熱，并將熱量傳遞至管路內(nèi)重油，實(shí)現(xiàn)加熱降稠功能，所述前端快速集熱管路包括油艙內(nèi)加熱段、快速集熱段、穩(wěn)定傳輸段，各分段具有預(yù)設(shè)的纖維鋪設(shè)角度及層間結(jié)構(gòu)。

5、進(jìn)一步地，伸縮前端快速集熱管路由水下機(jī)器人搭載。

6、進(jìn)一步地，所述油艙內(nèi)加熱段采用±45°雙軸角度的纖維纏繞結(jié)構(gòu)。

7、進(jìn)一步地，所述快速集熱段采用±45°雙軸角度的纖維纏繞結(jié)構(gòu)。

8、進(jìn)一步地，所述穩(wěn)定傳輸段采用±30°雙軸角度的纖維纏繞結(jié)構(gòu)。

9、進(jìn)一步地，油艙內(nèi)加熱段、快速集熱段、穩(wěn)定傳輸段內(nèi)壁設(shè)置溫度傳感器，在各段中還設(shè)置流速傳感器，分別用于收集加熱過程中的溫度數(shù)據(jù)與流體流速數(shù)據(jù)，還包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)與各溫度傳感器和流速傳感器以及各纖維絲束的通電端相連，根據(jù)動(dòng)態(tài)反饋參數(shù)，結(jié)合管路規(guī)格，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)各段分區(qū)輸入的電流大小，從而調(diào)控電加熱管產(chǎn)生的熱量，進(jìn)而調(diào)節(jié)各段的油液的溫度和流動(dòng)性能處于預(yù)設(shè)值。

10、進(jìn)一步地，連接作業(yè)母船的軟硬結(jié)合式可卷收熱控管路包括硬質(zhì)加熱傳輸管和水下軟管，所述硬質(zhì)加熱傳輸管采用±30°雙軸角度的纖維纏繞結(jié)構(gòu)，所述水下軟管為鋼絲增強(qiáng)橡膠管，在硬質(zhì)加熱傳輸管的前端連接有卷揚(yáng)機(jī)，所述卷揚(yáng)機(jī)安裝在固定平臺上。

11、本發(fā)明還公開了復(fù)合材料熱控管路的熱量調(diào)節(jié)方法，包括如下步驟：

12、基于碳纖維復(fù)合材料鋪設(shè)的差異，獲取前端快速集熱管路中油艙內(nèi)加熱段、快速集熱段、穩(wěn)定傳輸段的碳纖維管電阻；

13、基于前端快速集熱管路中油艙內(nèi)加熱段、快速集熱段、穩(wěn)定傳輸段的溫度傳感器和流速傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)碳纖維管的輸電情況，以將各段的溫度保持在預(yù)設(shè)值。

14、進(jìn)一步地，碳纖維管電阻用如下公式計(jì)算：

15、

16、

17、rtransverse＝raxial×f(θ)

18、

19、

20、其中l(wèi)、d為碳纖維管長度、外直徑，d為單層纖維厚度，n為層數(shù)，ρcfrp為碳纖維復(fù)合材料電阻率，ρfiber為碳纖維方向電阻率，ρmatrix為樹脂基體電阻率，vf為碳纖維體積含量，s2contact為碳纖維電路層層間接觸面積，f(θ)為關(guān)于鋪設(shè)角度的修正函數(shù)，raxial為碳纖維管軸向電阻，rtransverse為碳纖維管橫向電阻，rcontact為碳纖維電路層間接觸電阻，rtotal為碳纖維管整體電阻；

21、監(jiān)測過程中，快速集熱段油液溫度為30℃～50℃，穩(wěn)定傳輸段油液溫度為大于50℃。

22、本發(fā)明還公開了復(fù)合材料熱控管路的熱量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，包括：

23、溫度數(shù)據(jù)采集模塊，用于獲取對應(yīng)的油艙內(nèi)加熱段、快速集熱段、穩(wěn)定傳輸段的溫度；

24、流量數(shù)據(jù)采集模塊，用于獲取對應(yīng)的油艙內(nèi)加熱段、快速集熱段、穩(wěn)定傳輸段的油液流動(dòng)速度；

25、溫度控制模塊，用于獲取溫度數(shù)據(jù)采集模塊和流量數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)，并計(jì)算在流量數(shù)據(jù)低于預(yù)設(shè)指標(biāo)且溫度數(shù)據(jù)低于預(yù)設(shè)指標(biāo)時(shí)，調(diào)整對應(yīng)油艙內(nèi)加熱段、快速集熱段、穩(wěn)定傳輸段的電流量。

26、本發(fā)明考慮管路分段規(guī)格、饋入電能、流體吸熱等多參數(shù)的快速集熱方法以及rov搭載的前端快速集熱管路。此快速集熱方法可通過碳纖維復(fù)合材料自阻加熱方式使熱量快速、定量集中于目的區(qū)域，并根據(jù)重油受熱后反饋的流動(dòng)狀態(tài)調(diào)整饋入電量。復(fù)合材料電加熱前端管路連接沉船油艙與水下rov，可以將油艙內(nèi)冷凝態(tài)重油快速加熱具有一定流動(dòng)性，再通過管路繼續(xù)加熱至流體狀以確保油液在后段進(jìn)行穩(wěn)定流動(dòng)。本發(fā)明根據(jù)管路不同段的不同加熱需求，通過設(shè)計(jì)不同的油艙內(nèi)加熱段、快速集熱段、穩(wěn)定傳輸段。各分段具有不同導(dǎo)熱率，可進(jìn)行分區(qū)電加熱。在非加熱段保持良好流動(dòng)性后油液不凝固，最終輸入至水下rov油艙。同時(shí)在碳纖維加熱層設(shè)置溫度傳感器，在管路內(nèi)設(shè)置流速傳感器，根據(jù)實(shí)時(shí)反饋的管路電加熱程度以及流體狀態(tài)控制分區(qū)電饋參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同位置不同物態(tài)的重油的差異化的快速集熱與流動(dòng)狀態(tài)改變。并在rov油艙與水上回收作業(yè)工作母船之間，分段設(shè)置硬質(zhì)碳纖維復(fù)合材料加熱管與水下軟管，整體電加熱回收管路可實(shí)現(xiàn)快速下放與回收。同時(shí)加熱管可對其內(nèi)部油液進(jìn)行加熱保證其在軟管內(nèi)部傳輸時(shí)的流動(dòng)性。

27、碳纖維管身材料使用耐高溫的酚醛樹脂與電阻率高的t300碳纖維，以雙軸角度纏繞成型工藝制備，設(shè)定纏繞角度和纏繞速度來控制纖維的鋪設(shè)方向和層數(shù)，在管狀模具表面纏繞后使用真空干燥箱進(jìn)行加熱固化后脫模。管路兩端纖維絲束與外接直流電源相連，避免交流電引起的電磁干擾，且適用于海底復(fù)雜環(huán)境。并根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整功率和電流，從而實(shí)現(xiàn)更精確的加熱控制。

28、在各分段處以差異化的鋪設(shè)角度進(jìn)行管路內(nèi)壁的碳纖維鋪設(shè)，利用碳纖維的電阻特性使電能轉(zhuǎn)化為熱能實(shí)現(xiàn)自阻加熱，發(fā)明中所設(shè)計(jì)的管路內(nèi)部纖維電路以及電路纖維方向排布影響溫度場及流體流速，基于此快速集熱方法設(shè)計(jì)復(fù)合材料前端集熱管結(jié)構(gòu)。

29、集熱輸油管路穩(wěn)態(tài)電熱傳導(dǎo)的控制方程如下所示：

30、

31、其中ρ、c為碳纖維復(fù)合材料密度、比熱容，是溫度對時(shí)間的變化率，是表示溫度空間擴(kuò)散的熱傳導(dǎo)項(xiàng)，i2r/v為單位體積內(nèi)的電生熱源，ha(tcarbon-toil)表示通過對流散失的熱量，εσa(t4carbon-t4oil)表示通過輻射散失的熱量。

32、采用±θ°雙軸角度的纖維纏繞成型工藝對油艙內(nèi)加熱段于快速集熱段進(jìn)行制備，在可提供較好的多方向強(qiáng)度的同時(shí)，增加纖維搭接節(jié)點(diǎn)，增加接觸電阻提高整體生熱量。

33、假設(shè)通電時(shí)碳纖維管體內(nèi)電流同時(shí)在軸向與橫向進(jìn)行流動(dòng)，則軸向電阻與橫向電阻為并聯(lián)關(guān)系。

34、由碳纖維管電阻公式中可以看出，本發(fā)明中管路尺寸、纖維鋪設(shè)方式、饋電方式均可控制產(chǎn)熱量與加熱溫度。

35、所述油艙內(nèi)加熱段是對油液進(jìn)行快速集熱的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，采用±45°雙軸角度的纖維纏繞方法，保證管體的高承載力的同時(shí)獲得高電阻率。油艙內(nèi)重油溫度低至呈冷凝態(tài)，對內(nèi)加熱段通入高電流使加熱層達(dá)到高溫，重油與管壁存在大溫度梯度，對流換熱傳遞的熱量多，可使管路周圍油液快速升溫降低粘度。抽油泵吸力一定的條件下，增加油液流動(dòng)速度。

36、所述快速集熱段是對低溫油液繼續(xù)集熱并維持流動(dòng)性的轉(zhuǎn)運(yùn)結(jié)構(gòu)，同樣采用±45°雙軸角度的纖維纏繞方法進(jìn)行制備。當(dāng)油液進(jìn)入快速集熱段時(shí)，持續(xù)通入高電流，對升溫后有一定流動(dòng)速度的重油持續(xù)加熱。

37、所述穩(wěn)定傳輸段采用±30°雙軸角度的纖維纏繞方法進(jìn)行制備。油液經(jīng)由快速集熱段后呈較快速度流動(dòng)，因此設(shè)置較小纖維角度使熱量可沿軸向方向傳遞，且通入較低電流以低功耗形式保持油液的穩(wěn)定流動(dòng)。

38、具體熱量調(diào)節(jié)方法中，使油艙內(nèi)加熱段油液通過粘度突變區(qū)(拐點(diǎn)約30℃)，快速集熱段油液到達(dá)粘度緩變區(qū)(30℃～50℃)，穩(wěn)定傳輸段油液到達(dá)粘度穩(wěn)定區(qū)(大于50℃)。使用快速集熱方法的前端集熱管路能夠在油液狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，快速響應(yīng)并調(diào)整電加熱的功率，確保油液流動(dòng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)運(yùn)行的低功耗優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)沉船油艙重油的高效回收。

39、連接作業(yè)母船的軟硬結(jié)合式可卷收熱控管道由復(fù)合材料加熱管與水下軟管分段組成。復(fù)合材料加熱管材料設(shè)置如上述rov搭載前端快速集熱管路的穩(wěn)定傳輸段，采用±30°雙軸角度的纖維纏繞方法進(jìn)行制備，通入較低電流以低功耗方式維持油液的穩(wěn)定流動(dòng)，以便熱量能夠沿軸向傳遞，保證水下軟管內(nèi)部油液穩(wěn)定流動(dòng)。

40、水下軟管為鋼絲增強(qiáng)橡膠管，內(nèi)層由耐油、耐化學(xué)腐蝕的丁基橡膠制成。中層采用鍍鋅鋼絲交織或纏繞的方式制備而成，提供抗拉伸性及抗壓能力。外層由高密度聚乙烯制成，提高管路卷收過程中的抗摩擦性。軟管與硬管之間通過可調(diào)節(jié)的快速連接器進(jìn)行連接，能夠?qū)崿F(xiàn)快速對接與拆卸，并在高壓環(huán)境下防止泄漏。

41、在作業(yè)過程中，rov搭載前端管路入水，同時(shí)將攜帶的軟硬混合管通過卷揚(yáng)機(jī)隨之布放至rov作業(yè)位置。前端管路伸入沉船油箱內(nèi)進(jìn)行電加熱作業(yè)，重油油溫升高具有一定流動(dòng)性。進(jìn)入rov搭載油箱進(jìn)行緩沖，軟硬混合管末端通過泵吸裝置將加熱后的重油從油箱中抽取并持續(xù)加熱保溫輸送至回收母船。加熱硬管與軟管結(jié)合的設(shè)計(jì)確保了加熱過程的高效性與管道布放的靈活性，從而實(shí)現(xiàn)快速、便捷的水下重油回收作業(yè)。

42、本發(fā)明針對現(xiàn)有深水重油回收過程中油液加熱效率低、低溫流動(dòng)性差、傳輸距離短等難題，在傳統(tǒng)加熱作業(yè)裝備的基礎(chǔ)上提出具有升溫降稠功能的碳纖維復(fù)合材料新型前端集熱管路，使冷凝態(tài)油液流經(jīng)管路后快速升溫至粘度極小值對應(yīng)的溫度區(qū)間，在管路內(nèi)保持低粘度與高流動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)深水重油在高效加熱與長距離傳輸方面的技術(shù)突破。