深圳銅鼓航道失控船舶對(duì)海底管道風(fēng)險(xiǎn)分析

趙倉龍， 馮愛國

(1.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院， 上海 201306； 2.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航海系， 江蘇 南通 226010)

深圳銅鼓航道失控船舶對(duì)海底管道風(fēng)險(xiǎn)分析

趙倉龍1，2， 馮愛國2

(1.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院， 上海 201306； 2.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航海系， 江蘇 南通 226010)

我國西氣東輸二線管道工程中的管線工程穿越深圳銅鼓航道，該航道交通流密度大，航道中的船舶一旦在管線附近失控，將對(duì)海底管線構(gòu)成較大的威脅。對(duì)此，通過構(gòu)建船舶失控漂移計(jì)算模型，就銅鼓航道中對(duì)海底管線構(gòu)成威脅的危險(xiǎn)失控區(qū)域進(jìn)行計(jì)算分析，得出海底管線附近水域危險(xiǎn)失控區(qū)域范圍。分析結(jié)果可為銅鼓航道中的失控船舶采取有效措施免除對(duì)海底管道造成影響提供科學(xué)依據(jù)和參考。

水路運(yùn)輸；海底管道；失控；失控漂移模型

Abstract: The West-East pipeline project Ⅱ, one of the national energy strategic project, is laying the pipeline through the Tonggu waterway at west of Shenzhen. Tonggu waterway is the traffic hub for large ships to visit the Shenzhen western port and have a traffic flow of high density. Once a ship near the pipeline is out of control, the safety of the submarine pipeline will be under risk. A drift model for the ships out of control is set up and the area where those ships may endanger the seabed pipeline is calculated. This study can assist the ships out of control to decide whether to take tugs to assist braking or other appropriate measures from angle of pipeline safety.

Keywords: waterway transportation; submarine pipeline; out of control; drift model for ship out of control

西氣東輸二線管道工程是我國能源戰(zhàn)略的重點(diǎn)工程，由新疆的霍爾果斯向東延伸至上海，向南延伸至廣州。西氣東輸二線海底管道工程作為西氣東輸二線管道工程中的重要組成部分，是我國目前海底管道口徑最大的管道工程，設(shè)計(jì)年輸氣量60億m3，可促成多氣源安全供應(yīng)格局，充分保障我國地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)天然氣的需求。

西氣東輸二線海底管道始于深圳市大鏟島西北側(cè)水域，穿越大鏟水道、礬石淺灘及銅鼓航道，延伸至香港龍鼓灘輸氣站。銅鼓航道作為深圳西部水域航行環(huán)境最復(fù)雜的航道，是大型船舶進(jìn)出深圳西部港區(qū)的必經(jīng)航道(見圖1)。該航道中的船舶一旦在管線附近失控，將對(duì)海底管線構(gòu)成較大的威脅。因此，通過對(duì)船舶失控漂移建立計(jì)算模型，就銅鼓航道中船舶失控對(duì)海底管線造成的危險(xiǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，得出海底管線附近水域危險(xiǎn)失控區(qū)域范圍，對(duì)銅鼓航道中的失控船舶采取措施避免對(duì)海底管道造成影響提供科學(xué)依據(jù)和參考。

1 船舶失控漂移運(yùn)動(dòng)模型

圖1 西氣東輸二線海底管道路由

圖2 船舶失控漂移動(dòng)態(tài)示意

1.1沖程和沖時(shí)的計(jì)算[3-7]

1) 失控時(shí)的船速(υ0)是指船舶在失控開始時(shí)的船速,其計(jì)算式為

(1)

式(1)中：V為船舶失控開始時(shí)的航速,m/s；U為船舶失控開始時(shí)的流速,m/s；α為船舶失控時(shí)艏向與航道主軸向的夾角,(°)；β為舶舶失控時(shí)水流流向與航道主軸向的夾角,(°)。

2) 沖時(shí)(T)是指失控船舶自失控點(diǎn)開始直至慣性消失所用的時(shí)間,其計(jì)算式為

T=-Tstlnv/v0

(2)

式(2)中：υ為失控船舶在沖程時(shí)間內(nèi)任意時(shí)刻的航速,m/s；υ0為船舶失控開始時(shí)的航速,m/s；Tst為失控船舶的減速時(shí)間常數(shù)，Tst=c/ln 2，c可根據(jù)船舶排水量查表1獲得。

表1 船速減半時(shí)間常數(shù)c

3) 靜水沖程(S′)是指失控船舶在沖時(shí)T沿運(yùn)動(dòng)方向繼續(xù)移動(dòng)的距離,其計(jì)算式為

(3)

4) 動(dòng)水沖程(S)是指失控船舶在沖時(shí)T內(nèi)隨流漂航的距離，在計(jì)算動(dòng)力沖程時(shí)應(yīng)予以考慮,其計(jì)算式為

S=υ0Tst(1-e-T/Tst)+UTcos(β-α)

(4)

5) 沖距(Sc)是指動(dòng)水沖程在y軸上的投影,其計(jì)算式為

Sc=υ0Tst(1-e-T/Tst)cosα+UTcosβ

(5)

6) 漂距(SP)是指失控船舶在慣性力完全消失后在流的作用下繼續(xù)沿航道方向漂移的距離,其計(jì)算式為

Sp=Utpcosβ=(Dsk-Sc)

(6)

tp=Sp/Ucosβ=(Dsk-Sc)/Ucosβ

(7)

式(6)和式(7)中：tp為失控船舶流淌漂移時(shí)間,s;Dsk為失控點(diǎn)與海底管線之間沿y軸方向的距離,m。

1.2漂移量的計(jì)算[8-13]

1.2.1流致漂移量的計(jì)算

(1) 沖期內(nèi)流致漂移量(B1)是指失控船舶在整個(gè)沖時(shí)T內(nèi)在流的作用下沿x軸向南偏移的距離,其計(jì)算式為

B1=υ0Tst(1-e-T/Tst)sinα+UTsinβ

(8)

(2) 流淌漂移量(B2)是指失控船舶在慣性消失后繼續(xù)受流的作用到達(dá)海底管線工程水域時(shí)在x軸方向上移動(dòng)的距離,其計(jì)算式為

B2=Utpsinβ=Sptanβ

(9)

(3) 沖期到達(dá)海底管線工程點(diǎn)前流致漂移量(B3)是指失控船舶在沖距大于失控點(diǎn)至海底管線工程點(diǎn)的距離時(shí)(即Sc>Dsk)在流的作用下自失控點(diǎn)到達(dá)海底管線工程水域過程中(工程點(diǎn)前沖距為Dsk)在x軸方向上移動(dòng)的距離,其計(jì)算式為

B3=υ0Tst(1-e-t/Tst)sinα+Utsinβ

(10)

式(10)中:t為失控船舶自失控點(diǎn)受流的作用到達(dá)海底管線水域處所需的時(shí)間，其計(jì)算式為

Dsk=υ0Tst(1-e-t/Tst)cosα+Utcosβ

(11)

1.2.2風(fēng)致漂移量的計(jì)算

(12)

表2 淺水水域橫風(fēng)漂移速度的修正系數(shù)K′

(13)

(14)

式(14)中：υa3為沖期海底管線工程點(diǎn)前的風(fēng)中船速(取失控船舶在風(fēng)的作用下的平均航速),kn；Va3為沖期相對(duì)風(fēng)速,m/s；t為失控船舶從失控點(diǎn)到達(dá)海底管線工程點(diǎn)所需的時(shí)間。

1.3總漂移量計(jì)算

總漂移量(B)是指失控船舶在偏航、風(fēng)和流等主要影響因素的共同作用下從失控點(diǎn)漂移到海底管道工程點(diǎn)沿x軸方向漂移的總距離。其大小是衡量失控船舶失控后是否會(huì)給海底管道工程帶來危險(xiǎn)的重要依據(jù)之一。

1) 當(dāng)Dsk>Sc時(shí)，失控船舶的慣性在船舶到達(dá)海底管線工程點(diǎn)之前就已消失，失控船舶將在流的作用下淌航一段距離后到達(dá)海底管線工程點(diǎn)。該情況下失控船舶的總漂移量和所需時(shí)間分別為

2) 當(dāng)Dsk

(17)

2 失控船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)研究的基本條件

2.1航行條件分析

銅鼓航道是深圳西部港區(qū)的第2條深水航道，目前的建設(shè)規(guī)模可滿足8 000 TEU集裝箱船全天候單向通航。銅鼓航道工程航道人工開挖段長23.7 km，有效寬度210 m，通航水深15.8 m，設(shè)計(jì)底標(biāo)高-15.8 m?；诖?，模型計(jì)算中選取8 000 TEU集裝箱船作為代表船型。船型尺度為：船長347 m，船寬43 m，滿載吃水14.5 m。

赤灣站的常風(fēng)向?yàn)闁|，頻率為23.38%；次常風(fēng)向?yàn)闁|南，頻率為14.23%。強(qiáng)風(fēng)向?yàn)闁|南，最大風(fēng)速為30 m/s；風(fēng)力>7級(jí)的風(fēng)年出現(xiàn)頻率為0.54%。赤臘角站的常風(fēng)向?yàn)闁|，年出現(xiàn)頻率為41.37%;次常風(fēng)向?yàn)楸保瓿霈F(xiàn)頻率為12.66%;強(qiáng)風(fēng)向?yàn)闁|;風(fēng)力>7級(jí)的風(fēng)年出現(xiàn)頻率為1.03%。

受巴士海峽傳入的太平洋潮波的控制，珠江口的潮流屬于不規(guī)則的半日潮混合潮流，其漲落潮歷時(shí)不等現(xiàn)象較明顯，漲潮歷時(shí)從外海向內(nèi)遞減。選擇銅鼓航道斷面東部、中部和西部3個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行洪季漲落潮的測量，具體數(shù)據(jù)見表3和表4。

2.2研究工況分析

利用船舶失控漂移運(yùn)動(dòng)模型計(jì)算出不同沖距下的時(shí)間、航速、漂移量等船舶失控后的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)確定船舶失控后可能給管道帶來危險(xiǎn)的區(qū)域。船舶漂移坐標(biāo)系示意見圖3。

表3 銅鼓航道洪季大潮漲落急條件下的流速

表4 銅鼓航道洪季小潮漲落急條件下的流速

圖3 船舶漂移坐標(biāo)系示意

根據(jù)氣象水文資料及研究工況,若常風(fēng)向取分析工況方向(Vc為水流速度，Vw為風(fēng)速，Vs為航速)，則對(duì)海底管道威脅最大的工況即為圖示的工況。船舶在O點(diǎn)失控后，水流、風(fēng)和偏航共同把船舶推向管線附近。

由于銅鼓航道水流方向基本上與航道中心線的走向一致，因此若假設(shè)船舶失控前在中心線附近航行，失控后受風(fēng)、流的影響漂移到距離航道邊界約100 m處，則在船舶漂航到管線前，偏移量達(dá)100 m時(shí)恰巧到達(dá)海底管線水域，船舶失控點(diǎn)所在的水域是對(duì)管線有危險(xiǎn)的區(qū)域。若偏移量很小，則船舶可漂過管線；若偏移量太大，則在漂移到管線前已擱淺，對(duì)管線沒有威脅。這里選取漂移量分別達(dá)到50 m,100 m和150 m等3種情況來分析銅鼓航道典型船舶(8 000 EU集裝箱船,船型尺度為：船長346 m，型寬45.6 m，型深24.8 m，滿載吃水14.5 m)在不同工況下的時(shí)間和沖程。

依據(jù)銅鼓航道東線段的水流和風(fēng)的基本概況，航道軸線與水流的最大夾角為30°，航道軸線與風(fēng)的最大夾角為74°。因此，選取分析工況：

1) 流速0.4 m/s和1.4 m/s。

2) 風(fēng)速取無風(fēng)、4級(jí)和8級(jí)。

3) 航速12 kn，取銅鼓航道集裝箱船失控前正常進(jìn)出港航速。

3 銅鼓航道失控船對(duì)海底管道危險(xiǎn)性分析

3.1危險(xiǎn)失控區(qū)域計(jì)算

根據(jù)模型計(jì)算方法,確定該集裝箱船在不同環(huán)境條件下的危險(xiǎn)失控區(qū)域(失控點(diǎn)坐標(biāo)為(x,y)，x指漂移量或失控點(diǎn)與航道邊界間的距離，y指失控點(diǎn)與海底管線間的距離)。有關(guān)危險(xiǎn)失控區(qū)域分析數(shù)據(jù)見表5,其中“無風(fēng)”表示風(fēng)速<2級(jí)，或風(fēng)對(duì)船舶的“沖程”和“漂移量”的作用很小。

根據(jù)船舶失控漂移運(yùn)動(dòng)模型，船舶一旦在銅鼓航道中失控,在風(fēng)、流的作用下漂移到航道邊界,將會(huì)擱淺。若正好在海底管線上方擱淺,則會(huì)對(duì)海底管線構(gòu)成較大的威脅。通過上述計(jì)算，得出船舶在海底管線兩側(cè)水域內(nèi)失控時(shí)對(duì)海底管線構(gòu)成影響的危險(xiǎn)失控點(diǎn)(見表5)。

3.2危險(xiǎn)性分析

船舶一旦在銅鼓航道失控漂移至管線附近，橫向偏移量將會(huì)向航道兩側(cè)偏移約105 m。若船舶在到達(dá)管線前方水域時(shí)就已航行到銅鼓航道邊界,則會(huì)擱淺，對(duì)管線已無影響。通過計(jì)算分析上述失控漂移模型及總結(jié)表5中的數(shù)據(jù)可知,船舶失控后能漂移到管線附近的危險(xiǎn)區(qū)域有以下特點(diǎn)：

1) 在海況較好、無風(fēng)順流的情況下，當(dāng)流速為0.4 m/s時(shí)，船舶在3 000～4 000 m內(nèi)能漂航到管線附近;當(dāng)流速為1.4 m/s時(shí)，船舶在7 000～9 000 m內(nèi)能漂航到管線附近。在其他距離情況下,若失控前在航道中心線附近航行，且偏航角<3°，則不拋錨可漂航過管線，不會(huì)擱淺；逆流時(shí)超過3 000 m則開始倒退。

2) 在風(fēng)速達(dá)到4級(jí)左右，流速為0.4 m/s時(shí)，船舶在2 000～8 000 m內(nèi)能漂航到管線附近;當(dāng)流速為1.4 m/s時(shí)，船舶在2 000～4 000 m內(nèi)能漂航到管線附近。在其他距離情況下,若失控前在航道中心線附近航行，且偏航角<3°，則不拋錨可漂航過管線，不會(huì)擱淺；逆流時(shí)超過5 600 m則開始倒退。

表5 10萬噸級(jí)集裝箱船危險(xiǎn)失控區(qū)域分析

3) 在風(fēng)速達(dá)到8級(jí)左右，流速為0.4 m/s或1.4 m/s時(shí)，船舶在1 000～3000 m內(nèi)能漂航到管線附近。在其他距離情況下,若失控前航行至航道中心線附近，且偏航角<3°，則不拋錨可漂航過管線，不會(huì)擱淺；逆流時(shí)超過4 200 m則開始倒退。

綜合考慮，船舶在管線兩端5 000 m范圍內(nèi)失控都有漂移到管線附近上方擱淺的危險(xiǎn)。當(dāng)失控距離>5 000 m時(shí)，建議采用拖船施救。

4 結(jié)束語

經(jīng)船舶失控漂移運(yùn)動(dòng)模型綜合計(jì)算分析，得到8 000 TEU集裝箱船在銅鼓航道中心線航行過程中失控后的漂移數(shù)據(jù)。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知：若失控船舶在管線兩端>5 000 m范圍內(nèi)失控，則由于失控距離較遠(yuǎn)，留給救援部門的時(shí)間較長，建議采用拖船對(duì)失控船舶進(jìn)行施救(制動(dòng))，進(jìn)而避免失控船舶向海地管線方向漂移；若失控船舶在管線兩端5 000 m范圍內(nèi)失控,則漂移到管線附近上方擱淺的概率較大,建議業(yè)主與相關(guān)部門配合在管線兩側(cè)各2 n mile處設(shè)置警示標(biāo)志。

由于銅鼓航道有效航寬較小，因此應(yīng)對(duì)大型船舶實(shí)行單向通航的管理措施，在進(jìn)入警示水域前調(diào)整好航向，采用適當(dāng)?shù)娘L(fēng)、流壓角(一般為3°～5°);同時(shí),采用一定掛高量的方法，掛高量在航道中心線受風(fēng)、流側(cè)30～50 m。若在海底管線構(gòu)成影響的危險(xiǎn)失控點(diǎn)水域發(fā)生船舶失控情況,則及時(shí)啟動(dòng)船舶失控應(yīng)急預(yù)案，與海事交管部門聯(lián)系采取進(jìn)一步的制動(dòng)措施(如拋錨制動(dòng)、拖船協(xié)助制動(dòng)等)。后續(xù)將對(duì)船舶拋錨制動(dòng)進(jìn)行研究，分析船舶失控后采取拋單錨、雙錨措施所對(duì)應(yīng)的船舶失控沖程,進(jìn)而為失控船舶駕引人員操縱船舶提供科學(xué)依據(jù)和參考。

[1] 薛滿福，杲慶林.船舶操縱與避碰(船舶操縱) [M].北京：人民交通出版社，2012.

[2] 王宏明.船舶拋錨對(duì)渤海灣海底管道撞擊影響[J].中國航海,2015，38(2)：56-59.

[3] 張磊．基于船舶應(yīng)急拋錨的海底管道埋深及保護(hù)研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2013．

[4] 甘浪雄，喻曉，高國章.船舶失控應(yīng)急的港珠澳大橋橋區(qū)水域尺度[J].中國航海,2011，34(4)：76-80.

[5] 王杰，肖菲，王愛民.海底管線防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國航海,2015，38(3)：75-78.

[6] 丁天明，艾萬政.漁船在流場中失控漂移預(yù)報(bào)模型[J].水運(yùn)管理,2015，37(10)：14-16.

[7] 母德偉，劉明俊，韓述，等.船舶失控漂移模型在重慶白居寺長江大橋通航安全影響論證中的應(yīng)用研究[J].交通科技,2014(5)：155-158.

[8] 白俊磊．海底管道墜物碰撞損傷數(shù)值模擬分析研究[D].大連:大連理工大學(xué)，2013．

[9] 丁紅巖，樂叢歡，張浦陽.落物撞擊作用下海底管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].海洋工程,2010，28(1)：25-30.

[10] 江福才,沈崇松.船舶失控漂移模型在防波堤水域的應(yīng)用研究[J].船海工程,2009，38(3)：172-175.

[11] 朱倩.海底管線系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)研究[D].大連:大連理工大學(xué)，2013．

[12] 宋俊強(qiáng)，陳昆，霍知亮,等.圍海造陸工程對(duì)海底管線的影響及防護(hù)方案的研究[J].水利學(xué)報(bào),2015，46(S1)：153-157.

[13] 丁鵬.海底管線安全可靠性及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)研究[D].青島:中國石油大學(xué)，2008．

[14] 李學(xué)東，耿杰哲，李學(xué)恩.基于錨泊活動(dòng)的海底管線埋深研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2015，39(5)：1021-1023.

[15] 莊元，宋少橋.海底管線埋深問題研究[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，39(1)：61-64．

[16] 藍(lán)天，余建星，張英,等．基于ABAQUUS的拖錨載荷對(duì)海底管線的影響研究[J].天津理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014,30(1)：1-5．

[17] 劉歡，馮梅芳，張文海. 拋錨作業(yè)撞擊海底管道的影響分析[J].石油工程建設(shè),2012,38(1)：21-23．

RiskAnalysisforSubmarinePipelineinCaseofShipOut-Of-ControlinShenzhenTongguWaterway

ZHAOCanglong1，2，F(xiàn)ENGAiguo2

(1. Merchant Marine College， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China； 2. Department of Navigation， Nantong Shipping College， Nantong 226010， China)

P756.2; U698

A

2016-10-11

江蘇省交通科技項(xiàng)目(2011C04-2)；2014年度江蘇省第四期“333工程”科研資助立項(xiàng)項(xiàng)目(BRA2014312)

趙倉龍(1983—),男，江蘇鹽城人，講師，博士生，從事水上交通環(huán)境與安全保障研究。E-mail: zhaocl@ntsc.edu.cn

1000-4653(2017)01-0064-05