基于綜合模型的船舶與鉆井平臺安全距離計算

莊元，常夢雪，郭禹江

(武漢理工大學 a.航運學院；b.內(nèi)河航運技術湖北省重點實驗室，武漢 430063)

近年來海洋油氣開采產(chǎn)業(yè)逐漸崛起，近岸海域出現(xiàn)了更多的鉆井平臺，而近岸海域也是船舶航行較為密集的海域，鉆井平臺的存在對附近船舶的航行安全構成了一定威脅，因此對鉆井平臺與船舶航行安全方面的研究迫在眉睫。已有的研究大部分基于船舶操縱理論、船舶領域理論和碰撞風險模型[1-4]，以及基于船舶自動識別系統(tǒng)[5-6]確定水域內(nèi)船舶與礙航物之間的安全距離，研究多是通過統(tǒng)計分析法進行驗證，對不同類型、不同尺度的船舶考慮不夠充分；僅研究船舶正常航行狀態(tài)下的安全距離，未考慮到船舶失控狀態(tài)下的安全距離。為此，考慮根據(jù)固定式鉆井平臺與船舶航路的位置關系，提出“縱向安全距離”和“橫向安全距離”的概念；同時建立基于平臺自身安全區(qū)模型、船舶在緊迫局面時的倒車制動模型、船舶旋回制動模型及船舶在失控狀態(tài)下的失控漂移模型的綜合計算模型，運用MATLAB計算分析不同船型在不同通航環(huán)境下的船舶與固定式鉆井平臺之間安全距離。

1 平臺自身安全區(qū)模型

1.1 平臺液體池火輻射模型的原理

海上鉆井平臺發(fā)生事故時，對平臺自身和周圍船舶安全威脅最大的是平臺爆炸、火災事故。液體池火模型研究主要針對平臺爆炸、火災事故產(chǎn)生的熱輻射危害[7]。

當可燃液體的沸點高于、低于周圍環(huán)境溫度時，液體的質量燃燒速度分別按下式計算。

(1)

(2)

式中：Hc為液體燃燒熱，kJ/kg；H0為液體的汽化熱，kJ/kg；cp為液體的定壓比熱容，kJ/(kg·K)；Tb為液體的沸點，K；T0為環(huán)境溫度，K。

以圓形均勻擴散情況來計算液體燃燒時火焰的高度，池火火焰高度受到擴散面積、風速等因素的影響，火焰高度按下式計算。

(3)

(4)

式中：ρ0為燃燒液體周圍空氣密度，kg/m3；uw、u0分別為風速和特征風速，m/s；g為萬有引力常數(shù)，m/s2；Dz為燃燒液面的當量直徑，m。

海上鉆井平臺的池火火焰遇風發(fā)生傾斜，池火火焰的傾斜角φ按下式計算。

(5)

式中：v0為空氣的動黏度，m2/s。

船舶靠近失火鉆井平臺過程中，對船舶造成危害的主要是液池火災產(chǎn)生的熱輻射和爆炸，火焰表面熱輻射通量按下式計算。

(6)

式中：γ為熱輻射系數(shù)；ε為火焰表面被煙覆蓋的比例；R為燃燒液面的當量半徑，m。

船舶靠近失火鉆井平臺時，船舶表面不斷接受熱輻射，當熱輻射累積到一定程度，船舶將面臨火災、爆炸等危險。船舶接受的熱輻射通量按下式計算。

τ=1-0.058lnx

(7)

式中：F為視角系數(shù)；τ為大氣透射系數(shù)；x為目標點到液池中心的水平距離，m。

在有風條件下，火焰的形狀被認為是斜圓柱。此時，液池中心與鉆井平臺中心存在偏差，將斜圓柱投影到海平面的橢圓中心看作液池中心。目標點到鉆井平臺中心的上風側距離和目標點到鉆井平臺中心的下風側距離為

(8)

1.2 風險可接受標準

熱輻射的強度不同，人員和設備的損壞程度也會有所不同，另外損壞程度還與暴露時間相關。熱通量準則、熱強度準則和熱通量-熱強度準則都是常見的熱輻射破壞準則，見表1。

表1 臨界熱通量破壞準則

2 基于船舶操縱性的安全距離

我國海上部分平臺開發(fā)較早，平臺位于后規(guī)劃的船舶航路上，當固定式鉆井平臺位于航路上時，需要針對不同代表船型提前壓縮航路寬度，使過往船舶始終與固定式鉆井平臺保持一定的安全距離，該距離稱為縱向安全距離。當固定式鉆井平臺位于航路的一側時，同樣針對不同代表船型，通過調整航路或壓縮航路寬度，保證船舶航路與固定式鉆井平臺間的橫向距離，該距離稱為橫向安全距離。參見圖1。

圖1 安全距離示意

固定式鉆井平臺與船舶航路的縱向安全距離與橫向安全距離分緊迫局面和失控狀態(tài)兩種情況。

1)緊迫局面下的綜合計算模型。

LP=S1+S2+Ad+R0LH=S3+D+R0

(9)

2)失控狀態(tài)下的綜合計算模型。

LP=Sc+R0LH=B1+B2+R0

(10)

式中：S1為換向沖程，m；S2為減速沖程，m；Ad為旋回進距，m；Sc為沖距，m；S3為倒車制動偏航距離，m；D為旋回橫距，m；B1為流致漂移量，m；B2為風致漂移量，m；R0為平臺自身安全距離，m。

2.1 船舶倒車制動

1)換向沖程。

換向沖程的大小由主機換向時間和換向時船舶的航速決定。船舶換向過程中，受到水流阻力的作用作減速運動。船舶所受水流阻力Rv為

Rv=0.17AV1.83+εCbAMV1.7+4Fr

(11)

式中：A為船舶浸濕面積，m2；V為船舶航速，m/s；Cb為方形系數(shù)；AM為中橫剖面積，m2；Fr為弗勞德數(shù)；L為船長，m；ε為剩余阻力系數(shù)。

船舶換向過程中的船舶速度V1和位移S1為

(12)

式中：a為船舶換向過程中的加速度，m2/s，a=Rv/m,m為船舶質量，kg。

2)減速沖程。

船舶完成換向后，開始受到水流阻力和主機制動力的作用作減速運動。船舶制動過程的動力學方程可用下式表示。

(13)

式中：R為水流阻力，kN；FT為主機倒車制動力，kN，F(xiàn)T=P/V；P為倒車功率；V為航速。

通過分離變量法得到船舶減速沖程S2。

(14)

3)偏航距離。

船舶受風、流作用的偏航運動可以看作初速度為0的加速運動，船舶受到的風作用力F1和流作用力F2計算如下。

F2=k2V2

(15)

式中：V為船舶初速度，m/s；Vw為相對風速，m/s；K1、K2分別為船舶的風、流載荷系數(shù)。

2.2 船舶滿舵旋回制動

采用MMG模型來模擬船舶的旋回運動，將船舶的整體受力分解為黏性類流體、槳、舵的單獨受力及他們的相互影響[8]。旋回過程中船舶的進距和橫距見圖2、3。

圖2 船舶旋回制動進距

圖3 船舶旋回制動橫距

(16)

式中：m、mx、my分別為船舶的質量、縱向、橫向附加質量；Izz、Jzz分別為船舶的船體艏搖慣性矩及附加慣性矩；u、v、r分別為船舶縱向、橫向速度矢量分量和轉艏角速度；XH、XP、XR分別為黏性類流體、槳和舵的縱向力；YH、YP、YR分別為黏性類流體、槳和舵的橫向力；NH、NP、N分別為黏性類流體、槳和舵的轉艏力矩。

2.3 船舶失控

船舶的失控運動可分為兩個階段，①慣性減速階段；②隨流淌航階段。 采用船舶失控漂移模型計算船舶失控狀態(tài)下的運動距離[9]。

1)沖時T。

T=-Tstlnv/v0

(17)

式中：v為船舶在沖程時間內(nèi)任意時刻船速，m/s；v0為船舶失控開始時的航速，m/s；Tst為船舶減速時間常數(shù)，Tst=c/ln 2 ，c為船速減半時間常數(shù)。

2)靜水沖程S′。

S′=v0Tst(1-e-T/Tst)

(18)

3)動水沖程S。

S=v0Tst(1-e-T/Tst)+U·T·cos(β-α)

(19)

式中：U為流速，m/s；α為偏航角，(°) ；β為流向角，(°) 。

4)沖距SC。

SC=v0Tst(1-e-T/Tst)cosα+U·Tcosβ

(20)

5)流致漂移量B1。

B1=v0Tst(1-e-T/Tst)sinα+U·Tsinβ(21)

6)風致漂移量B2。

(22)

式中：K為系數(shù)，一般取0.038～0.041；K′為淺水修正系數(shù)；Ba為船體受風面積，m2；Bw為船體受流面積，m2；va1為風中船速，kn，取沖期平均船速；Va1為沖程期的相對風速，m/s，取平均值。

3 模型計算

3.1 代表船型選取

以潿洲WZ6-12固定式鉆井平臺為例計算，鉆井平臺附近全年盛行NE、ENE 和NNE向風，最大風速為15 m/s，出現(xiàn)在冬季。流隨季節(jié)的變化表現(xiàn)為SSW向和NNE向，流速為0.5～1.0 kn，為保證安全，取1.0 kn，即0.51 m/s。選取10萬t級的散貨船、油船、集裝箱船為代表船型，相關參數(shù)依據(jù)《海港總體設計規(guī)范》確定[10]。

3.2 綜合模型計算

3.2.1 平臺自身安全距離確定

原油的液體燃燒熱為4.443×104kJ/kg，定壓比熱為1. 70 kJ /( kg·K)，液體常壓沸點為 398. 8 K，環(huán)境溫度為 293. 1 K，液體的汽化熱為400 kJ / kg，空氣密度為1.259 kg /m3，空氣的運動黏度為14.8×10-6m2/s，一般原油的燃燒速率為0.076 6 kg/(m2·s)。

鉆井平臺在不同碰撞情況下，原油泄漏面積不同，在閱讀大量文獻和查閱歷史鉆井平臺事故后，借鑒駱正山的研究選取70 m作為液池的最大半徑[7]。假設液池半徑分別為30、50、70 m。不同池火場景的池火參數(shù)見表2。

表2 池火模型的特性參數(shù)

不同池火場景下不同距離處的目標接受熱輻射通量見表3。

表3 不同液池半徑下不同距離處熱輻射通量

由表1可知，當臨界熱通量為1.60 kW/m2時，可以長時間暴露?？紤]風速的影響，液池半徑分別為30、50、70 m時，在發(fā)生池火的平臺周圍熱輻射通量達到1.60 kW/m2的目標點在平臺的上風側距離分別為166、288、412 m，在平臺的下風側距離分別為213、351、489 m?？紤]到平臺自身池火半徑和船舶船長，取600 m作為平臺自身安全距離。

3.2.2 船舶運動距離計算

運用MATLAB對代表船型在緊迫局面及失控狀態(tài)下的運動距離進行計算，結果見表4。

表4 代表船型倒車制動計算值 m

表5 代表船型旋回制動計算值 m

表6 代表船型失控計算值 m

4 仿真驗證與分析

4.1 操縱仿真結果

利用NTR-5000型船舶操縱仿真模擬器對設定船型和工況進行仿真試驗。分別建立散貨船、集裝箱船、油船的模型，進行船舶操縱仿真模擬，10萬t級代表船型仿真模擬結果見圖4～6。

圖4 散貨船操縱仿真結果

圖5 油船操縱仿真結果

圖6 集裝箱船操縱仿真結果

通過測量不同代表船型的運動距離，得出代表船型的倒車制動、旋回制動，以及失控運動距離，見表7。

表7 代表船型倒車制動操縱仿真試驗值 m

4.2 安全距離推薦值

對代表船型緊迫局面和失控狀態(tài)下縱向、橫向安全距離的模型計算值與仿真試驗值進行對比分析，見表8。

表8 安全距離對比

根據(jù)模型計算值并將鉆井平臺自身安全區(qū)考慮在安全距離范圍內(nèi)后，從安全的角度出發(fā)，針對不同船型給出了潿洲水域固定式鉆井平臺與船舶航路安全距離的推薦值，見表9。

表9 安全距離推薦值 n mile

5 結論

1)綜合模型的計算值與仿真試驗值的誤差在4%以內(nèi)。船舶與固定式鉆井平臺間安全距離,綜合計算模型的計算結果與仿真試驗結果誤差處于可接受的范圍內(nèi)。

2)國際避碰規(guī)則推薦船舶與鉆井平臺間橫向安全距離至少保持在2.00 n mile以上。通過綜合模型計算分析可知，10萬t級散貨船、油船、集裝箱船的安全距離推薦值分別為1.03、0.77、1.30 n mile。不同船型在不同的通航環(huán)境下，所需要的橫向安全距離是不同的。

3)國際避碰規(guī)則并沒有推薦船舶與鉆井平臺間縱向安全距離值，根據(jù)綜合模型計算結果，認為10萬t級散貨船、油船、集裝箱船的縱向安全距離推薦值分別為2.47、2.35、3.27 n mile。

4)基于綜合模型的安全距離計算方法可為主管機關規(guī)劃船舶航路與鉆井平臺間的安全距離提供依據(jù)和參考，后續(xù)研究應考慮結合船舶交通流密度對模型進行進一步的優(yōu)化。