基于综合模型的船舶与钻井平台安全距离计算

2021-10-25庄元常梦雪郭禹江

船海工程 2021年5期

庄元，常梦雪，郭禹江

(武汉理工大学 a.航运学院；b.内河航运技术湖北省重点实验室，武汉 430063)

近年来海洋油气开采产业逐渐崛起，近岸海域出现了更多的钻井平台，而近岸海域也是船舶航行较为密集的海域，钻井平台的存在对附近船舶的航行安全构成了一定威胁，因此对钻井平台与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纵理论、船舶领域理论和碰撞风险模型[1-4]，以及基于船舶自动识别系统[5-6]确定水域内船舶与碍航物之间的安全距离，研究多是通过统计分析法进行验证，对不同类型、不同尺度的船舶考虑不够充分；仅研究船舶正常航行状态下的安全距离，未考虑到船舶失控状态下的安全距离。为此，考虑根据固定式钻井平台与船舶航路的位置关系，提出“纵向安全距离”和“横向安全距离”的概念；同时建立基于平台自身安全区模型、船舶在紧迫局面时的倒车制动模型、船舶旋回制动模型及船舶在失控状态下的失控漂移模型的综合计算模型，运用MATLAB计算分析不同船型在不同通航环境下的船舶与固定式钻井平台之间安全距离。

1 平台自身安全区模型

1.1 平台液体池火辐射模型的原理

海上钻井平台发生事故时，对平台自身和周围船舶安全威胁最大的是平台爆炸、火灾事故。液体池火模型研究主要针对平台爆炸、火灾事故产生的热辐射危害[7]。

当可燃液体的沸点高于、低于周围环境温度时，液体的质量燃烧速度分别按下式计算。

(1)

(2)

式中：Hc为液体燃烧热，kJ/kg；H0为液体的汽化热，kJ/kg；cp为液体的定压比热容，kJ/(kg·K)；Tb为液体的沸点，K；T0为环境温度，K。

以圆形均匀扩散情况来计算液体燃烧时火焰的高度，池火火焰高度受到扩散面积、风速等因素的影响，火焰高度按下式计算。

(3)

(4)

式中：ρ0为燃烧液体周围空气密度，kg/m3；uw、u0分别为风速和特征风速，m/s；g为万有引力常数，m/s2；Dz为燃烧液面的当量直径，m。

海上钻井平台的池火火焰遇风发生倾斜，池火火焰的倾斜角φ按下式计算。

(5)

式中：v0为空气的动黏度，m2/s。

船舶靠近失火钻井平台过程中，对船舶造成危害的主要是液池火灾产生的热辐射和爆炸，火焰表面热辐射通量按下式计算。

(6)

式中：γ为热辐射系数；ε为火焰表面被烟覆盖的比例；R为燃烧液面的当量半径，m。

船舶靠近失火钻井平台时，船舶表面不断接受热辐射，当热辐射累积到一定程度，船舶将面临火灾、爆炸等危险。船舶接受的热辐射通量按下式计算。

τ=1-0.058lnx

(7)

式中：F为视角系数；τ为大气透射系数；x为目标点到液池中心的水平距离，m。

在有风条件下，火焰的形状被认为是斜圆柱。此时，液池中心与钻井平台中心存在偏差，将斜圆柱投影到海平面的椭圆中心看作液池中心。目标点到钻井平台中心的上风侧距离和目标点到钻井平台中心的下风侧距离为

(8)

1.2 风险可接受标准

热辐射的强度不同，人员和设备的损坏程度也会有所不同，另外损坏程度还与暴露时间相关。热通量准则、热强度准则和热通量-热强度准则都是常见的热辐射破坏准则，见表1。

表1 临界热通量破坏准则

2 基于船舶操纵性的安全距离

我国海上部分平台开发较早，平台位于后规划的船舶航路上，当固定式钻井平台位于航路上时，需要针对不同代表船型提前压缩航路宽度，使过往船舶始终与固定式钻井平台保持一定的安全距离，该距离称为纵向安全距离。当固定式钻井平台位于航路的一侧时，同样针对不同代表船型，通过调整航路或压缩航路宽度，保证船舶航路与固定式钻井平台间的横向距离，该距离称为横向安全距离。参见图1。

图1 安全距离示意

固定式钻井平台与船舶航路的纵向安全距离与横向安全距离分紧迫局面和失控状态两种情况。

1)紧迫局面下的综合计算模型。

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

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2)失控状态下的综合计算模型。

LP=Sc+R0LH=B1+B2+R0

(10)

式中：S1为换向冲程，m；S2为减速冲程，m；Ad为旋回进距，m；Sc为冲距，m；S3为倒车制动偏航距离，m；D为旋回横距，m；B1为流致漂移量，m；B2为风致漂移量，m；R0为平台自身安全距离，m。

2.1 船舶倒车制动

1)换向冲程。

换向冲程的大小由主机换向时间和换向时船舶的航速决定。船舶换向过程中，受到水流阻力的作用作减速运动。船舶所受水流阻力Rv为

Rv=0.17AV1.83+εCbAMV1.7+4Fr

(11)

式中：A为船舶浸湿面积，m2；V为船舶航速，m/s；Cb为方形系数；AM为中横剖面积，m2；Fr为弗劳德数；L为船长，m；ε为剩余阻力系数。

船舶换向过程中的船舶速度V1和位移S1为

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式中：a为船舶换向过程中的加速度，m2/s，a=Rv/m,m为船舶质量，kg。

2)减速冲程。

船舶完成换向后，开始受到水流阻力和主机制动力的作用作减速运动。船舶制动过程的动力学方程可用下式表示。

(13)

式中：R为水流阻力，kN；FT为主机倒车制动力，kN，FT=P/V；P为倒车功率；V为航速。

通过分离变量法得到船舶减速冲程S2。

(14)

3)偏航距离。

船舶受风、流作用的偏航运动可以看作初速度为0的加速运动，船舶受到的风作用力F1和流作用力F2计算如下。

F2=k2V2

(15)

式中：V为船舶初速度，m/s；Vw为相对风速，m/s；K1、K2分别为船舶的风、流载荷系数。

2.2 船舶满舵旋回制动

采用MMG模型来模拟船舶的旋回运动，将船舶的整体受力分解为黏性类流体、桨、舵的单独受力及他们的相互影响[8]。旋回过程中船舶的进距和横距见图2、3。

图2 船舶旋回制动进距

图3 船舶旋回制动横距

(16)

式中：m、mx、my分别为船舶的质量、纵向、横向附加质量；Izz、Jzz分别为船舶的船体艏摇惯性矩及附加惯性矩；u、v、r分别为船舶纵向、横向速度矢量分量和转艏角速度；XH、XP、XR分别为黏性类流体、桨和舵的纵向力；YH、YP、YR分别为黏性类流体、桨和舵的横向力；NH、NP、N分别为黏性类流体、桨和舵的转艏力矩。

2.3 船舶失控

船舶的失控运动可分为两个阶段，①惯性减速阶段；②随流淌航阶段。采用船舶失控漂移模型计算船舶失控状态下的运动距离[9]。

1)冲时T。

T=-Tstlnv/v0

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式中：v为船舶在冲程时间内任意时刻船速，m/s；v0为船舶失控开始时的航速，m/s；Tst为船舶减速时间常数，Tst=c/ln 2 ，c为船速减半时间常数。

2)静水冲程S′。

S′=v0Tst(1-e-T/Tst)

(18)

3)动水冲程S。

S=v0Tst(1-e-T/Tst)+U·T·cos(β-α)

(19)

式中：U为流速，m/s；α为偏航角，(°) ；β为流向角，(°) 。

4)冲距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)风致漂移量B2。

(22)

式中：K为系数，一般取0.038～0.041；K′为浅水修正系数；Ba为船体受风面积，m2；Bw为船体受流面积，m2；va1为风中船速，kn，取冲期平均船速；Va1为冲程期的相对风速，m/s，取平均值。

3 模型计算

3.1 代表船型选取

以涠洲WZ6-12固定式钻井平台为例计算，钻井平台附近全年盛行NE、ENE 和NNE向风，最大风速为15 m/s，出现在冬季。流随季节的变化表现为SSW向和NNE向，流速为0.5～1.0 kn，为保证安全，取1.0 kn，即0.51 m/s。选取10万t级的散货船、油船、集装箱船为代表船型，相关参数依据《海港总体设计规范》确定[10]。

3.2 综合模型计算

3.2.1 平台自身安全距离确定

原油的液体燃烧热为4.443×104kJ/kg，定压比热为1. 70 kJ /( kg·K)，液体常压沸点为 398. 8 K，环境温度为 293. 1 K，液体的汽化热为400 kJ / kg，空气密度为1.259 kg /m3，空气的运动黏度为14.8×10-6m2/s，一般原油的燃烧速率为0.076 6 kg/(m2·s)。

钻井平台在不同碰撞情况下，原油泄漏面积不同，在阅读大量文献和查阅历史钻井平台事故后，借鉴骆正山的研究选取70 m作为液池的最大半径[7]。假设液池半径分别为30、50、70 m。不同池火场景的池火参数见表2。

表2 池火模型的特性参数

不同池火场景下不同距离处的目标接受热辐射通量见表3。

表3 不同液池半径下不同距离处热辐射通量

由表1可知，当临界热通量为1.60 kW/m2时，可以长时间暴露。考虑风速的影响，液池半径分别为30、50、70 m时，在发生池火的平台周围热辐射通量达到1.60 kW/m2的目标点在平台的上风侧距离分别为166、288、412 m，在平台的下风侧距离分别为213、351、489 m。考虑到平台自身池火半径和船舶船长，取600 m作为平台自身安全距离。

3.2.2 船舶运动距离计算

运用MATLAB对代表船型在紧迫局面及失控状态下的运动距离进行计算，结果见表4。