于春潔賈 旭朱偉亮陳新佳呂 林

(1.中海油研究總院; 2.遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)院; 3.大連理工大學(xué))

以水下生產(chǎn)設(shè)施為中心的漁船安全作業(yè)范圍

于春潔1賈 旭1朱偉亮1陳新佳2呂 林3

(1.中海油研究總院; 2.遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)院; 3.大連理工大學(xué))

由于水下生產(chǎn)設(shè)施位于水下,如果附近有漁業(yè)活動(dòng),漁具系統(tǒng)可能會(huì)與水下生產(chǎn)設(shè)施發(fā)生碰撞,導(dǎo)致水下生產(chǎn)設(shè)施保護(hù)架被船拖壞并引起管道、臍帶纜等損傷。主要針對東海海域采用理論和數(shù)值分析方法建立了在一定航速、纜索長度、網(wǎng)具類型等控制參數(shù)下的漁具系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)值模型,并與相關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了對比,驗(yàn)證了本文數(shù)值模型和計(jì)算方法的正確性,最終根據(jù)我國東海海域?qū)嶋H水深及漁業(yè)情況,界定出該海域以水下生產(chǎn)設(shè)施為中心的漁船安全作業(yè)半徑不得小于350 m。

水下生產(chǎn)設(shè)施;漁具系統(tǒng);碰撞;運(yùn)動(dòng)軌跡;安全作業(yè)范圍;數(shù)值分析;東海海域

從20世紀(jì)90年代起,水下生產(chǎn)設(shè)施在中國海域油氣田開發(fā)中起著越來越重要的作用[1]。水下生產(chǎn)設(shè)施一般包括采油樹、跨接管、管匯以及與管匯相連的海底管道和臍帶纜,布置范圍從100多m到幾千米以上。由于水下生產(chǎn)設(shè)施位于水下,如果附近有漁業(yè)活動(dòng),漁具系統(tǒng)可能會(huì)與水下生產(chǎn)設(shè)施發(fā)生碰撞,如2013年崖城13-1氣田水下生產(chǎn)設(shè)施發(fā)生水下閥組保護(hù)架被船拖壞并引起管道損傷事故。因此,應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)睾Ｓ蛩?、海底摩擦系?shù)、漁業(yè)漁船航速及曳綱長度等參數(shù)界定漁船安全作業(yè)區(qū)域,從而避免漁具系統(tǒng)與水下生產(chǎn)設(shè)施發(fā)生碰撞。目前國內(nèi)還沒有這方面的專門研究,國外由于水下生產(chǎn)設(shè)施發(fā)展得比較早,已有一些相應(yīng)的研究,特別是早期針對海管的試驗(yàn)研究[2-3]。本文主要針對東海海域水下生產(chǎn)設(shè)施,采用理論和數(shù)值分析方法建立了在一定航速、纜索長度、網(wǎng)具類型等控制參數(shù)下漁具系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)值模型,并與文獻(xiàn)[4]中的數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了對比,驗(yàn)證了本文數(shù)值模型和計(jì)算方法的正確性,最終界定出該海域以水下生產(chǎn)設(shè)施為中心的漁船安全作業(yè)半徑不得小于350 m。

1 漁具系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)值模型的建立與驗(yàn)證

1.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)現(xiàn)有調(diào)查資料,我國東海漁業(yè)活動(dòng)主要采用4種捕撈方式:桁桿拖網(wǎng)、雙拖網(wǎng)、單拖網(wǎng)和定置張網(wǎng),由于定置張網(wǎng)屬固定作業(yè)形式,對海底設(shè)施不會(huì)產(chǎn)生明顯影響;而雙拖網(wǎng)和單拖網(wǎng)形式比較相近,但近年來單拖網(wǎng)應(yīng)用更為廣泛,且桁桿拖網(wǎng)已成為我國沿海海區(qū)捕撈的重要作業(yè)方式,因此本次研究中將重點(diǎn)考慮桁桿拖網(wǎng)和單拖網(wǎng)在漁業(yè)作業(yè)過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡。圖1、2分別是單拖網(wǎng)和桁桿拖網(wǎng)作業(yè)方式示意圖。

圖1 單拖網(wǎng)作業(yè)示意圖

圖2 桁桿拖網(wǎng)作業(yè)示意圖

在對漁具系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值分析時(shí),將漁具系統(tǒng)(包括網(wǎng)板、桁桿、沉子、浮子、漁網(wǎng)等)視為一整體,通過研究漁具系統(tǒng)在漁船作用下的運(yùn)動(dòng)軌跡來確定以水下生產(chǎn)設(shè)施為中心的漁船安全作業(yè)半徑。具體流程是:首先建立漁船與漁具系統(tǒng)的三維運(yùn)動(dòng)方程;然后進(jìn)行數(shù)值求解,并對數(shù)值模型的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證;進(jìn)而開展影響參數(shù)分析,最后結(jié)合東海海域漁業(yè)漁船航行速度、曳綱長度及材料屬性、漁具系統(tǒng)質(zhì)量等參數(shù)得出以水下生產(chǎn)設(shè)施為中心的漁船安全作業(yè)半徑。

針對漁船與漁具系統(tǒng)建立三維運(yùn)動(dòng)方程,基本假設(shè)條件包括:①將網(wǎng)板、浮子綱、沉子綱、網(wǎng)囊、網(wǎng)身、網(wǎng)袖等組成的漁具系統(tǒng)視為一整體,其質(zhì)量為mt;②設(shè)曳綱為彈性材料,其剛度系數(shù)為Kw,曳綱長度為Lw;③規(guī)定漁船沿半徑為R的圓周行駛180°,然后沿直線行駛距離1.5R,航行速度為v;④海底摩擦系數(shù)為μ;⑤漁具系統(tǒng)不離開海底面;⑥水下生產(chǎn)設(shè)施位于漁船半圓形軌跡的圓心位置。

根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律,漁具系統(tǒng)的受力平衡方程為

式(1)～(3)中:Tx、Ty、Tz分別表示曳綱沿x、y、z等3個(gè)方向的彈性力,由胡克定律確定,Tx=(當(dāng)L t＞L時(shí),當(dāng)曳綱為松弛狀態(tài)時(shí),彈性力為零,其中,xj與yj分別表示拖航船在t時(shí)刻的位置,xi與yi分別表示漁具系統(tǒng)在t時(shí)刻的位置,L為曳綱原始長度,Lt為t時(shí)刻曳綱的長度,Kw表示曳綱的剛度系數(shù)。另外, N表示海底面對漁具系統(tǒng)的支持力;ρ表示海水密度;ρgv表示網(wǎng)板、浮子綱、沉子綱、網(wǎng)囊、網(wǎng)身、網(wǎng)袖等組成的漁具系統(tǒng)所受到的浮力;f表示漁具系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過程中受到的摩擦阻力;F為漁具系統(tǒng)在水中前進(jìn)過程中受到的水體阻力,并有

式(4)中:Cd表示阻力系數(shù);S表示拖網(wǎng)的濕面積。

在每一個(gè)計(jì)算的時(shí)間步,根據(jù)z方向受力平衡,求得海底面對漁具系統(tǒng)的支持力N;再利用摩擦力公式f=μN(yùn),求得漁具系統(tǒng)在水平和垂直方向受到的摩擦力。

漁具系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程為

對以上的控制方程采用四階龍格-庫塔法進(jìn)行求解,即可獲得漁具系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

1.2 數(shù)值模型的驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述模型的準(zhǔn)確性,在漁具系統(tǒng)質(zhì)量mt= 300 kg、漁船航速v=2 m/s、航行半徑R=580 m、阻力系數(shù)Cd=100.0、海底摩擦系數(shù)μ=0.05的條件下,分別計(jì)算了曳綱長度Lw=280 m、水深H= 140 m和曳綱長度Lw=770 m、水深H=220 m時(shí)漁具系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡(圖3),并與文獻(xiàn)[4]中的數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了對比,其中阻力系數(shù)、海底摩擦系數(shù)及水深選取均是根據(jù)東海海域航線、船舶及漁業(yè)資料來確定的。

圖3 漁具系統(tǒng)在不同曳綱長度和水深下的運(yùn)動(dòng)軌跡

從圖3可以看出,本文數(shù)值結(jié)果與文獻(xiàn)[4]中的數(shù)值結(jié)果吻合良好,驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。對比圖3a和圖3b發(fā)現(xiàn),當(dāng)水深及曳綱長度發(fā)生變化時(shí),漁具系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)曳綱長度較小時(shí),漁具系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡與漁船航行軌跡較為接近;當(dāng)曳綱長度較大時(shí),漁具系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡偏離漁船航行軌跡較遠(yuǎn),漁具系統(tǒng)與水下生產(chǎn)設(shè)施易發(fā)生碰撞。

2 漁具系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡影響因素分析

2.1 曳綱剛度系數(shù)

在mt=300 kg、v=2 m/s、Lw=500 m、R=600 m、Cd=100.0、H=200 m、μ=0.05條件下,不同曳綱剛度系數(shù)Kw對漁具系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡的影響如圖4所示,可以看出:當(dāng)Kw較小時(shí),Kw的變化對漁具系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡有較大影響,這是由于Kw較小時(shí)曳綱可被明顯拉長;當(dāng)Kw大于30 000 N/m時(shí),Kw的變化對漁具運(yùn)動(dòng)軌跡無明顯影響,因此在實(shí)際中,漁船的曳綱剛度系數(shù)通常較大。

圖4 漁具系統(tǒng)在不同曳綱剛度系數(shù)下的運(yùn)動(dòng)軌跡

2.2 曳綱長度

在mt=300 kg、v=2 m/s、Kw=50 000 N/m、R=600 m、Cd=100.0、H=200 m、μ=0.05條件下,不同曳綱長度對漁具系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡的影響如圖5所示,可以看出:曳綱長度對拖網(wǎng)的運(yùn)動(dòng)軌跡有顯著影響,曳綱長度為750 m時(shí),漁具系統(tǒng)最靠近水下生產(chǎn)設(shè)施。

2.3 漁具系統(tǒng)質(zhì)量

在v=2 m/s、Kw=50 000 N/m、R=600 m、Lw= 500 m、Cd=100.0、H=200 m、μ=0.05條件下,不同漁具系統(tǒng)質(zhì)量mt對漁具系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡的影響如圖6所示,可以看出:漁具系統(tǒng)質(zhì)量對其運(yùn)動(dòng)軌跡的影響有限,在漁具系統(tǒng)質(zhì)量為100～5 000 kg范圍內(nèi)其運(yùn)動(dòng)軌跡差別不大。

圖5 漁具系統(tǒng)在不同曳綱長度下的運(yùn)動(dòng)軌跡

圖6 漁具系統(tǒng)在不同質(zhì)量mt時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡

2.4 漁船運(yùn)動(dòng)速度

在mt=300 kg、Kw=50 000 N/m、R=600 m、Lw= 500 m、Cd=100.0、H=200 m、μ=0.05條件下,不同漁船運(yùn)動(dòng)速度v對漁具系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡的影響如圖7所示,可以看出:航速對漁具系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡的影響不明顯,考慮到實(shí)際漁船在捕撈作業(yè)中的航速一般介于2～5節(jié)(1.5～3.0 m/s),因此漁船航速對漁具運(yùn)動(dòng)軌跡的影響可以忽略不計(jì)。

圖7 漁具系統(tǒng)在不同漁船航速v時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡

2.5 漁船航行半徑

在v=2 m/s、Kw=50 000 N/m、Lw=400 m、mt= 300 kg、Cd=100.0、μ=0.05、H=200 m條件下,不同漁船航行半徑R對漁具系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡的影響如圖8所示,可以看出:當(dāng)漁船航行半徑R=270 m時(shí),漁具系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡經(jīng)過水下生產(chǎn)設(shè)施,當(dāng)航行半徑逐漸增大時(shí),漁具系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡逐漸偏離水下生產(chǎn)設(shè)施,可避免漁具系統(tǒng)與水下生產(chǎn)設(shè)施發(fā)生碰撞。可見,漁船航行半徑對漁具系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡的影響很大。

圖8 漁具系統(tǒng)在不同漁船航行半徑R時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡

2.6 海底摩擦系數(shù)

在v=2 m/s、Kw=50 000 N/m、R=600 m、mt= 300 kg、Lw=500 m、Cd=100.0、H=200 m條件下,不同海底摩擦系數(shù)μ對漁船漁具系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡的影響如圖9所示,可以看出:在其他參數(shù)相同條件下,不同的海底摩擦系數(shù)會(huì)對漁具系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生一定的影響,但影響程度有限。

圖9 漁具系統(tǒng)在不同海底摩擦系數(shù)μ時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡

通過以上影響因素分析可以看出,在目前所考慮的影響因素內(nèi),漁船航行半徑和曳綱長度對漁具系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡具有較為明顯的影響;海底摩擦系數(shù)也對漁具系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡具有一定的影響;而漁具系統(tǒng)的質(zhì)量和漁船航速對漁具系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡影響較小。

3 東海海域漁船安全作業(yè)半徑的確定

東海海域水下設(shè)施的水深為75～110 m。根據(jù)該海域的漁業(yè)作業(yè)方式,采用以下參數(shù)條件開展數(shù)值分析:桁桿拖網(wǎng)漁具系統(tǒng)質(zhì)量為1 900 kg左右和單拖網(wǎng)漁具系統(tǒng)質(zhì)量為400 kg左右,曳綱長度按每米水深取4m曳綱長度進(jìn)行設(shè)置,當(dāng)?shù)貪O業(yè)的漁船航速為3～4節(jié)(即航速約為1.8 m/s)。

為確定東海海域漁船安全作業(yè)半徑,考慮到漁具系統(tǒng)質(zhì)量對其運(yùn)動(dòng)軌跡的影響可以忽略不計(jì),取水深H=100 m,單拖網(wǎng)漁具系統(tǒng)mt=400 kg,曳綱長度取Lw=400 m,參考我國東海漁具網(wǎng)線材料特性確定曳綱剛度系數(shù)Kw=87 500 N/m,海底摩擦系數(shù)μ=0.05,漁船航速v=1.8 m/s。假設(shè)水下設(shè)施位于漁船航行軌跡中心(即坐標(biāo)原點(diǎn)),覆蓋區(qū)域半徑設(shè)為20 m。

圖10 東海海域漁具系統(tǒng)在不同漁船航行半徑R時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡

分別計(jì)算了漁具系統(tǒng)在不同漁船航行半徑R時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖10所示,可以看出:當(dāng)漁船航行半徑R=250 m時(shí),漁具系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡接近水下設(shè)施;當(dāng)漁船航行半徑在280～300 m范圍時(shí),漁具系統(tǒng)將可能與水下設(shè)施發(fā)生碰撞;繼續(xù)增大漁船航行半徑(如R=350 m)時(shí),漁具系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡將偏離水下設(shè)施。因此,為避免漁具系統(tǒng)與水下設(shè)施結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞,建議漁船航行的安全半徑應(yīng)不小于350 m。

4 結(jié)論

1)建立了漁船-拖網(wǎng)運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)值模型,應(yīng)用四階龍格-庫塔法求解漁具系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程,獲得了漁具系統(tǒng)在漁船拖曳下的運(yùn)動(dòng)軌跡,并與文獻(xiàn)[4]的數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了對比,驗(yàn)證了本文的數(shù)值模型和計(jì)算方法的正確性。分析了漁具系統(tǒng)的質(zhì)量、曳綱長度及剛度系數(shù)、漁船航速、海底摩擦系數(shù)、水深及漁船航行半徑等參數(shù)對漁具系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡的影響,結(jié)果表明曳綱長度及漁船航行半徑對漁具系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡影響最為明顯,應(yīng)重點(diǎn)考慮。

2)針對我國東海海域?qū)嶋H水深及漁業(yè)情況,在確定曳綱長度、曳綱剛度系數(shù)、漁具質(zhì)量等參數(shù)條件下,研究了該海域漁具系統(tǒng)在不同漁船航行半徑下的運(yùn)動(dòng)軌跡,為避免漁具系統(tǒng)與水下生產(chǎn)設(shè)施發(fā)生碰撞,建議該海域以水下生產(chǎn)設(shè)施為中心的漁船航行的安全半徑不得小于350 m。

[1] 李長春,連璉.水下生產(chǎn)系統(tǒng)在海洋石油開發(fā)中的應(yīng)用[J].海洋工程,1995,13(4):25-30.

[2] DET NORSKE VERITAS.DNV-RP-F111 Interference between trawl gear and pipelines[S].2006.

[3] DET NORSKE VERITAS.DNV-RP-F107 Risk assessment of pipeline protection[S].2010.

[4] OLAV FYRILEIV,JФRN SPITEN.Trawl gear protection within platform safety zones[C].OMAE 51406,2004.

A safe operation zone of trawl gear to subsea production system

Yu Chunjie1Jia Xu1Zhu Weiliang1Chen Xinjia2LüLin3
(1.CNOOC Research Institute,Beijing,100028; 2.Liaoning Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute,Shenyang,110006;3.Dalian University of Technology,Liaoning,116024)

The subsea production system is located

underwater.Fishing gear system may collide with subsea production system.The fishing vessel will destroy the valve protection frame and result in pipe damage.Therefore,a numerical model of fishing gear trajectory with control parameters of vessel speed,cable length,type of nets,etc has been established by using theoretical and numerical methods for East China Sea.Compared with the results in some literatures,the numerical model and calculation method are confirmed.According to the water depth and fishery situation in East China Sea,it is determined the radius of fishing vessels safe operation zone at the center of subsea production system should not less than 350 m.

subsea production system;fishing gear system;collide;trajectory;safe operation zone;numerical analysis;East China Sea

2014-02-10改回日期:2014-06-18

(編輯:葉秋敏)

于春潔,女,碩士,高級工程師,現(xiàn)主要從事海上平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及海上油氣田設(shè)計(jì)項(xiàng)目管理工作。地址:北京市朝陽區(qū)太陽宮南街6號院2號樓1107室(郵編:100028)。電話:010-84523544。E-mail:yuchj@cnooc.com.cn。