以水下生产设施为中心的渔船安全作业范围

于春洁贾 旭朱伟亮陈新佳吕 林

(1.中海油研究总院; 2.辽宁省水利水电勘测设计院; 3.大连理工大学)

以水下生产设施为中心的渔船安全作业范围

于春洁1贾 旭1朱伟亮1陈新佳2吕 林3

(1.中海油研究总院; 2.辽宁省水利水电勘测设计院; 3.大连理工大学)

由于水下生产设施位于水下,如果附近有渔业活动,渔具系统可能会与水下生产设施发生碰撞,导致水下生产设施保护架被船拖坏并引起管道、脐带缆等损伤。主要针对东海海域采用理论和数值分析方法建立了在一定航速、缆索长度、网具类型等控制参数下的渔具系统运动轨迹的数值模型,并与相关文献的数值结果进行了对比,验证了本文数值模型和计算方法的正确性,最终根据我国东海海域实际水深及渔业情况,界定出该海域以水下生产设施为中心的渔船安全作业半径不得小于350 m。

水下生产设施;渔具系统;碰撞;运动轨迹;安全作业范围;数值分析;东海海域

从20世纪90年代起,水下生产设施在中国海域油气田开发中起着越来越重要的作用[1]。水下生产设施一般包括采油树、跨接管、管汇以及与管汇相连的海底管道和脐带缆,布置范围从100多m到几千米以上。由于水下生产设施位于水下,如果附近有渔业活动,渔具系统可能会与水下生产设施发生碰撞,如2013年崖城13-1气田水下生产设施发生水下阀组保护架被船拖坏并引起管道损伤事故。因此,应结合当地海域水深、海底摩擦系数、渔业渔船航速及曳纲长度等参数界定渔船安全作业区域,从而避免渔具系统与水下生产设施发生碰撞。目前国内还没有这方面的专门研究,国外由于水下生产设施发展得比较早,已有一些相应的研究,特别是早期针对海管的试验研究[2-3]。本文主要针对东海海域水下生产设施,采用理论和数值分析方法建立了在一定航速、缆索长度、网具类型等控制参数下渔具系统运动轨迹的数值模型,并与文献[4]中的数值结果进行了对比,验证了本文数值模型和计算方法的正确性,最终界定出该海域以水下生产设施为中心的渔船安全作业半径不得小于350 m。

1 渔具系统运动轨迹数值模型的建立与验证

1.1 数值模型的建立

根据现有调查资料,我国东海渔业活动主要采用4种捕捞方式:桁杆拖网、双拖网、单拖网和定置张网,由于定置张网属固定作业形式,对海底设施不会产生明显影响;而双拖网和单拖网形式比较相近,但近年来单拖网应用更为广泛,且桁杆拖网已成为我国沿海海区捕捞的重要作业方式,因此本次研究中将重点考虑桁杆拖网和单拖网在渔业作业过程中的运动轨迹。图1、2分别是单拖网和桁杆拖网作业方式示意图。

图1 单拖网作业示意图

图2 桁杆拖网作业示意图

在对渔具系统进行数值分析时,将渔具系统(包括网板、桁杆、沉子、浮子、渔网等)视为一整体,通过研究渔具系统在渔船作用下的运动轨迹来确定以水下生产设施为中心的渔船安全作业半径。具体流程是:首先建立渔船与渔具系统的三维运动方程;然后进行数值求解,并对数值模型的可靠性进行验证;进而开展影响参数分析,最后结合东海海域渔业渔船航行速度、曳纲长度及材料属性、渔具系统质量等参数得出以水下生产设施为中心的渔船安全作业半径。

针对渔船与渔具系统建立三维运动方程,基本假设条件包括:①将网板、浮子纲、沉子纲、网囊、网身、网袖等组成的渔具系统视为一整体,其质量为mt;②设曳纲为弹性材料,其刚度系数为Kw,曳纲长度为Lw;③规定渔船沿半径为R的圆周行驶180°,然后沿直线行驶距离1.5R,航行速度为v;④海底摩擦系数为μ;⑤渔具系统不离开海底面;⑥水下生产设施位于渔船半圆形轨迹的圆心位置。

根据牛顿第二运动定律,渔具系统的受力平衡方程为

式(1)～(3)中:Tx、Ty、Tz分别表示曳纲沿x、y、z等3个方向的弹性力,由胡克定律确定,Tx=(当L t＞L时,当曳纲为松弛状态时,弹性力为零,其中,xj与yj分别表示拖航船在t时刻的位置,xi与yi分别表示渔具系统在t时刻的位置,L为曳纲原始长度,Lt为t时刻曳纲的长度,Kw表示曳纲的刚度系数。另外, N表示海底面对渔具系统的支持力;ρ表示海水密度;ρgv表示网板、浮子纲、沉子纲、网囊、网身、网袖等组成的渔具系统所受到的浮力;f表示渔具系统在运动过程中受到的摩擦阻力;F为渔具系统在水中前进过程中受到的水体阻力,并有

式(4)中:Cd表示阻力系数;S表示拖网的湿面积。

在每一个计算的时间步,根据z方向受力平衡,求得海底面对渔具系统的支持力N;再利用摩擦力公式f=μN,求得渔具系统在水平和垂直方向受到的摩擦力。

渔具系统运动方程为

对以上的控制方程采用四阶龙格-库塔法进行求解,即可获得渔具系统的运动轨迹。

1.2 数值模型的验证

为验证上述模型的准确性,在渔具系统质量mt= 300 kg、渔船航速v=2 m/s、航行半径R=580 m、阻力系数Cd=100.0、海底摩擦系数μ=0.05的条件下,分别计算了曳纲长度Lw=280 m、水深H= 140 m和曳纲长度Lw=770 m、水深H=220 m时渔具系统的运动轨迹(图3),并与文献[4]中的数值结果进行了对比,其中阻力系数、海底摩擦系数及水深选取均是根据东海海域航线、船舶及渔业资料来确定的。

图3 渔具系统在不同曳纲长度和水深下的运动轨迹

从图3可以看出,本文数值结果与文献[4]中的数值结果吻合良好,验证了数值模型的准确性。对比图3a和图3b发现,当水深及曳纲长度发生变化时,渔具系统运动轨迹也会发生变化。当曳纲长度较小时,渔具系统的运动轨迹与渔船航行轨迹较为接近;当曳纲长度较大时,渔具系统运动轨迹偏离渔船航行轨迹较远,渔具系统与水下生产设施易发生碰撞。

2 渔具系统运动轨迹影响因素分析

2.1 曳纲刚度系数

在mt=300 kg、v=2 m/s、Lw=500 m、R=600 m、Cd=100.0、H=200 m、μ=0.05条件下,不同曳纲刚度系数Kw对渔具系统运动轨迹的影响如图4所示,可以看出:当Kw较小时,Kw的变化对渔具系统运动轨迹有较大影响,这是由于Kw较小时曳纲可被明显拉长;当Kw大于30 000 N/m时,Kw的变化对渔具运动轨迹无明显影响,因此在实际中,渔船的曳纲刚度系数通常较大。

图4 渔具系统在不同曳纲刚度系数下的运动轨迹

2.2 曳纲长度

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条件下,不同曳纲长度对渔具系统运动轨迹的影响如图5所示,可以看出:曳纲长度对拖网的运动轨迹有显著影响,曳纲长度为750 m时,渔具系统最靠近水下生产设施。

2.3 渔具系统质量

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条件下,不同渔具系统质量mt对渔具系统运动轨迹的影响如图6所示,可以看出:渔具系统质量对其运动轨迹的影响有限,在渔具系统质量为100～5 000 kg范围内其运动轨迹差别不大。

图5 渔具系统在不同曳纲长度下的运动轨迹

图6 渔具系统在不同质量mt时的运动轨迹

2.4 渔船运动速度

在mt=300 kg、Kw=50 000 N/m、R=600 m、Lw= 500 m、Cd=100.0、H=200 m、μ=0.05条件下,不同渔船运动速度v对渔具系统运动轨迹的影响如图7所示,可以看出:航速对渔具系统运动轨迹的影响不明显,考虑到实际渔船在捕捞作业中的航速一般介于2～5节(1.5～3.0 m/s),因此渔船航速对渔具运动轨迹的影响可以忽略不计。

图7 渔具系统在不同渔船航速v时的运动轨迹

2.5 渔船航行半径

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条件下,不同渔船航行半径R对渔具系统运动轨迹的影响如图8所示,可以看出:当渔船航行半径R=270 m时,渔具系统运动轨迹经过水下生产设施,当航行半径逐渐增大时,渔具系统运动轨迹逐渐偏离水下生产设施,可避免渔具系统与水下生产设施发生碰撞。可见,渔船航行半径对渔具系统运动轨迹的影响很大。

图8 渔具系统在不同渔船航行半径R时的运动轨迹

2.6 海底摩擦系数

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条件下,不同海底摩擦系数μ对渔船渔具系统运动轨迹的影响如图9所示,可以看出:在其他参数相同条件下,不同的海底摩擦系数会对渔具系统的运动轨迹产生一定的影响,但影响程度有限。

图9 渔具系统在不同海底摩擦系数μ时的运动轨迹

通过以上影响因素分析可以看出,在目前所考虑的影响因素内,渔船航行半径和曳纲长度对渔具系统的运动轨迹具有较为明显的影响;海底摩擦系数也对渔具系统的运动轨迹具有一定的影响;而渔具系统的质量和渔船航速对渔具系统的运动轨迹影响较小。

3 东海海域渔船安全作业半径的确定

东海海域水下设施的水深为75～110 m。根据该海域的渔业作业方式,采用以下参数条件开展数值分析:桁杆拖网渔具系统质量为1 900 kg左右和单拖网渔具系统质量为400 kg左右,曳纲长度按每米水深取4m曳纲长度进行设置,当地渔业的渔船航速为3～4节(即航速约为1.8 m/s)。

为确定东海海域渔船安全作业半径,考虑到渔具系统质量对其运动轨迹的影响可以忽略不计,取水深H=100 m,单拖网渔具系统mt=400 kg,曳纲长度取Lw=400 m,参考我国东海渔具网线材料特性确定曳纲刚度系数Kw=87 500 N/m,海底摩擦系数μ=0.05,渔船航速v=1.8 m/s。假设水下设施位于渔船航行轨迹中心(即坐标原点),覆盖区域半径设为20 m。

图10 东海海域渔具系统在不同渔船航行半径R时的运动轨迹

分别计算了渔具系统在不同渔船航行半径R时的运动轨迹如图10所示,可以看出:当渔船航行半径R=250 m时,渔具系统运动轨迹接近水下设施;当渔船航行半径在280～300 m范围时,渔具系统将可能与水下设施发生碰撞;继续增大渔船航行半径(如R=350 m)时,渔具系统的运动轨迹将偏离水下设施。因此,为避免渔具系统与水下设施结构发生碰撞,建议渔船航行的安全半径应不小于350 m。

4 结论

1)建立了渔船-拖网运动轨迹的数值模型,应用四阶龙格-库塔法求解渔具系统的运动方程,获得了渔具系统在渔船拖曳下的运动轨迹,并与文献[4]的数值结果进行了对比,验证了本文的数值模型和计算方法的正确性。分析了渔具系统的质量、曳纲长度及刚度系数、渔船航速、海底摩擦系数、水深及渔船航行半径等参数对渔具系统运动轨迹的影响,结果表明曳纲长度及渔船航行半径对渔具系统的运动轨迹影响最为明显,应重点考虑。

2)针对我国东海海域实际水深及渔业情况,在确定曳纲长度、曳纲刚度系数、渔具质量等参数条件下,研究了该海域渔具系统在不同渔船航行半径下的运动轨迹,为避免渔具系统与水下生产设施发生碰撞,建议该海域以水下生产设施为中心的渔船航行的安全半径不得小于350 m。

[1] 李长春,连琏.水下生产系统在海洋石油开发中的应用[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

(编辑:叶秋敏)

于春洁,女,硕士,高级工程师,现主要从事海上平台结构设计及海上油气田设计项目管理工作。地址:北京市朝阳区太阳宫南街6号院2号楼1107室(邮编:100028)。电话:010-84523544。E-mail:yuchj@cnooc.com.cn。