吳洪輝 馬廷雷 魏忠華

中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司 100176

近海油田救生用灘涂車方案可行性論證

吳洪輝 馬廷雷 魏忠華

中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司 100176

針對(duì)近海油田救生特點(diǎn)，依據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)與水動(dòng)力學(xué)對(duì)灘涂車設(shè)計(jì)方案進(jìn)行機(jī)動(dòng)性能分析，并以救生時(shí)間為基準(zhǔn)進(jìn)行可行性分析，分析結(jié)果表明常駐平臺(tái)的灘涂車用于救生具有一定優(yōu)勢(shì)。

灘涂車；救生；車輛動(dòng)力學(xué)；水動(dòng)力學(xué)

引言

海洋石油作業(yè)是世界公認(rèn)的高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)，海上作業(yè)人員時(shí)刻面臨著火災(zāi)爆炸、井噴失控、設(shè)施損毀等各種風(fēng)險(xiǎn)的威脅。建立裝備完善的海上應(yīng)急救援系統(tǒng)是事故發(fā)生后進(jìn)行救援的有效手段，只有不斷提高應(yīng)急救援系統(tǒng)的應(yīng)急能力，才能有效地減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，防止事故的擴(kuò)大。

但是，在灘海、淺海、近海沼澤地區(qū)進(jìn)行應(yīng)急救援工作還是一個(gè)難題。主要是因?yàn)檫@一地區(qū)受潮汐影響特別大，低潮時(shí)水特別淺，甚至露出海灘或沼澤，一般車輛無法進(jìn)入；水深時(shí)雖然船舶可以進(jìn)入，但受潮時(shí)的限制，沒有足夠的時(shí)間進(jìn)行救援。受潮汐影響，在灘海區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有水上救生裝置不能實(shí)現(xiàn)在任意時(shí)間內(nèi)進(jìn)行救援，必須能夠滿足水陸兩棲的需要。但是，雖然目前水陸兩棲裝備有了比較先進(jìn)的技術(shù)，可是仍然不能滿足在火災(zāi)、煙霧等條件下實(shí)施救助工作。發(fā)生油氣火災(zāi)爆炸時(shí)，因?yàn)橛写罅康臒熿F，視線受到很大影響，直升機(jī)一般難以靠近，發(fā)生在北海的阿爾法平臺(tái)爆炸案就是一個(gè)例子。

可在硬路面、灘涂路面、水上連續(xù)行駛的救生車輛將是一種有效的解決方案，本文針對(duì)一款兩棲灘涂車輛進(jìn)行機(jī)動(dòng)性和救生的可行性論證。

初步方案為：車輛滿載全重為6 t，長×寬×高為5.0m×2.7m×2.2m，動(dòng)力艙前置，乘員艙地板較低，整車高度、重心都較低。艙體后部開有艙門，艙體兩側(cè)和前側(cè)距地板1.2m高處開有觀察窗。底盤尾部中央開有導(dǎo)流槽供螺旋槳導(dǎo)流。艙體采用合金鋼，外部可披掛耐高溫陶瓷，觀察窗采用耐高溫防彈玻璃。整車采用耐高溫材料密封。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1 陸上機(jī)動(dòng)性能

1.1 陸上虛擬試驗(yàn)

基于多體動(dòng)力學(xué)軟件Recu rDyn，對(duì)初步方案車型進(jìn)行虛擬試驗(yàn)[1,2]，得到車輛動(dòng)力因數(shù)、附著系數(shù)和阻力系數(shù)。虛擬試驗(yàn)中路面參數(shù)采用海調(diào)資料中獲取的灘涂土質(zhì)參數(shù)。

首先聯(lián)合Matlab進(jìn)行動(dòng)力因數(shù)分析，如圖2所示。

采用被牽引法測(cè)附著系數(shù)。

在灘涂路面上進(jìn)行“被牽引試驗(yàn)”，實(shí)車試驗(yàn)的過程[3]是，由一牽引車通過自動(dòng)記錄力表牽引被試車輛，牽引車以低速等速行駛，行駛至試驗(yàn)地域，將被試車輛完全制動(dòng)，當(dāng)車輛開始滑移瞬間，記下力表讀數(shù)就是車輛的附著力，則附著系數(shù)為：

式中：P為附著力（滑移瞬間力表讀數(shù)），N；G為車重，N。

利用Recu rDyn進(jìn)行虛擬試驗(yàn)。首先需要基于貝克模型建立虛擬試驗(yàn)場(chǎng)的灘涂地面，其中的土壤參數(shù)源于前期實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而后利用前期構(gòu)建的虛擬樣機(jī)在該路面進(jìn)行“被牽引試驗(yàn)”，試驗(yàn)過程中利用加載于車輛首部單向作用力代替牽引車。

采用逆向法求直駛阻力系數(shù)。

實(shí)車試驗(yàn)的過程[3]是，讓被試車輛在試驗(yàn)地域低速穩(wěn)定行駛，利用扭矩儀測(cè)得主動(dòng)輪上的扭矩，除以主動(dòng)輪半徑就得到地面行駛阻力。

圖1 方案布置圖

圖2 RecurDyn&Matlab聯(lián)合仿真

式中：M為兩個(gè)主動(dòng)輪上的扭矩之和；r為主動(dòng)輪半徑。

則車輛的直駛阻力系數(shù)為：

式中：R為地面行駛阻力。

利用Recu rDyn進(jìn)行虛擬試驗(yàn)。直接利用虛擬樣機(jī)在虛擬灘涂地面上行駛即可，對(duì)主動(dòng)輪賦予轉(zhuǎn)速，反向求取扭矩即可。

2.2 快速性分析

無坡度的情況：

圖3 無坡度快速性

當(dāng)下陷量小于100mm時(shí)，車輛最高車速可達(dá)30km/h，當(dāng)下陷量大于100mm時(shí)，車輛只能在1、2、3檔下以小于25km/h的速度行駛。

有坡度的情況：

機(jī)電一體化技術(shù)在柴油機(jī)控制的應(yīng)用過程中，必須要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)排放和油耗之間的關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和升級(jí)。目前，柴油機(jī)中所應(yīng)用的電子節(jié)省能源液壓泵體系，不僅能減少能源的消耗、控制冷風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，還可以使得柴油機(jī)的冷風(fēng)扇隨著溫度的改變而對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)速度進(jìn)行自行調(diào)節(jié)，并使得柴油機(jī)有門隨著過載負(fù)荷的變化而進(jìn)行變化。在很大程度上提升了柴油機(jī)的工作性能、工作效率等，滿足了多種施工的需要。同時(shí)，這一技術(shù)的應(yīng)用，還降低了能源消耗，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)在應(yīng)用中的節(jié)能減排需求。

圖4 坡上快速性

圖中極軟路面表示下陷量最大的灘涂。附著系數(shù)最大僅能達(dá)到0.36，因此有結(jié)論：對(duì)于軟硬路面，車輛爬坡度在11度以上。

2 水上機(jī)動(dòng)性能

由于車體形狀復(fù)雜，很難用船舶水動(dòng)力學(xué)的估算公式直接計(jì)算水上行駛阻力。因此采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件F luen t計(jì)算水上行駛阻力[4]，而后利用船舶主機(jī)功率計(jì)算公式反推指定航速下所需主機(jī)功率。

對(duì)方案車型進(jìn)行虛擬試驗(yàn)，得到水上航行阻力后，考慮推進(jìn)器效率、車型效率、傳動(dòng)效率，利用公式（4）計(jì)算所需主機(jī)功率[5]。

式中：N0為主機(jī)功率；Nu為指定航速下，克服阻力的有用功率；η0為敞水效率，取0.4（浸水淺，效率低）；ηH為車身效率，取0.85；ηr為相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率，取1.0；η0m為機(jī)械傳動(dòng)效率，取0.85。

計(jì)算可得主機(jī)功率曲線如圖5所示。其中“深靜水”表示海面平靜，且水深5m以上的情況，“淺海浪”表示有輕微海浪且水深5m以下的情況。

圖5 主機(jī)功率曲線

由于方案中設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率125kw，因此水上航速可保證高于11km/h。

3 救生可行性研究

3.1 救生過程

救生過程主要分為兩個(gè)步驟：1、從平臺(tái)進(jìn)入到灘涂車；2、從灘涂車到守護(hù)船或陸地。按照有傷員和無傷員兩種情況分析。

（2）從灘涂車到守護(hù)船：灘涂車需要通過灘涂駛向深水區(qū)，需要經(jīng)過泥地行駛、水中著地行駛、水上行駛?cè)N狀態(tài)，或是水中著地行駛、水上行駛兩種狀態(tài)。在風(fēng)浪小的情況下容易完成，在風(fēng)浪大的情況下灘涂車會(huì)出現(xiàn)頓底現(xiàn)象，嚴(yán)重影響到灘涂車的安全。當(dāng)靠到守護(hù)船上后可以比較容易的將人員轉(zhuǎn)移到守護(hù)船上，當(dāng)風(fēng)浪比較大時(shí)，可以將灘涂車靠在被風(fēng)的一側(cè)。因此當(dāng)風(fēng)浪較小時(shí)適合往守護(hù)船處行駛。

（3）從灘涂車到陸地：灘涂車需要通過灘涂駛向陸地，一般需要經(jīng)過泥地行駛、水中著地行駛兩種狀態(tài)。因?yàn)榛旧蠜]有水，所以沒有浪的影響，灘涂車行駛起來比較平穩(wěn)。無傷員情況，可以將人員轉(zhuǎn)移到安全地帶即可，可以不用上岸，這種情況相對(duì)比較容易，因?yàn)樽钴浀牡孛嬖诳拷哆吀浇?。如果有傷員，則必須將傷員運(yùn)送上岸，轉(zhuǎn)移到救護(hù)車上，這種情況就需要通過最軟的地面。

圖6 基本救生方式示意圖

3.2 救生時(shí)間

對(duì)于常駐采油平臺(tái)下的救生用灘涂車而言，比較救生時(shí)間可以分為兩種：一是從灘涂車啟動(dòng)到將人員撤離平臺(tái)駛?cè)氚踩珔^(qū)域的時(shí)間，二是從灘涂車啟動(dòng)到將人員救助到守護(hù)船或陸地上的時(shí)間。

圖7 最高車速隨坡度變化

圖8 最高車速隨下陷量變化

（1）從灘涂車啟動(dòng)到將人員撤離平臺(tái)駛?cè)氚踩珔^(qū)域的時(shí)間

可用下式估算：

式中：

T——總時(shí)間；

T11——灘涂車啟動(dòng)時(shí)間，約3分鐘；

T21——灘涂路面行駛時(shí)間，T2=L2/V2max，V2max可查最高車速隨坡度變化曲線圖7與最高車速隨下陷量變化曲線圖8獲得，設(shè)灘涂路面長1km，查圖估算行駛時(shí)間是3分鐘；

T31——水上行駛時(shí)間，T3=L3/V3max，由于海況變化較快V3max可取11km/h，設(shè)水上行駛距離為2km，則行駛時(shí)間是11分鐘；

T41——人員從平臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)到灘涂車上的時(shí)間，分有傷員和無傷員及傷員的受傷程度，有傷員時(shí)約5分鐘；

T51——灘涂車轉(zhuǎn)向駛離時(shí)間，約3分鐘。

由式（5）估算時(shí)間為25分鐘。這比直升機(jī)從遠(yuǎn)距離空中實(shí)施救援（按救出10人計(jì)算）要快得多，是一個(gè)比較理想的時(shí)間，但實(shí)際情況會(huì)更加復(fù)雜。

（2）從灘涂車啟動(dòng)到將人員救助到守護(hù)船的時(shí)間可用下式估算

式中：

T——總時(shí)間；

T12——灘涂車啟動(dòng)時(shí)間，約3分鐘；

T22——灘涂路面行駛時(shí)間，T2=L2/V2max，V2max可查最高車速隨坡度變化曲線圖7與最高車速隨下陷量變化曲線圖8獲得，設(shè)灘涂路面長2km，查圖估算行駛時(shí)間是6分鐘；

T32——水上行駛時(shí)間，T3=L3/V3max，由于海況變化較快V3max可取11km/h，水上距離會(huì)加長水上行駛距離為4km，則行駛時(shí)間是22分鐘；

T42——人員從平臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)到灘涂車上的時(shí)間，分有傷員和無傷員及傷員的受傷程度，有傷員時(shí)約5分鐘；

T52——灘涂車轉(zhuǎn)向駛離時(shí)間，約3分鐘；

T62——人員從灘涂車轉(zhuǎn)移到守護(hù)船上的時(shí)間，分有傷員和無傷員及傷員的受傷程度，有傷員時(shí)約5分鐘。

由式（6）估算救助到守護(hù)船上的時(shí)間是44分鐘。

（3）從灘涂車啟動(dòng)到將人員救助到陸地的時(shí)間

T——總時(shí)間；

T13——灘涂車啟動(dòng)時(shí)間，約3分鐘；

T23——灘涂路面行駛時(shí)間，T2=L2/V2max，V2max可查最高車速隨坡度變化曲線圖7與最高車速隨下陷量變化曲線圖8獲得，設(shè)灘涂路面長4km，查圖估算行駛時(shí)間是12分鐘；

T33——水上行駛時(shí)間，T3=L3/V3max，由于海況變化較快V3max可取11km/h，設(shè)水上行駛距離為2km，則行駛時(shí)間是11分鐘；

T43——人員從平臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)到灘涂車上的時(shí)間，分有傷員和無傷員及傷員的受傷程度，有傷員時(shí)約5分鐘；

T53——灘涂車轉(zhuǎn)向駛離時(shí)間，3分鐘；

T63——人員從灘涂車轉(zhuǎn)移到陸地上的時(shí)間，分有傷員和無傷員及傷員的受傷程度，有傷員時(shí)約5分鐘。

由式（6）估算救助到陸地的時(shí)間是39分鐘。

4 結(jié)論

從以上分析可以看出，使用常駐采油平臺(tái)的灘涂車進(jìn)行救援，可以在較短的時(shí)間內(nèi)從平臺(tái)上將人員撤離。一次撤離的人員數(shù)量較直升機(jī)多，速度快，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.112