趙倉龍， 馮愛國

(1.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院， 上海 201306； 2.南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航海系， 江蘇 南通 226010)

深圳銅鼓航道失控船舶對海底管道風(fēng)險分析

趙倉龍1，2， 馮愛國2

(1.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院， 上海 201306； 2.南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航海系， 江蘇 南通 226010)

我國西氣東輸二線管道工程中的管線工程穿越深圳銅鼓航道，該航道交通流密度大，航道中的船舶一旦在管線附近失控，將對海底管線構(gòu)成較大的威脅。對此，通過構(gòu)建船舶失控漂移計算模型，就銅鼓航道中對海底管線構(gòu)成威脅的危險失控區(qū)域進行計算分析，得出海底管線附近水域危險失控區(qū)域范圍。分析結(jié)果可為銅鼓航道中的失控船舶采取有效措施免除對海底管道造成影響提供科學(xué)依據(jù)和參考。

水路運輸；海底管道；失控；失控漂移模型

Abstract: The West-East pipeline project Ⅱ, one of the national energy strategic project, is laying the pipeline through the Tonggu waterway at west of Shenzhen. Tonggu waterway is the traffic hub for large ships to visit the Shenzhen western port and have a traffic flow of high density. Once a ship near the pipeline is out of control, the safety of the submarine pipeline will be under risk. A drift model for the ships out of control is set up and the area where those ships may endanger the seabed pipeline is calculated. This study can assist the ships out of control to decide whether to take tugs to assist braking or other appropriate measures from angle of pipeline safety.

Keywords: waterway transportation; submarine pipeline; out of control; drift model for ship out of control

西氣東輸二線管道工程是我國能源戰(zhàn)略的重點工程，由新疆的霍爾果斯向東延伸至上海，向南延伸至廣州。西氣東輸二線海底管道工程作為西氣東輸二線管道工程中的重要組成部分，是我國目前海底管道口徑最大的管道工程，設(shè)計年輸氣量60億m3，可促成多氣源安全供應(yīng)格局，充分保障我國地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展對天然氣的需求。

西氣東輸二線海底管道始于深圳市大鏟島西北側(cè)水域，穿越大鏟水道、礬石淺灘及銅鼓航道，延伸至香港龍鼓灘輸氣站。銅鼓航道作為深圳西部水域航行環(huán)境最復(fù)雜的航道，是大型船舶進出深圳西部港區(qū)的必經(jīng)航道(見圖1)。該航道中的船舶一旦在管線附近失控，將對海底管線構(gòu)成較大的威脅。因此，通過對船舶失控漂移建立計算模型，就銅鼓航道中船舶失控對海底管線造成的危險進行風(fēng)險分析，得出海底管線附近水域危險失控區(qū)域范圍，對銅鼓航道中的失控船舶采取措施避免對海底管道造成影響提供科學(xué)依據(jù)和參考。

1 船舶失控漂移運動模型

圖1 西氣東輸二線海底管道路由

圖2 船舶失控漂移動態(tài)示意

1.1沖程和沖時的計算[3-7]

1) 失控時的船速(υ0)是指船舶在失控開始時的船速,其計算式為

(1)

式(1)中：V為船舶失控開始時的航速,m/s；U為船舶失控開始時的流速,m/s；α為船舶失控時艏向與航道主軸向的夾角,(°)；β為舶舶失控時水流流向與航道主軸向的夾角,(°)。

2) 沖時(T)是指失控船舶自失控點開始直至慣性消失所用的時間,其計算式為

T=-Tstlnv/v0

(2)

式(2)中：υ為失控船舶在沖程時間內(nèi)任意時刻的航速,m/s；υ0為船舶失控開始時的航速,m/s；Tst為失控船舶的減速時間常數(shù)，Tst=c/ln 2，c可根據(jù)船舶排水量查表1獲得。

表1 船速減半時間常數(shù)c

3) 靜水沖程(S′)是指失控船舶在沖時T沿運動方向繼續(xù)移動的距離,其計算式為

(3)

4) 動水沖程(S)是指失控船舶在沖時T內(nèi)隨流漂航的距離，在計算動力沖程時應(yīng)予以考慮,其計算式為

S=υ0Tst(1-e-T/Tst)+UTcos(β-α)

(4)

5) 沖距(Sc)是指動水沖程在y軸上的投影,其計算式為

Sc=υ0Tst(1-e-T/Tst)cosα+UTcosβ

(5)

6) 漂距(SP)是指失控船舶在慣性力完全消失后在流的作用下繼續(xù)沿航道方向漂移的距離,其計算式為

Sp=Utpcosβ=(Dsk-Sc)

(6)

tp=Sp/Ucosβ=(Dsk-Sc)/Ucosβ

(7)

式(6)和式(7)中：tp為失控船舶流淌漂移時間,s;Dsk為失控點與海底管線之間沿y軸方向的距離,m。

1.2漂移量的計算[8-13]

1.2.1流致漂移量的計算

(1) 沖期內(nèi)流致漂移量(B1)是指失控船舶在整個沖時T內(nèi)在流的作用下沿x軸向南偏移的距離,其計算式為

B1=υ0Tst(1-e-T/Tst)sinα+UTsinβ

(8)

(2) 流淌漂移量(B2)是指失控船舶在慣性消失后繼續(xù)受流的作用到達海底管線工程水域時在x軸方向上移動的距離,其計算式為

B2=Utpsinβ=Sptanβ

(9)

(3) 沖期到達海底管線工程點前流致漂移量(B3)是指失控船舶在沖距大于失控點至海底管線工程點的距離時(即Sc>Dsk)在流的作用下自失控點到達海底管線工程水域過程中(工程點前沖距為Dsk)在x軸方向上移動的距離,其計算式為

B3=υ0Tst(1-e-t/Tst)sinα+Utsinβ

(10)

式(10)中:t為失控船舶自失控點受流的作用到達海底管線水域處所需的時間，其計算式為

Dsk=υ0Tst(1-e-t/Tst)cosα+Utcosβ

(11)

1.2.2風(fēng)致漂移量的計算

(12)

表2 淺水水域橫風(fēng)漂移速度的修正系數(shù)K′

(13)

(14)

式(14)中：υa3為沖期海底管線工程點前的風(fēng)中船速(取失控船舶在風(fēng)的作用下的平均航速),kn；Va3為沖期相對風(fēng)速,m/s；t為失控船舶從失控點到達海底管線工程點所需的時間。

1.3總漂移量計算

總漂移量(B)是指失控船舶在偏航、風(fēng)和流等主要影響因素的共同作用下從失控點漂移到海底管道工程點沿x軸方向漂移的總距離。其大小是衡量失控船舶失控后是否會給海底管道工程帶來危險的重要依據(jù)之一。

1) 當(dāng)Dsk>Sc時，失控船舶的慣性在船舶到達海底管線工程點之前就已消失，失控船舶將在流的作用下淌航一段距離后到達海底管線工程點。該情況下失控船舶的總漂移量和所需時間分別為

2) 當(dāng)Dsk

(17)

2 失控船舶運動狀態(tài)研究的基本條件

2.1航行條件分析

銅鼓航道是深圳西部港區(qū)的第2條深水航道，目前的建設(shè)規(guī)?？蓾M足8 000 TEU集裝箱船全天候單向通航。銅鼓航道工程航道人工開挖段長23.7 km，有效寬度210 m，通航水深15.8 m，設(shè)計底標(biāo)高-15.8 m?；诖耍Ｐ陀嬎阒羞x取8 000 TEU集裝箱船作為代表船型。船型尺度為：船長347 m，船寬43 m，滿載吃水14.5 m。

赤灣站的常風(fēng)向為東，頻率為23.38%；次常風(fēng)向為東南，頻率為14.23%。強風(fēng)向為東南，最大風(fēng)速為30 m/s；風(fēng)力>7級的風(fēng)年出現(xiàn)頻率為0.54%。赤臘角站的常風(fēng)向為東，年出現(xiàn)頻率為41.37%;次常風(fēng)向為北，年出現(xiàn)頻率為12.66%;強風(fēng)向為東;風(fēng)力>7級的風(fēng)年出現(xiàn)頻率為1.03%。

受巴士海峽傳入的太平洋潮波的控制，珠江口的潮流屬于不規(guī)則的半日潮混合潮流，其漲落潮歷時不等現(xiàn)象較明顯，漲潮歷時從外海向內(nèi)遞減。選擇銅鼓航道斷面東部、中部和西部3個點位進行洪季漲落潮的測量，具體數(shù)據(jù)見表3和表4。

2.2研究工況分析

利用船舶失控漂移運動模型計算出不同沖距下的時間、航速、漂移量等船舶失控后的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)確定船舶失控后可能給管道帶來危險的區(qū)域。船舶漂移坐標(biāo)系示意見圖3。

表3 銅鼓航道洪季大潮漲落急條件下的流速

表4 銅鼓航道洪季小潮漲落急條件下的流速

圖3 船舶漂移坐標(biāo)系示意

根據(jù)氣象水文資料及研究工況,若常風(fēng)向取分析工況方向(Vc為水流速度，Vw為風(fēng)速，Vs為航速)，則對海底管道威脅最大的工況即為圖示的工況。船舶在O點失控后，水流、風(fēng)和偏航共同把船舶推向管線附近。

由于銅鼓航道水流方向基本上與航道中心線的走向一致，因此若假設(shè)船舶失控前在中心線附近航行，失控后受風(fēng)、流的影響漂移到距離航道邊界約100 m處，則在船舶漂航到管線前，偏移量達100 m時恰巧到達海底管線水域，船舶失控點所在的水域是對管線有危險的區(qū)域。若偏移量很小，則船舶可漂過管線；若偏移量太大，則在漂移到管線前已擱淺，對管線沒有威脅。這里選取漂移量分別達到50 m,100 m和150 m等3種情況來分析銅鼓航道典型船舶(8 000 EU集裝箱船,船型尺度為：船長346 m，型寬45.6 m，型深24.8 m，滿載吃水14.5 m)在不同工況下的時間和沖程。

依據(jù)銅鼓航道東線段的水流和風(fēng)的基本概況，航道軸線與水流的最大夾角為30°，航道軸線與風(fēng)的最大夾角為74°。因此，選取分析工況：

1) 流速0.4 m/s和1.4 m/s。

2) 風(fēng)速取無風(fēng)、4級和8級。

3) 航速12 kn，取銅鼓航道集裝箱船失控前正常進出港航速。

3 銅鼓航道失控船對海底管道危險性分析

3.1危險失控區(qū)域計算

根據(jù)模型計算方法,確定該集裝箱船在不同環(huán)境條件下的危險失控區(qū)域(失控點坐標(biāo)為(x,y)，x指漂移量或失控點與航道邊界間的距離，y指失控點與海底管線間的距離)。有關(guān)危險失控區(qū)域分析數(shù)據(jù)見表5,其中“無風(fēng)”表示風(fēng)速<2級，或風(fēng)對船舶的“沖程”和“漂移量”的作用很小。

根據(jù)船舶失控漂移運動模型，船舶一旦在銅鼓航道中失控,在風(fēng)、流的作用下漂移到航道邊界,將會擱淺。若正好在海底管線上方擱淺,則會對海底管線構(gòu)成較大的威脅。通過上述計算，得出船舶在海底管線兩側(cè)水域內(nèi)失控時對海底管線構(gòu)成影響的危險失控點(見表5)。

3.2危險性分析

船舶一旦在銅鼓航道失控漂移至管線附近，橫向偏移量將會向航道兩側(cè)偏移約105 m。若船舶在到達管線前方水域時就已航行到銅鼓航道邊界,則會擱淺，對管線已無影響。通過計算分析上述失控漂移模型及總結(jié)表5中的數(shù)據(jù)可知,船舶失控后能漂移到管線附近的危險區(qū)域有以下特點：

1) 在海況較好、無風(fēng)順流的情況下，當(dāng)流速為0.4 m/s時，船舶在3 000～4 000 m內(nèi)能漂航到管線附近;當(dāng)流速為1.4 m/s時，船舶在7 000～9 000 m內(nèi)能漂航到管線附近。在其他距離情況下,若失控前在航道中心線附近航行，且偏航角<3°，則不拋錨可漂航過管線，不會擱淺；逆流時超過3 000 m則開始倒退。

2) 在風(fēng)速達到4級左右，流速為0.4 m/s時，船舶在2 000～8 000 m內(nèi)能漂航到管線附近;當(dāng)流速為1.4 m/s時，船舶在2 000～4 000 m內(nèi)能漂航到管線附近。在其他距離情況下,若失控前在航道中心線附近航行，且偏航角<3°，則不拋錨可漂航過管線，不會擱淺；逆流時超過5 600 m則開始倒退。

表5 10萬噸級集裝箱船危險失控區(qū)域分析

3) 在風(fēng)速達到8級左右，流速為0.4 m/s或1.4 m/s時，船舶在1 000～3000 m內(nèi)能漂航到管線附近。在其他距離情況下,若失控前航行至航道中心線附近，且偏航角<3°，則不拋錨可漂航過管線，不會擱淺；逆流時超過4 200 m則開始倒退。

綜合考慮，船舶在管線兩端5 000 m范圍內(nèi)失控都有漂移到管線附近上方擱淺的危險。當(dāng)失控距離>5 000 m時，建議采用拖船施救。

4 結(jié)束語

經(jīng)船舶失控漂移運動模型綜合計算分析，得到8 000 TEU集裝箱船在銅鼓航道中心線航行過程中失控后的漂移數(shù)據(jù)。對這些數(shù)據(jù)進行分析可知：若失控船舶在管線兩端>5 000 m范圍內(nèi)失控，則由于失控距離較遠(yuǎn)，留給救援部門的時間較長，建議采用拖船對失控船舶進行施救(制動)，進而避免失控船舶向海地管線方向漂移；若失控船舶在管線兩端5 000 m范圍內(nèi)失控,則漂移到管線附近上方擱淺的概率較大,建議業(yè)主與相關(guān)部門配合在管線兩側(cè)各2 n mile處設(shè)置警示標(biāo)志。

由于銅鼓航道有效航寬較小，因此應(yīng)對大型船舶實行單向通航的管理措施，在進入警示水域前調(diào)整好航向，采用適當(dāng)?shù)娘L(fēng)、流壓角(一般為3°～5°);同時,采用一定掛高量的方法，掛高量在航道中心線受風(fēng)、流側(cè)30～50 m。若在海底管線構(gòu)成影響的危險失控點水域發(fā)生船舶失控情況,則及時啟動船舶失控應(yīng)急預(yù)案，與海事交管部門聯(lián)系采取進一步的制動措施(如拋錨制動、拖船協(xié)助制動等)。后續(xù)將對船舶拋錨制動進行研究，分析船舶失控后采取拋單錨、雙錨措施所對應(yīng)的船舶失控沖程,進而為失控船舶駕引人員操縱船舶提供科學(xué)依據(jù)和參考。

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RiskAnalysisforSubmarinePipelineinCaseofShipOut-Of-ControlinShenzhenTongguWaterway

ZHAOCanglong1，2，F(xiàn)ENGAiguo2

(1. Merchant Marine College， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China； 2. Department of Navigation， Nantong Shipping College， Nantong 226010， China)

P756.2; U698

A

2016-10-11

江蘇省交通科技項目(2011C04-2)；2014年度江蘇省第四期“333工程”科研資助立項項目(BRA2014312)

趙倉龍(1983—),男，江蘇鹽城人，講師，博士生，從事水上交通環(huán)境與安全保障研究。E-mail: zhaocl@ntsc.edu.cn

1000-4653(2017)01-0064-05