近海油田救生用灘涂車方案可行性論證

2011-10-26 07:16:58吳洪輝馬廷雷魏忠華

中國科技信息 2011年10期

吳洪輝馬廷雷魏忠華

中國石油集團海洋工程有限公司 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

中國石油集團海洋工程有限公司 100176

針對近海油田救生特點，依據車輛動力學與水動力學對灘涂車設計方案進行機動性能分析，并以救生時間為基準進行可行性分析，分析結果表明常駐平臺的灘涂車用于救生具有一定優勢。

灘涂車；救生；車輛動力學；水動力學

引言

海洋石油作業是世界公認的高風險行業，海上作業人員時刻面臨著火災爆炸、井噴失控、設施損毀等各種風險的威脅。建立裝備完善的海上應急救援系統是事故發生后進行救援的有效手段，只有不斷提高應急救援系統的應急能力，才能有效地減少人員傷亡和財產損失，防止事故的擴大。

但是，在灘海、淺海、近海沼澤地區進行應急救援工作還是一個難題。主要是因為這一地區受潮汐影響特別大，低潮時水特別淺，甚至露出海灘或沼澤，一般車輛無法進入；水深時雖然船舶可以進入，但受潮時的限制，沒有足夠的時間進行救援。受潮汐影響，在灘海區域內現有水上救生裝置不能實現在任意時間內進行救援，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的技術，可是仍然不能滿足在火災、煙霧等條件下實施救助工作。發生油氣火災爆炸時，因為有大量的煙霧，視線受到很大影響，直升機一般難以靠近，發生在北海的阿爾法平臺爆炸案就是一個例子。

可在硬路面、灘涂路面、水上連續行駛的救生車輛將是一種有效的解決方案，本文針對一款兩棲灘涂車輛進行機動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，艙體兩側和前側距地板1.2m高處開有觀察窗。底盤尾部中央開有導流槽供螺旋槳導流。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。結構圖如圖1所示。

1 陸上機動性能

1.1 陸上虛擬試驗

基于多體動力學軟件Recu rDyn，對初步方案車型進行虛擬試驗[1,2]，得到車輛動力因數、附著系數和阻力系數。虛擬試驗中路面參數采用海調資料中獲取的灘涂土質參數。

首先聯合Matlab進行動力因數分析，如圖2所示。

采用被牽引法測附著系數。

在灘涂路面上進行“被牽引試驗”，實車試驗的過程[3]是，由一牽引車通過自動記錄力表牽引被試車輛，牽引車以低速等速行駛，行駛至試驗地域，將被試車輛完全制動，當車輛開始滑移瞬間，記下力表讀數就是車輛的附著力，則附著系數為：

式中：P為附著力（滑移瞬間力表讀數），N；G為車重，N。

利用Recu rDyn進行虛擬試驗。首先需要基于貝克模型建立虛擬試驗場的灘涂地面，其中的土壤參數源于前期實車試驗數據，而后利用前期構建的虛擬樣機在該路面進行“被牽引試驗”，試驗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。

實車試驗的過程[3]是，讓被試車輛在試驗地域低速穩定行駛，利用扭矩儀測得主動輪上的扭矩，除以主動輪半徑就得到地面行駛阻力。

圖1 方案布置圖

圖2 RecurDyn&Matlab聯合仿真

式中：M為兩個主動輪上的扭矩之和；r為主動輪半徑。

則車輛的直駛阻力系數為：

式中：R為地面行駛阻力。

利用Recu rDyn進行虛擬試驗。直接利用虛擬樣機在虛擬灘涂地面上行駛即可，對主動輪賦予轉速，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

當下陷量小于100mm時，車輛最高車速可達30km/h，當下陷量大于100mm時，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：

機電一體化技術在柴油機控制的應用過程中，必須要根據發動機排放和油耗之間的關系，對其進行優化和升級。目前，柴油機中所應用的電子節省能源液壓泵體系，不僅能減少能源的消耗、控制冷風扇的轉速，還可以使得柴油機的冷風扇隨著溫度的改變而對運轉速度進行自行調節，并使得柴油機有門隨著過載負荷的變化而進行變化。在很大程度上提升了柴油機的工作性能、工作效率等，滿足了多種施工的需要。同時，這一技術的應用，還降低了能源消耗，實現了柴油機在應用中的節能減排需求。

圖4 坡上快速性

圖中極軟路面表示下陷量最大的灘涂。附著系數最大僅能達到0.36，因此有結論：對于軟硬路面，車輛爬坡度在11度以上。

2 水上機動性能

由于車體形狀復雜，很難用船舶水動力學的估算公式直接計算水上行駛阻力。因此采用計算流體動力學軟件F luen t計算水上行駛阻力[4]，而后利用船舶主機功率計算公式反推指定航速下所需主機功率。

對方案車型進行虛擬試驗，得到水上航行阻力后，考慮推進器效率、車型效率、傳動效率，利用公式（4）計算所需主機功率[5]。

式中：N0為主機功率；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為相對旋轉效率，取1.0；η0m為機械傳動效率，取0.85。

計算可得主機功率曲線如圖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 主機功率曲線

由于方案中設計發動機最大功率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步驟：1、從平臺進入到灘涂車；2、從灘涂車到守護船或陸地。按照有傷員和無傷員兩種情況分析。

（2）從灘涂車到守護船：灘涂車需要通過灘涂駛向深水區，需要經過泥地行駛、水中著地行駛、水上行駛三種狀態，或是水中著地行駛、水上行駛兩種狀態。在風浪小的情況下容易完成，在風浪大的情況下灘涂車會出現頓底現象，嚴重影響到灘涂車的安全。當靠到守護船上后可以比較容易的將人員轉移到守護船上，當風浪比較大時，可以將灘涂車靠在被風的一側。因此當風浪較小時適合往守護船處行駛。

（3）從灘涂車到陸地：灘涂車需要通過灘涂駛向陸地，一般需要經過泥地行駛、水中著地行駛兩種狀態。因為基本上沒有水，所以沒有浪的影響，灘涂車行駛起來比較平穩。無傷員情況，可以將人員轉移到安全地帶即可，可以不用上岸，這種情況相對比較容易，因為最軟的地面在靠近岸邊附近。如果有傷員，則必須將傷員運送上岸，轉移到救護車上，這種情況就需要通過最軟的地面。