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涛尔钢结构公司-新闻内容
我国海洋钢结构现状与展望
      地球上数量众多的江、河、湖、海,蕴藏着极其丰富的资源。从古至今,人类生存与社会经济发展,都离不开它们。而占地球表面积7l%的辽阔海洋,蕴藏着更为丰富的海洋资源一一海洋矿产、海洋生物、海洋能源、化学资源、海洋石油和天然气等。据统计,海洋矿产(锰结核矿、磷、硫化矿等)约为6000亿吨;海洋生物(鱼、虾、贝、藻等)有20万种;可利用的海洋能源达l亿kW;从海水中可提取82种化学元素;海底石油储量约为1350亿吨,占世界总储量的2/3,天然气储量约140万亿m3
 
    人类的祖先早就制作原始而极其简易的水中运输工具,从江、河、湖中摄取水中资源。随着社会的进步,逐步形成造船业,人类的活动从江、河、湖走向海洋,从近海向深海发展。人类也就从简易的水中运输工具向木质船、铆接铁壳船及全电焊船发展;组织形式也是从个人劳作到群体作坊,扩展成造船厂,并形成了今天的现代化船厂。通过人类的实践,产生了各种各样的水中钢结构物,并广泛地用于国防、交通、运输、生产、科研和贸易,谱写了人类进步的文明史。 
 
    今天,人类在不断地探索周围空间,开发空间技术,伸向遥远宇宙的同时,人类的活动更积极地转向海洋。人们已习惯于将江、河、湖、海中的结构物,统称为“海洋钢结构”。根据使命,航区、航行状态、动力装置、推进形式等进一步区分。从担负使命而言,又可分为民用船舶、军用舰艇、海洋工程装置、工程船舶、渔船、高性能船六大类,但基本上归属于“舰船”和“海洋工程装置”两大门类。
  
    值得指出的是,无论是“舰船”还是“海洋工程装置”的设计与建造,历来都是由造船部门提供。而“造船”涉及了国家上百种行业,诸如:冶金、机械、微电子、电气、化工、五金、轻纺、装潢等,进而拉动了成千上万的企业。它凝聚了成千上万人们的智慧和劳动成果,是一个国家综合国力的象征,特别是大型“舰船”、“海洋工程装置”的开发,更是衡量一个国家能否跻身于世界造船大国的标准。
 
    经历20世纪两次世界大战后,人们吸取了极大的教训。为了保卫海疆、促进国家经济发展,世界海洋国家十分重视造船业的发展。随着海洋开发进程的加快,海洋工程装备更成为世界造船业的新宠和必争领域。
 
    今天,人们论及“海洋钢结构”,较多地是归属于“海洋工程装置”门类的海洋钢结构。中国钢结构协会海洋钢结构分会正是为从事国内外“海洋钢结构”的教育、设计、制造、研究等方方面面的人员,搭建信息与学术交流平台。
   
我国造船业发展历程
 
    我国是世界四大文明古国之一,内陆有众多的江、河、湖,沿海有18 000海里长的海岸线,面临太平洋的浩瀚大海。我国的造船历史非常悠久。自公元前约l万年~4千年的远古期新石器时代至今,我国造船业大致经历了原始期、开创期、盛行期、衰落期、恢复发展期、兴旺期等过程。
 
1原始期
 
    公元前约l万年~4千年的远古期新石器时代就有“伏羲氏刳(KU)木为舟,剡木为楫”的美丽传说。
 
2开创期
 
    “船”的雏形要算是从殷商时期的简易“舟”的出现,用作在河、湖中运送货物。春秋战国时期制铁业的出现,造“舟”开始用铁钉连接木板,并出现了舟师(水军)。秦汉时期由于农田水利、制铁技术的发展,造船规模与技术在秦汉时期都有了进一步发展。汉朝时,不仅船型分类也已相当明确,而且根据使用要求在船上配置桅、桨等属具。三国两晋时期的长江战船已有楼五层,可载兵3000人。并出现了海船,也能载六、七百人,货一百吨,张四帆。汉代的海船沿海岸航行,到了印度和斯里兰卡。
 
3 盛行期
 
唐代的海船已能远航西洋。阿拉伯商人向东航行,也用中国的船舶。到了宋代,木帆船建造技术已趋成熟,能按照船舶的图样进行施工,并开始采用滑道下水;海船上也装有指南针;在世界造船史上留下了首先使用压载的记录。元代至明代更是我国木帆船的鼎盛时期。元代广为分布的船厂以及种类多、数量大的船舶出现,为世界之罕见。为了远征的需要,建立了庞大船队。我国的造船技术和航海技术在明代则达到了世界最高水平,明代郑和大宗宝船下西洋,远航船队到达三十多个国家,最远曾经到达东非海岸和红海口,更是举世闻名,并成为人类开始征服海洋的象征。
 
4衰落期
 
    1 840年鸦片战争敲开了闭关锁国的清政府大门,帝国主义野蛮入侵,给我国人民带来了极大灾难和痛苦。100多年前,在19世纪60年代中期,清政府接受了有识之士“师夷长技以制夷”的建议,制炮造船,加强海防,创建了江南造船总局和福建船政局,揭开了我国近代造船业的序幕,建造了大量的船及一些铁壳船。但由于清政府的腐败,我国北洋水师的战舰惨败于中日甲午战争,成为中华民族的极大耻辱。
 
    随着20世纪30年代电焊技术的应用,世界造船史进行了一次伟大的变革。但由于第二次世界大战的爆发,我国的造船业已处于完全停顿状态,只有搬迁重庆的交通大学尚有少量造船系学生及一些小型修造船厂在支撑我国的造船业。
 
5恢复发展期
 
    20世纪40年代末,新中国诞生后,在中国共产党领导下,我国造船业快速发展。年长的造船工作者,对当时的造船状态还是记忆犹新的。20世纪50年代初,百废待兴,我国造船业完全是在一些被破坏的修造船业基础上,在艰苦环境中开始恢复。20世纪50年代我国政府曾求助于前苏联,前苏联也派出了一批专家与技师,帮助并指导我国。引进了苏联的“技术转让”,设计并建造了我国第一代军用快艇与炮艇。设计上海黄浦江的渡轮时,是测绘了美国的渡轮,关起门来进行。
 
但无论怎样说,那时我国造船业开始有所复苏,我国的船舶设计队伍刚刚在起步,一机部第九产品设计室(七O八所的前身)就是我国现代造船设计单位的雏形,那时我国也研制了一些内河与沿海的中小型船舶。
 
    正当我国需要进一步发展造船业的时候,1960年前苏联单方面撕毁了合同,撤走专家,拿走所有的技术资料,对我国实行经济封锁。但在中国共产党领导下,我国有一批20世纪50年初、中期留英学者为了报效祖国,已陆续回国,投身于祖国的造船业,他们从人才培养、基础理论、专业知识、建造工艺、企业管理等方面做出了积极的贡献。与此同时,20世纪60年代,国家以一机部第九产品设计室为主体,组建了一大批设计与研究单位,并成立国防部第七研究院。该研究院除了设计沿海船舶外,还开始设计与建造战斗舰船。尽管没有前苏联的帮助,依靠自己的力量,经过近十年的努力,建成了全部采用国产材料与设备的我国第一艘“东风”号万吨轮。嗣后建成了一大批“阳”宁号、“风”字号的万吨轮(“朝阳”号、“向阳”号、“庆阳”号、“益阳”号、“风雷”号、“风庆”号),为我国远洋运输事业的发展起了重要的作用。与此同时,我国也依靠自己的力量,建成了大型客货船“长征”号,嗣后建成了一批“长”字号客货船(“长自”号、“长力”号、“长更”号、“长生”号)。直至今天,他们是我国两大造船集团公司舰船与海洋工程设计与研究的主力。另外,交通部、地方省市及大型造船厂也相继组建并成立船舶设计与研究单位(部门),我国造船队伍进一步发展壮大。
 
6兴旺期
 
    随着20世纪70年代末期的改革开放,我国造船业进入新的发展期。民用运输船舶进入了国际市场,中华造船厂于1980年建成了第一艘大开口多用途货船;大连造船厂、江南造船厂建成了1~5型2.7万吨级的出口散货船、9.8、11.5、11.8万吨级的出口油船。军用舰艇的研制也进入了改进、创新阶段,新型的战舰不断地涌现。
 
    特别是进人20世纪90年代以后,邓小平同志“中国的船舶要出口,要打进国际市场”的指示,通过技术引进、消化吸收和自主开发,民用运输船舶进一步扩大国际市场,向自动化、高性能化发展,军用舰艇向现代化进军。研制了具有高技术、高附加值的大型与超大型新型船舶,研制了具有先进技术装备的战斗舰艇,研制了具有高风险、高投入、高汇报、高技术、高附加值的海洋工程装置。1993年以来使我国造船总吨位已连续十年居世界第三位,2003年中国造船产量超过了600万载重吨,占世界11.2%的份额,2004年中国造船产量已超过850万载重吨,占世界的份额已超过15%,我国造船业占世界造船份额节节攀升。 
    20世纪90年代末期及21世纪初,党中央、国务院领导关于“中国有希望成为世界第一造船大国(就吨位比较)”、“中国完全有可能建成世界一造船大国”等的重要批示,为了实现造船大国的目标,提出了“船舶科技跨越工程”的总体构思一一“十一五”全面强化、“十二五”深化提升,10年以后,也就是201 5年前后,我国的造船产量将占世界造船份额的30%以上,我国造船业进入了前所未有的兴旺期。   
国内外海洋石油工程装置的现状
   
    人类在开发与利用海洋活动中,形成了海洋产业,发展了种类繁多的“海洋工程结构物”,它们主要是用于资源勘探、采油作业、海上施工、海上运输、海上潜水作业、生活服务、海上抢险救助、海洋调查等。如美国夏威夷发电厂、日本关西海上浮动式飞机场、巴西亚马逊河口纸浆厂、印尼海上天燃气液化厂等海上浮动结构以及用于海洋油气资源的勘探、开发与综合利用的型式各异的海洋油气工程装置。它们往往可分成固定式和移动式两大类。“海洋工程结构物”中要数海洋油气工程装置最为活跃,它在海洋产业中居首位,占全球海洋产业的25%。  
 
    (1)海洋油气是国家重要能源   
 
    众所周知,石油、天然气、煤炭、核电是国家的四大重要能源。美国2002年10.5万亿美元GDP(国内生产总值)都是建立在能源基础上的,93%的能源来自石油、天然气、煤炭和核电,其中石油能源占总能源的40%,天然气占22%(《国际石油经济》2003年7月)。   
 
    随着陆上资源的枯竭、能源消耗与日俱增,进入20世纪后半期,“能源发展”成为世界人民关注的焦点。据英国石油公司(BP)《2002年世界能源统计年评》统计报告表明,2002年世界能源消费从2001年的91.65亿油当量增加到94.05亿油当量,增长了2.6%,超过才世界过去十年的年均增长率1.4%。我国2002年一次能源消费猛增了19.7%,已成为仅次于美国的世界第二大能源消费国(根据《国际石油经济》2003年7月)。
 
    近20年我国GDP平均增长速度达到9.66%,未来也将保持在7%左右。GDP增长7%,能源增长为4%。但目前我国能源增长还不足2%,能源的缺口将成为制约我国经济增长的瓶颈问题。目前,我国能源长期依赖煤炭,高达72%。专家研究表明,到2020年,实现经济翻两番,需发电容量8亿~9亿kW左右。如全部用煤,须增加12亿吨以上的电力用煤,由此将给资源、采掘、运输及环境带来难以承受的压力(中国能源网2004一08—19)。另外,由于人们对核电站的安全性担心,石油、天然气将是改善我国能源结构的主要选择。所以,石油和天然气的生产对促进国民经济具有十分重要的战略意义。
 
据《BP世界能源统计》资料,在20世纪90年代全世界新发现76个巨型油气田中(可采储量超过5亿桶油当量,约6 820万吨。其中17个为可采储量大于10亿桶油当量的超巨型油气田,约1.36亿吨),陆上占36%,海上占64%。而海上小于500m的浅水区占44%,大于500m的深水区占20%。深海地区储量约占海洋油气总储量的12%。
 
    我国在近海海域发现了一系列富含油气的盆地,主要分布在渤海,黄海、东海、珠江口、北部湾和莺歌海等区域。我国国土资源部宣布:我国管辖南海海域又圈定的38个沉积盆地,海上油气资源可达400亿吨以上的油当量(2004年2月26日《人民日报》)。据《中国产经新闻》2004年3月2日报道:中国南海石油储量在230~300亿吨油当量,占中国总资源的三分之一,有“第二个中东海湾”之称。所以,我国是世界上海底油气资源非常丰富的国家之一。但由于我国缺少必要的海洋油气能源的钻探、开发及生产装备,目前我国海上油气勘探、开发、生产主要在大陆架,水深不超过300m,海上原油发现率仅为18.5%,天然气发现率仅为9.2%。至今对南海的物探和开发仍处在空白状态。所以,开发海洋油气,特别深海油气是不仅成为我国石油工业的主要增长点,而且是国家重要能源。
 
    (2)海洋油气开发的旺盛投资,为海洋油气工程装置的发展提供了巨大机遇
 
    世界海洋油气开发投资旺盛,前景十分看好。据挪威Norland Consultans As的保守预测,2002年~2007年世界海洋油气开发年均投资总量在1 000亿美元以上,2004年投资总量已达到了1 250亿美元。其中,投资量变化最大地区是西非和前苏联地区,这些地区将成为石油供应新的增长点,可以减少世界各国对不稳定中东石油的依赖。北美、墨西哥湾继续维持高产,安哥拉和尼日利亚海岸的深水钻井取得了巨大成功,某些油田的储量超过了1.3亿吨。此外,更令人瞩目的是亚洲天然气需求日益增长,导致亚太地区的海洋油气开发前景十分看好。
 
    (3)海洋油气工程装置是造船业利润的新增长点
 
    在世界海洋产业中,海洋油气工程装置油气生产给人们带来了巨额财富,在荒漠或海滩下造就了一批“石油富国”。当今世界海洋油气工程装置的投资占整个海洋工程装备投资的70%以上。
 
    人们从海底开发油气资源的过程主要是物探(是用地球物理勘探船,采用地震勘探法了解海底地质构造,以寻找储油构造,为钻探提供依据)、钻探(广泛采用自升式平台或半潜式平台,利用勘探资料,对可能有油气的地质进行钻井、取芯,以决定是否钻评价井、数量和井位)、开发(主要是计算油藏储量,制定开发方案,其中包括资源、工程与经济评价,然后确定采用固定式平台或浮式生产系统进行生产、储存、运输)。上述的每个过程,都需要有海洋工程装备得以保证。
 
    如今,海洋油气工程装备产业是直接关系到海洋油气资源开发、影响国家能源稳定和经济安全的战略产业。海洋油气工程装备已是造船业利润的新增长点,并成为主要海洋国家相争的目标。世界上主要海洋国家,诸如美国、英国、法国、日本、韩国、加拿大、澳大利亚等国,相继制定了“国家海洋发展战略”,提出了“海洋是能源之源、立国之本”、“保证海洋的可持续发展”等政策。韩国现代重工企业在《10年计划纲要》中提出:2010年海洋工程装置业务销售收入达到35亿美元,提高在总销售收入中的比例为20%;韩国三星重工企业在《中期发展规划中提出》:2005年2月前,扩大海洋工程装备的建造能力,使其海洋工程装备的年销售收入由目前的5~6亿美元增长到2005年的10亿美元。随着我国能源消费增长、国家能源战略的调整、保护和开发海洋油气资源,为海洋油气工程装备产业发展带来了广阔的发展空间。为了适应我国这一形势的需要及参与国际竞争,我国制定了《全国海洋经济发展规划纲要》海洋工程装备开发的战略目标。
 
国外海洋石油工程装置
 
    从1887年H.L.威廉斯在加利福尼亚州海边完成了第一口井,拉开世界近海石油工业的序幕起,至今已经历了整整一个世纪,已研制了多种多样的海洋石油工程装置以及特种工程船舶(地球物理勘探船、供应船、拖船、起重船、打捞救助船、特种工程船、海底电缆布设船、铺管船及深潜器母船等)。
 
    国外海洋石油工程装置大致是由10~25m水深的驳船式、坐底式钻井平台,发展到自升式、顺应式桩塔(CPT)、张力腿平台(TLP)、半潜式平台(SemlSubmersmle Platform简称Semi—FPS)、浮式生产储油装置(Folating Production Storage and Offloading简称FPSC))、张力腿平台、竖筒式平台(SPAR)、水下井口和柔性立管生产系统(SPS)等的过程,水深已达2 500m以上。其中,半潜式平台、张力腿平台和SPAR平台,由于抗风浪能力强,甲板面和装载量较大,特别是离岸越远、水深越大,越显示其优越性。至2004年底,国外已建成约25座世界上最先进的第五代半潜式钻井平台,钻井的最大水深已超过3 000m。张力腿平台、SPAR平台在国外已广泛应用于深海油气田开发。各种产品已逐渐形成系列,如半潜式平台的“BINGO"系列、“GVA”系列等,张力腿平台的“Seastar”系列、自升式平台的“JU2000”系列(美国Friede&G0ldman公司)和“CJ50”系列(荷兰GUSTOMSC公司)等。
 
    值得指出的是:海洋石油工程装置中FPSO是十分引人注目的,尽管它的开发历史较短,数量也较少,但这种外型类似油船的海洋工程装置在甲板上密布了各种生产设备和管路,并与井口平台的管、线连接,并设有特殊的系泊系统、火炬塔等复杂设备,整船技术复杂,价格远远高出同吨位油船。它具有强的抗风浪能力、投资也低、见效快、可以转移重复使用等优点外,它的储油能力大,并可以将采集的油气进行油水气分离,处理含油污水、发电、供热、原油产品的储存和外输,被誉为“海上加工厂”,已成为当今海上石油开发的主流方式。
 
    1903年,美国在加利福尼亚州圣巴巴拉(Santa Barbara County)的萨默兰特(Summerland),开发了世界上第一个海上油田。
 
    1 922年委内瑞拉内陆湖泊~马拉开波(Maracaibo)湖中发现了石油,钻机就竖在木质平台上,这是世界上首先采用固定平台开采海底石油。
 
    1949年墨西哥海湾“环球40号”第一座坐底式平台,工作水深为3~30m,1963年美国建成“环球54号”坐底式平台,工作水深达53m。
 
    1953年,“台隆”号自升式平台建成以后,许多海洋国家开始设计、建造各种移动式自升式平台。
 
    1967年,日本海洋钻井公司研制成采用转动销式升降装置、并能座于软地基的“富士”号自升式平台。
 
    1973年日本三菱公司还为印度承建了一座自航的自升式平台。
 
    20世纪80年代,中型自升式平台的升降桩腿,已采用三角形、四方形截面的混凝土结构制成,能用于水深超过60 m,并可减少波浪、潮流等外载荷的作用。
 
    继自升式平台之后又出现了半潜式钻井平台。1962年,美国建成“兰水一号”半潜式钻井平台。1979年2月24日,日本海洋钻井公司在日本新泄省三岛群寺泊町水深127.5 m的海上油气田,也采用了半潜式钻井平台“白龙五号”。
 
    总之,经过人们的研究和开发,全世界海湾与海洋中使用的平台有万座以上。值得注意的是,海洋石油工程装置由于1960年墨西哥湾的飓风毁坏平台,导致了平台设计准则的改革。但1964年百年一遇的风暴又袭击了墨西哥海湾的1 3座平台;次年,百年一遇的贝特西(Betsy)飓风再度袭来,毁坏3座平台并损伤许多其他的平台,设计者放弃了25年和50年重现周期的参数,而开始采用100年重现期进行设计,焊接的管节点更加严格。
 
    另外,1977年壳牌石油公司利用1艘59000吨载重量旧油船改装成FPSO,用于地中海卡斯特利翁油田的开发,自此世界上第一艘FPSO问世。这种以“船”为基式,对开采的石油进行油、水、气分离,处理含油污水、发电、供热、原油产品的储存和外输,集人员居住和生产指挥系统为一体的大型海上=石油生产基地异军突起。它相对平台而言,具有极强的抗风浪能力,能长期系泊在海上,储/卸油能力大,可转移地点重复使用,初投资小。随着海洋油气开采向深海与海况恶劣的海域拓展,特别是海洋边际油田开发热潮的兴起,FPSO备受世界石油公司青睐。20世纪80年代FPSO有了进一步发展,并开始用新建的FPSO
海洋工程装置特点
 
    众所周知,舰船和海洋工程装置都是在水上执行任务、完成使命的。它们必定具备“使用性能”与“航行性能”两种主要特点。“使用性能”是执行任务的能力,而“航行性能”是执行任务的手段。舰船的“航行性能”是指舰船在规定水域沿着确定的航线,以一定的速度到达目的地,主要包括舰船的浮性、稳性、抗沉性、快速性、耐波性、操纵性等。而海洋工程装置的“航行性能”完全有别于舰船,因为绝大部分的海洋工程装置是没有动力的,须要由拖轮将它拖到指定的工作海域。
 
    海洋工程装置与常规舰船绝然不同,它往往固定在浩瀚大洋、也有在海洋深处环境中工作,是危险性高度集中的载体,具有高风险、高技术、高附加值、高投入、高回报的综合性海洋钢结构。有更高的标准及规范要求,其主要特点是:
 
    (1)作业范围广,质量要求高,不是在固定海域,而是可以移位,能在不同海域、不同水深、不同方位作业。因此,要适应较广海域的环境条件。同时作业工况亦多,有移位、就位、生产作业、风暴自存等,所以,质量要求高。
 
    (2)使用期长、可靠性指标高,一般极少进坞维修,可靠性指标高主要体现在:
 
    强度要求高一一永久系泊在海上,除了要经受风、浪、流的作用外,还要考虑台风、冰、地震等灾害性环境力的作用。
 
    疲劳寿命的要求高一般要求25~40年或不进坞维修,因此对结构防腐、高应力区结构型式以及焊接工艺等提出了更高要求。
 
    建造工艺要求高——为了保证海洋工程的质量,采用了高强度或甚高强度钢的特殊钢材(包括Z向钢材、大厚度板材和管材)。所以,建造工艺及其配套装备要求高。
 
    生产管理要求高——海洋工程的建造、下水、海上运输、海上安装甚为复杂,生产管理明显地高于常规船舶。
 
    (3)安全性要求高,由于人们现有的认识及其操作问题,海洋石油工程装置所产生的海损事故还是十分严重的,如:
 
    我国从日本进口的“渤海二号”自升式平台,1979年在渤海湾倾覆沉没,死亡72人。
 
    挪威一座五角形半潜式生活平台“亚历山大.基尔兰德”(Alexander L.Kielland)号1980
年3月27日因一根撑杆疲劳破坏,导致其他几根撑杆和一根主要立柱随之毁坏,整个平台在15分钟之内在北海倾翻,造成123人死亡和失踪的重大事故。
 
    加拿大“海洋探索者”号(0cean Ranger)半潜式平台,1982年沉没,死亡84人。
 
    我国“爪哇海”(Glomar Java Sea)钻井船,1983年在南海的莺歌海海域沉没,死亡81人。
 
    北海一座导管架生产平台因气体泄漏,与明火相遇发生爆炸,l988年沉没,死亡167人,直接损失9亿美元。
 
    2005年3月15日巴西Roncador油田(离巴西120km,水深1350m,储量30亿桶)的采油平台因天燃气泄漏,发生三次爆炸,虽经现场26艘船多日施救,但在3月20日晚上9点30分翻转900,沉人海底。造成11人死亡的重大事故。该平台是1994年意大利建造,于1999年10月耗资3.56亿美元改建2l口井的采油平台,2000年5月投产。2005年事故发生时才投产6口井,每天产油8.4万桶、天燃气1 30万方。
 
(4)学科交叉。技术复杂,海洋工程装置的结构分析不仅要考虑流、固耦合响应,还要考虑流、固、土耦合响应,它涉及了海洋环境、流体动力学、结构力学、土力学、钢结构、船舶技术等多门学科交叉的复杂问题。
 
    (5)承包商多、界面复杂,海洋工程装置是综合性的工程,异地异国的承包商多,分包商所需的技术参数又相互制约,界面极其复杂。设备的运输、保管、安装、调试等管理繁琐。
 
海洋工程装置的关键技术
 
    针对海洋工程装置的特点和国内外市场的需求,结合我国实际的研发与建造水平,进一步发展海洋工程装置,急需解决十大共性的关键技术:
 
    1)探索海洋工程装置的新形式;
 
    2)总体设计与结构设计准则;
 
    3)主要设备配置与模块化技术;
 
    4)主要设备国产化技术;
 
    5)特种设备与系统技术开发;
 
    6)特种结构分析技术开发;
 
    7)系泊系统配置与安装技术;
 
    8)海洋工程装置的建造技术;
 
    9)海洋工程装置防腐技术;
 
    l0)海洋工程装置的项目管理与信息化技术
 
    根据上述共性的关键技术,下面列出主要的海洋石油工程装置关键技术。
 
1 FPSO的关键技术研究
 
    不同的海上油田,有不同的油品特性,就有不同的生产流程。为了适应海上环境条件的需要,也有不同的FPSO船体形状与布置。FPSO的主要关键技术为:
 
    (1)船型性能与结构强度研究
 
    FPSO长期固定在某一海域工作,需要适应海上的环境条件,就要有良好的船体形状。同时它还要能抗御100年一遇的载荷,船体结构的疲劳寿命一般为40~50年,所以,船体可靠性、关键结构强度与节点疲劳分析是十分关键的。另外,由于海洋工程装置的严重海损事故,结构设计准则亟待研究。
 
    (2)特殊结构设计与安装技术研究
 
    FPSO系泊系统相关结构、模块支撑结构、火炬塔等都属于FPSO的特殊结构,对FPSO的安全性至关重要。FPs0非常特殊的系泊系统,是少数国际公司的垄断技术。而特殊系泊系统与FPSO船体的连接技术,是十分关键的。另外,FPSO上部模块的重量大、重心高,它的支撑结构与FPSO船体之间的连接结构,也是非常关键。因此,必须在研究国外这些特殊结构设计(包括选材、焊接、探伤等)、制造与安装技术的同时,还应自主开发这些特种设备与系统,探索新的设计理念。
 
2自升式平台关键技术研究
 
    早期以槽口式自升式平台居多,但井架活动的范围受其槽口结构的限制,钻井数量较少,
效率不高。由于悬臂梁式自升式平台增大了井架活动的范围,增加了钻井数量,而逐渐占为主流。此外,自升式平台的升降是齿轮齿条式的装置,控制简单,操作性能良好,平台亦比较平稳,适合于移位比较频繁的平台,但是造价较高。所以,世界上自升式平台已形成多种型号的系列产品,如美国Friede&Goldman公司的JU2000和荷兰GUSTO MSC的CJ50等。我国应尽快掌握他们的关键设计技术。主要研究:
 
    (1)自升式平台的主体布置格局、桩腿与桩靴型式与尺度、升降装置的形式;
  
    (2)自升式平台在各种工况下结构设计载荷与强度分析;
  
    (3)自升式平台结构关键节点的疲劳分析;
 
    (4)悬臂梁结构的设计。
      
3半潜式、张力腿平台的关键技术研究 
   
    半潜式、张力腿平台在风浪中的载荷计算是非常复杂的动力问题。应考虑实际海浪的随机性与不规则性,预报波浪载荷。   
 
    半潜式平台的浮体与柱、柱与甲板连接处,张力腿平台的浮体与柱、张力腿与浮体连接处以及支撑半潜式、张力腿甲板的刚架结构均是受力极大的危险区域,如果结构不连续、加工或焊接上的缺陷,易形成应力集中。另外,焊接残余应力也会造成材料的局部塑性变形。这样在交变载荷、海水腐蚀等作用下,接头的高应力危险区将会发生疲劳裂纹,并逐渐扩大而导致整个节点的破坏。已经发生不少整体海洋平台破坏,就是由于结构连接节点处出现疲劳破坏而引起的。因此,合理设计半潜式、张力腿平台结构,提高其疲劳寿命已成为这些平台结构设计的重要内容。
 
    系泊索也是张力腿平台的关键部位,如系泊索发生问题,将会使整个平台失去功能,甚至发生平台倒塌沉没。周期性变化的环境载荷会造成系泊索的疲劳损伤。因此,系泊索疲劳问题也是张力腿平台的主要研究课题之一。
 
4海洋石油工程装置建造技术研究
 
    海洋石油工程装置具有复杂的结构形式,长期受海上风暴、潮流和低温环境的影响,结构容易产生脆性破坏或疲劳破坏。而海洋石油工程装置结构的构件较厚、材料级别亦高。对其建造精度、变形控制、焊接工艺、焊接材料、焊缝探伤要求极高。同时,对大型的大甲板面、少支撑点的海洋石油工程装置,弹性变形也大,施工中结构分段的补偿、精度控制和合拢等都是海洋石油工程装置建造中需要重点解决的技术。
 
5海洋钢结构的防腐技术研究
 
    海洋钢结构是在苛刻的腐蚀性环境条件下使用的大型工程结构物,其水下部分结构长期受到海水及海生物的侵蚀。因此,必须采用长效防腐涂层和采取防腐蚀措施,并进行定期的安全检测与适时的维修保养等。由十海洋钢结构使用期很长,长期处于有盐雾、潮气和海水等环境中,受到海水及海生物的侵蚀作用,而产生剧烈的电化学腐蚀,漆膜易起着剧烈皂化、老化,所以结构腐蚀是非常严重的。腐蚀不仅降低了结构材料的力学性能,缩短使用寿命,而且远离海岸,不能像船舶那样定期进坞维修、保养。所以,业主和厂商对长效防腐涂层和防腐蚀措施技术是十分关注的。
 
6海洋钢结构的项目管理研究
 
    海洋钢结构的技术含量高,设备种类繁多,制造复杂。为确保制造质量与整个工程项目的进度,需要多个工业部门的通力协作,这就需要按照国际工程规则,实行严格的项目管理。主要有:
 
  (1)工程实施步骤与要求;
 
  (2)项目管理组织系统;
 
  (3)项目管理基本内容(包括合同、工程分包、成本控制、进度控制、质量追踪、文档、BFE
一船厂采购设备与OFE一业主提供设备采购、试验与验收、海上运输、海上安装等管理)。
 
7海洋钢结构的HSE研究
 
    HSE是指海洋钢结构项目的健康、安全和环境保护一一Flealth,Safety,Environment。
承包商的HSE往往是海洋钢结构项目招投标阶段资格预审的重要内容,涉及内容十分广泛,包括管理层对HSE的认识、HSE策略、相应的程序文件、管理的规章制度等,如对这个问题不重视,仅停留在因陋就简、加班加点、人海战术的水平上,环境保护意识淡薄,那是绝对不够的。所以承包商应予以重视。
 
8海洋钢结构材料的研究
 
    海洋钢结构因功能不一,材料使用有所差异。同一海洋钢结构不同部位的钢种也不同。
    如“舰船”的材料很大程度上取决于舰船的大小。民用运输船舶800TEU以上的集装箱船及船长大于l 50m的船舶,采用屈服强度为315~390MPa的高强度钢。由于高强度钢的弹性模数并未提高,而且其抗腐蚀性与低碳钢基本上相同。所以,为保证“舰船”的刚性,大型舰船高强度钢用量一般都要控制在一定的比例,这是其一。另外,大中型水面舰艇(包括航母、巡洋舰、两栖战舰、驱逐舰、护卫舰、导弹艇、登陆舰等)及潜艇(弹道导弹核潜艇、攻击型核潜艇、常规潜艇),除了俄罗斯有几型核潜艇的耐压壳体是由钛合金建造外,其它各国舰艇的壳体都是用钢建造的。如我国水面舰艇用的钢材大致为三类:第一类是无镍铬的钢,如9叭、902、903等钢种;第二类是20世纪80年代后研制镍铬系列的钢;第三类是低磁性的船体钢。
 
    20世纪50年代我国组装“03”型潜艇,耐压壳体用的是前苏联进口CXL一4。1959年从前苏联引进转让制造“33”、“31”型潜艇,其耐压壳体用的是前苏联进口的AK一25钢材。20世纪60年代中期,根据当时国情和需要,我国曾先后研制了“907”、“92l”系列钢。20世纪80年代后经过工艺改进、提高性能为921A钢。
 
    “海洋石油工程装置”材料也是十分关键的。
 
为了保证它们的安全、可靠,避免恶性事故发生,海洋石油工程装置的结构材料应提高材料的强度、塑性、韧性、耐疲劳性能、耐腐蚀性能、可焊性、加工工艺性等。而且材料应立足于国内,以降低成本。我国现在大量使用的是碳锰钢、碳锰细晶粒钢及低合金高强度钢。而且海洋石油工程装置使用高强度钢比例也越来越高,甚至使用具有抗层状撕裂的Z向高强度钢。所开发海洋石油工程装置的新材料、提高材料品质,始终是造船业与冶金业工作者研究的方向。
 
    海洋钢结构特殊材料研制不仅直接关系到海洋工程的性能优劣,也关系到安全可靠。尽管我国冶金业生产的某些钢种,其材料的化学成分和机械力学性能包括低温冲击韧性指标可与国外先进国家的媲美,但就是耐蚀性能较差。
 
    从目前国内外供应海洋用钢来看,宜发展中、厚钢板。低温钢、耐腐蚀钢。
 
    低温下钢的强度略有提高,但韧性和塑性却降低很多,因此首先要解决低温脆性问题。可通过加入少量合金元素,固溶强化基体、细化晶粒,或通过热处理的手段细化晶粒。目前我国低温用钢,有一40℃、一70℃、一90℃、一1 20℃、  1 96℃和一2 5 3℃共6个温度等级。常用低温钢有:16MnR、09Mn2VR、09MnTiCuRe、06MnNb、06A1N6CuN、20MN23A1、15Mn26A1。
 
1)耐腐蚀钢
 
    目前国内外典型的耐大气及抗海水腐蚀钢的情况大致如下。
 
    (1)耐大气腐蚀的钢   
 
    最早的有美国铬一铜一磷钢,其含碳c≤0.12%,耐腐蚀性为普通碳钢的5~8倍。在此基础上又发展了铬一铜一钒钢,这类钢表面形成一层密致而附着力强的锈层,阻止腐蚀进一步发展,可以无保护涂层时使用,当涂漆使用时,涂层与钢材附着力强,耐腐蚀性比碳钢提高很多。法国发展了铬一铝系耐大气腐蚀钢,英、德都有专用的耐大气腐蚀钢。国外这类钢种基本上属于铬、镍系统。目前国外发展这类钢的趋势是力求锈层性能稳定,不涂漆直接使用的低合金钢。
  
    我国发展了Mn—Cu系和Cu—p系耐大气腐蚀用钢。这类钢号有:09MnCuPTi,10MnSiCu,10MnPNbRe,16MnCu,10PcuRe等。 
 
    我国的含铜钢在各种大气条件下的耐腐蚀性能较好,磷铜钢在潮湿气候条件下,其耐蚀性能又比含铜钢有较大提高。当铜、磷、钛、稀土元素共存时,耐腐蚀性能更好。含铜钢对油漆吸附力强,因此在有涂层时,寿命可进一步延长,由于这类钢含碳量均较低,因而有良好的塑性和可焊性。
   
  (2)耐海水腐蚀钢 
  随着海洋勘探、采油、海岸设施以及建筑等海洋开发事业的发展,抗海水腐蚀低合金钢的研制已经显得日趋重要。
  
    我国发展的耐海水腐蚀用钢有:10MnCu、10MnP n6Re、10CrMoAl、15NiCuP等钢号,它们的耐海水腐蚀性均优于低碳钢。
海洋钢结构的展望
 
第二次世界大战后世界造船业发展的一个重要特点就是中心东移。由于欧洲发达的工业国家劳动力成本太高,不愿再把重心放在劳动力高度密集的造船业上,20世纪70年代中期起西欧造船业逐渐衰退,大批造船厂关闭,世界造船中心由西欧逐步转移到了东亚,迎来东方船舶丁业的盛世。据英国劳氏船级社对世界商船产量的统计,日本、韩国和中国(含台湾省)1995年的造船总吨位占世界总量的76.3%,到1999年,这一比例已上升到77.8%。目前日本、韩国、中国大陆和中国台湾省的造船产量已占世界造船总产量的82%左右。21世纪初,这一比例将上升至85%左右。世界造船业呈现日本、韩国、西欧和其它国家的四极结构,东亚已成为世界造船中心。
 
    如果对世界造船中心的东亚地区作进一步分析,又不难发现连接日本濑户内海与九州、韩国、大连和上海的狭小三角形地区,造船总产量占世界70%以上,已成为“世界造船金三角地区”。
 
    我国改革开放以来,船舶业遵照邓小平同志“中国的船舶要出口,要打进国际市场”的指示,积极参与了国际船舶市场的竞争,20多年来,我国船舶业走出了一条自强振兴之路。1 995年以来,我国造船产量一直位居世界第三位,已成为国际船舶市场上的一支重要力量。
 
    21世纪的前20年,是我国经济发展的重要时期,也是我国船舶业获得了前所未有发展机遇。中国船舶工业集团公司和中国船舶重工集团公司分别组建了江南造船(集团)公司、沪东中华造船(集团)公司、上海外高桥造船有限公司、广州造船有限公司及上海船厂与澄西船厂、大连造船重工集团公司、大连新船重工集团公司(2005年整合重组成大连船舶重工集团公司)、渤海重工集团公司、北海重工集团公司、重庆船舶公司、重庆昆明船舶分公司等造船基地,其目标是2005年、2010年和2021年左右分别进入世界造船集团第五、第三及第一(即“五三一工程”),从而推动我国成为世界第一造船大国、强国。
 
我国要成为世界第·造船大国、强国,将面对日、韩两个最有竞争力造船大国。在争夺西方业主的船舶订单中,还要与欧美等造船国家进行竞争。所以,我国船舶业在严重的挑战面前,制定策略,重新调整产品结构,特别是加强船型开发以适应国防和市场需求。在船型开发中除了对现有的船型进一步优化,建造出具有国际先进水平的舰船以外,还要研究新型舰船和海洋油气开发的装置,如超大型集装箱船、化学品船、LNG船及豪华客船,深海油气工程装置。
 
    人类在开发海洋、利用海洋活动中,各种海洋工程装备无疑是市场关注的热点。我国海洋钢结构将在设计理念、产品类型、技术装备、材料研制等方面有长足进步。其今后我国海洋钢结构的主攻方向(热点)是:
 
    1)海洋环境资料积累与研究
 
    2)海洋钢结构型式研究。特别是长宽为数公里的超大型浮体、深海超大型FPSO、半潜式平台与SPAR、浮式养渔装置(风浪大,沉入海中;风浪小,浮在海面上)。
 
    3)海洋钢结构性能研究
 
    4)海洋钢结构特殊材料研制
 
    5)海洋钢结构非线性载荷研究。水动力特性研究,如波浪载荷预报。人们常将船体作为刚体,用线性的、三维绕射理论计算方法,而国外已有根据实际海况,将船体作为弹性体,用非线性理论计算方法,研究二级、三级载荷,如拍击。
 
    6)海洋钢结构响应研究
 
    7)海洋钢结构安全准则研究
 
    8)海洋钢结构风险分析研究
 
    9)海洋钢结构装备研制
 
    10)海洋钢结构建造工艺研究
 
    我国成为世界第一造船大国、强国,必定又是世界海洋强国,海洋钢结构是重头戏。为了实现这一理想,应在中央和地方政府的统筹规划下,加快传统船舶制造业的改革,以研制先进的海洋钢结构技术作后盾,引进国外先进的技术和设备,将这一产业做强、做大。
 
    中国海洋钢结构分会将在全国钢结构协会统一组织领导下,一如继往地积极开展各种各样的学术研讨与交流活动,促进与国外海洋钢结构学术委员会之间的沟通。充分发挥海洋钢结构分会内我国造船专家的锐智,协助国内造船企业解决设计与建造中的技术难题。
 
(来源:整理自Internet)
新闻类别:行业新闻  发布者:tsinfo   发布日期:2010-5-7
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