海洋工程概述.docx

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海洋工程概述

海洋工程概述

一般认为海洋工程的主要内容可分资源开发技术与装备设施技术两大部分。

其中，资源开发技术主要包括：

深海矿物勘探、开采、储运技术；海底石油、天然气钻探、开采、储运技术；海水资源与能源利用技术，包括淡化、提炼、潮汐、波力、温差等；海洋生物养殖、捕捞技术；海底地形地貌的研究等。

而装备设施技术主要包括：

海洋探测装备技术，包括海洋各种科学数据的采集、结果分析，各种海况下的救助、潜水技术；海洋建设技术，包括港口、海洋平台、海岸及海底建筑；海洋运载器工程技术，包括水面（各种船舶）、半潜（半潜平台）、潜水（潜器）、水下（水下工作站、采油装置、军用设施等）设备技术等。

主要种类：

随着海运、海防、海洋开发事业的发展，各类海洋工程设施应运而生。

主要的海洋平台的种类如下：

（1）FixedPlatforms（固定式平台）;

（2）CompliantTowers（顺应式平台）;

（3）Semi-submersiblePlatforms（半潜式平台）;

（4）Jack-upPlatforms（自升式平台）;

（5）Drillships（钻井船）;

（6）Floatingproductionsystems（浮式生产储油卸油船FPSO,FPU,FPO…）;

（7）Tension-legplatforms（张力腿平台TLP）;

（8）SPARPlatforms（圆筒形平台）;

（9）Normallyunmannedinstallations（其它）

图1各种类型平台简图

图2WetTrees–FPSOs,Semi-submersiblesandDryTrees-Spars,TLPs

一.FixedPlatforms（固定式平台）简介;

1938年在墨西哥湾首次用栈桥式固定平台钻井采油。

1947平台材料来了一个飞跃，美国在墨西哥湾水深6M处第一次用钢结构建造固定平台。

钢结构平台建造时，先在海岸上把作为平台各腿柱的大型钢管，用横拉筋管和斜拉筋管焊接成高度一般大于工作水深的立体导管架，接着将焊接好的整体导管架用浮筒排筏浮运，由拖轮送至井位，到井位后，再用浮吊将导管架直立吊起，然后下放导管架，使其直立于海底之上，将桩柱通过导管架四周的钢管腿柱的通孔而打入海底的深地层中，使导管架牢固地固定起来，在此导管架上铺设平台甲板，安装钻探设备及人员住室等，即可进行海洋钻探。

图3固定式平台

表1：

GulfofMexicoDeepwaterFixedPlatforms

二.CompliantTowers（顺应式平台）简介

Complianttowersaresimilartofixedplatformsinthattheyhaveasteeltubularjacketthatisusedtosupportthesurfacefacilities.Unlikefixedplatforms,complianttowersyieldtothewaterandwindmovementsinamannersimilartofloatingstructures.Likefixedplatforms,theyaresecuredtotheseafloorwithpiles.Thejacketofacomplianttowerhassmallerdimensionsthanthoseofafixedplatformandmayconsistoftwoormoresections.Itcanalsohavebuoyantsectionsintheupperjacketwithmooringlinesfromjackettoseafloor（guyed-towerdesigns）oracombinationofthetwo.Thewaterdepthattheintendedlocationdictatesplatformheight.Oncethelowerjacketissecuredtotheseafloor,itactsasabase（complianttower）fortheupperjacketandsurfacefacilities.Largebarge-mountedcranespositionandsecurethejacketandinstallthesurfacefacilitymodules.Thesedifferencesallowtheuseofcomplianttowersinwaterdepthsrangingupto3,000ft.Thisrangeisgenerallyconsideredtobebeyondtheeconomiclimitforfixedjacket-typeplatforms.Shellprovidedanartist’srenderingofarecentlyinstalledcomplianttowerintheGOM.

三.Semi-submersiblePlatforms（半潜式平台）简介.

半潜式钻井平台，又称立柱稳定式钻井平台。

它是大部分浮体沉没于水中的一种小水线面的移动式钻井平台，它从坐底式钻井平台演变而来，由平台本体、立柱和下体或浮箱组成。

此外，在下体与下体、立柱与立柱、立柱与平台本体之间还有一些支撑与斜撑连接，下体间的连接支撑一般都设在下体的上方，这样，当平台移位时，可使它位于水线之上，以减小阻力；平台上设有钻井机械设备、器材和生活舱室等，供钻井工作用。

平台本体高出水面一定高度，以免波浪的冲击。

下体或浮箱提供主要浮力，沉没于水下以减小波浪的扰动力。

平台本体与下体之间连接的立柱，具有小水线面的剖面，主柱与主柱之间相隔适当距离，以保证平台的稳性，所以又有立柱稳定式之称。

图4半潜式平台

图5半潜式平台

四.Jack-upPlatforms（自升式平台）简介;

自升式平台由平台体和可以升降的桩腿组成，作业时桩腿支撑在海底，平台升起离开水面一定高度，因此只有桩腿受到波浪和海流的作用，受到的外界负荷较小。

自升式平台的作业水深按作业水域的要求确定，但通常不超过90m。

大多数自升式平台是非自航平台。

拖航时，平台浮在水面上，桩腿高高升起，此时平台如同一艘驳船，应符合各种规则、规范对非自航船舶在海上拖航时，包括完整稳性和破舱稳性及干舷等各种要求。

到达井位后，桩腿下降插入海底，平台升起，进行钻井作业。

现今的自升式平台桩腿数为３根或４根，深水平台采用３条桁架式桩腿。

自升式平台的升降结构主要有两种型式，即液压插销式升降结构和齿轮条式升降结构。

自升式平台的布置与其形状有关，三角形平台的井架总是布置在某一边的中部，而生活区布置在与该边相对的角端，直升机平台则设在靠近生活区附近，矩形平台则将井架与生活区布置在相对的两端边处。

井架及其底座通常为可移动式，拖航时移至平台中间以减少平台的纵倾。

新型的自升式平台，有的将井架及其底座设置在伸至平台外面的悬臂梁上。

由于自升式平台可适用于不同海底土壤条件和较大的水深范围，移位灵活方便，拖船可以轻松把它从一个地方拖移到另一个地方，因而得到了广泛的应用。

目前，在海上移动式钻井平台中它仍占绝大多数。

图6自升式钻井平台

图7自升式钻井平台

图8：

自升式钻井平台

五.Drillships（钻井船）简介;

月池、钻井甲板结构是钻井船与其它用途船舶的重要区别，其承受的井架载荷、立管载荷都很大，须在设计分析中特殊考虑。

钻井船总体运动响应分析。

钻井操作对船体的总体运动要求非常严格，规范规定钻井立管在竖直方向上的偏角不可超过4度。

钻井船的总体运动性能好坏直接决定钻井操作能否顺利进行。

锚泊系统设计与分析。

目前，新型高强度聚酯材料在海洋工程锚泊系统设计当中已开始采用。

该类型锚泊系统具有重量轻、成本低、工作可靠等优点。

动力定位系统研究。

在动力定位系统设计中需要考虑载荷计算、动力定位控制系统数学模型及控制器核心算法、多个推进器之间推力的最优分配算法等问题，并进行整体定位能力分析以及失效模式评估。

由于深海风浪流等条件异常恶劣，动力定位系统得设计与分析具有较高难度。

立管系统设计与分析。

立管系统是钻井船特有的作业系统，由于其结构细长、柔性大，并且承受较大的内外压力和复杂的流载荷，其设计与分析难度较大。

钻井船总体性能模型试验技术。

钻井船模型试验涉及到风、浪、流等复杂边界条件的设定、模型总体运动等响应信号的精确捕捉与分析、DP系统的模拟与控制等问题。

高精度船体施工技术研究。

由于有月池、井架等结构，钻井船的断面结构较复杂，这对船体分段的施工的精度提出了更高的要求。

具体施工方法需要进行针对性研究。

大厚度高强度钢材焊接工艺研究。

由于高强度钢材本身的焊接性较差；同时，由于化学成分复杂，且强度和低温韧性等性能要求很高，焊接工艺技术难度非常大。

另外，由于钻井船结构复杂，大厚度构件较多。

因此，采取有效措施，提高大厚度高强度钢焊接接头的力学性能，尤其是低温韧性，保证焊接接头的强度和韧性满足设计要求对确保钻井船的建造质量有重要意义。

图8：

Drillships（钻井船）

图9Drillships（钻井船）

六.Floatingproductionsystems（浮式生产储油卸油船FPSO,FPU,FPO…）简介;

以油轮为主体的浮式生产系统分为浮式生产储卸油轮（FPSO）和浮式储卸油轮（FSO）2种。

FPSO有多种名称,如浮式生产储油卸油装置、浮式生产储卸油轮、浮式生产储存外输（卸油）船、浮式生产储油装置等。

FPSO的主要特点为机动性和运移性好,具有适应深水采油（与海底完井系统组合）的能力、在深水域中较大的抗风浪能力、大产量的油气水生产处理能力和大的原油储存能力。

FPSO可以与导管架井口平台组合,也可以与自升式钻采平台组合成为完整的海上采油、油气处理和储油、卸油系统,但更主要的是用于深水采油,与海底采油系统（包括海底采油树、海底注水井、海底管汇等）和穿梭油轮组合成为完整的深水采油、油气处理、原油储存和卸油系统,浮式生产设施的应用已很普遍,在全世界已有70多艘FPSO正在操作运行,甚至有取代固定式平台的趋势。

FPSO是把生产分离设备、注水（气）设备、公用设备以及生活设施等安装在一艘具有储油和卸油功能的油轮上,油气通过海底管道输到单点后,经单点上的油气通道通过软管输到油轮（FPSO）上,FPSO上的油气处理设施将油、气、水进行分离处理,分离出的合格原油储存在FPSO上的油舱内,计量标定后由穿梭油轮运走。

FPSO是当前海洋工程的热点之一,之所以热,一是适应水深范围广;二是可重复使用;三是对远离大陆、敷设海底管道成本过高的油田开发优势明显。

因此,FPSO是海洋油气开发模式中较经济的海洋工程形式之一。

但是由于其技术含量高,一些发展中国家尚未完全掌握该技术。

中国船舶工业第708研究所、上海交通大学等单位,正在进行FPSO有关课题研究;上海沪东中华造船集团设立了以FPSO为专题的博士后流动站;中国石化集团所属胜利油田正在着手小型FPSO的研究。

相信不久的将来,我国一定能掌握FPSO的核心技术,建造出具有自主知识产权的FPSO。

图10：

Floatingproductionsystems

七.Tension-legplatforms（张力腿平台TLP）简介;

张力腿式平台是利用绷紧状态下的锚索链产生的拉力与平台的剩余浮力相平衡的钻井平台或生产平台。

一般来说，半潜式平台的锚泊定位系统，都是利用锚索的悬垂曲线的位能变化来吸收平台在波浪中动能的变化。

悬垂曲线链的特征之一是链的下端必须与水底相切，以保证锚爪不会从水底抬起，这样就可保证锚的抓力。

张力腿式平台也是采用锚泊定位的，但与一般半潜式平台不同，其所用锚索是绷紧成直线的，钢索的下端与水底不是相切的，而是几乎垂直的。

用的锚是桩锚（即打入水底的桩作为锚用），或重力式锚（重块）等，不是一般容易破土的转爪锚。

张力腿式平台的重力小于浮力，所相差的力可依靠锚索向下的拉力来补偿，且此拉力应大于波浪产生的力，使锚索上经常有向下的拉力，起着绷紧平台的作用。

张力腿式平台一般用于200m至1100m的海域，最大用于2000m深的海域。

图11半潜式平台

图12张力腿式平台

图13张力腿式平台

图14各种TLP

图15各种TLP

八.SPARPlatforms（圆筒形平台）简介;

Spar平台主要由四个系统组成:

顶部模块、壳体、系泊系统和立管（生产、钻探、输油等）。

顶部模块是一个多层桁架结构,它可以用来进行钻探、油井维修、产品处理或其它组合作业。

用来支撑钻探设备和生产设备的生产钻探甲板及中间甲板与固定平台的甲板很接近,井口布置在中部。

传统Spar的主体是一个大直径、大吃水的具有规则外形的浮式柱状结构。

水线以下部分为密封空心体,以提供浮力,称为浮力舱,舱底部一般装压载水或用以储油（柱内可储油也成为Spar的显著优点）,中部由锚链呈悬链线状锚泊于海底。

主体中有四种形式的舱。

第一种是硬舱,位于壳体的上部,它们的作用是提供平台的浮力。

中间部分是储存舱。

在平台建造时,底部为平衡稳定舱（Trimstabilitytank）,当平台已经系泊并准备开始生产时,这些舱则转化为固定压载舱,它们主要用来降低重心高度。

最后,还有一些压载舱,用于吃水控制。

Spar通过半张紧的钢悬索系泊系统来定位。

系泊索包括海底桩链,锚链和钢缆组成。

锚所承受的上拔载荷由打桩或负压法安装的吸力锚来承担。

导缆孔通常位于硬舱的下部。

系泊结构不仅与载荷大小有关,还与水深有关。

在设计Spar的系泊系统时,通常使其在一根系泊索断开的情况下可以抵御百年一遇恶劣海况。

系泊系统可以预先安装好,在壳体就位后进行连接。

Spar的立管系统主要由生产立管、钻探立管、输出立管以及输送管线等部分组成。

由于Spar的垂荡运动很小,因此它可以支持顶端张紧立管（Toptensionedriser,TTR）和干集油树（Drytrees）。

由于每个立管通过自带的浮力罐提供张力支持,因此立管的轴向载荷与壳体运动解耦,同时使得平台对水深也不是很敏感。

Spar底部接头（Keeljoint）的设计,使得Spar和立管之间可以有相对运动。

浮力罐从接近水表面一直延伸到水下一定深度。

在一些情况下,浮力罐超出硬舱底部。

在中心井内部,由弹簧导向承座提供这些浮罐的横向支持。

柔性海底管线（包括柔性输出立管）可以附着在Spar的硬舱和软舱的外部,也可以通过导向管拉进桁架内部,继而进入到硬舱的中心井中。

2.2　桁架式Spar平台（TrussSpar）

第二代的桁架式Spar的概念是DeepOilTechnology（DOT）公司和SparInternational公司从1996年起经过大量的工作,历时5年后提出的,并于2000年2月份第一次应用于NansenBoomvang油田。

与传统Spar相比,桁架式Spar的最大优势在于其建造时对钢材的用量大大降低,从而能有效的控制建造费用,因此得到广泛的应用。

桁架式Spar的设计概念是应用桁架结构代替传统Spar柱体的中部结构（Midsection）。

作为连接顶部硬舱和底部软舱的结构,这个桁架部分是一个类似于导管架（jacket）结构的空间钢架,同传统Spar的金属圆柱中部结构相比,可以节省50%的钢材。

桁架式Spar通常由无内倾立腿,水平撑杆,斜杆和垂荡板（Heaveplate）组成。

桁架中的管状部件在整个Spar的使用过程中均产生浮力。

垂荡板通常由带支架（Girders）的刚性金属结构组成,通过水平撑杆支撑,它的设计已成为桁架设计的一部分。

通过增加垂直和正交的撑杆来减小垂荡板之间的跨距。

垂荡板的主要作用是增加Spar平台垂直运动的附加质量和阻尼,同时也为顶端张紧立管和刚性立管（SteelCatenaryRisers,SCRs）提供侧向支撑。

通过将桁架腿柱构件伸长至顶部硬舱壳体结构中,来连接桁架和硬舱。

硬舱和桁架结构通常是分开建造的,通过焊接交叉部分的腿柱连接在一起。

在作业时,桁架结构、垂荡板和结点均受到波浪和Spar运动的连续动力载荷。

因此,在结构分析和设计的过程中,必须充分考虑桁架和结点的结构强度和疲劳。

桁架式Spar平台如图3所示。

其特点如下:

·中部结构和软舱部分使用较少的钢材料,建造较为便宜;

·总体吃水减小,使得单部分的建造和运输变得可行（降低了建造和运输的难度）;

·通过阻尼板减小了垂荡运动,在长周期涌中都具有较好的响应;

·由于中部结构为开放式（open）的撑杆,降低了环流造成的拖曳载荷;

·壳体的涡激振荡（VortexInducedVibration,VIV）响应减小了;

·刚性立管可以从开放式的桁架中间穿过而无需穿过硬的壳体。

图16传统Spar平台　　　图17桁架式Spar平台　　图18多柱式Spar平台

2.3多柱式Spar平台（CellSpar）

由于传统Spar和桁架式Spar的主体部分都包含大直径的圆柱体,对建造工艺的要求很高。

因此,一种新型的,被称作多柱式Spar的平台被设计出来,日前正在Texas建造。

多柱式Spar的最大优点在于,同现有的Spar平台相比,它降低了建造难度,经济性较好。

这种新型Spar平台的壳体由一束圆柱体组成,称为Cell,由很多处在它们空隙间的水平的和垂直的结构单元连接起来。

如图4所示。

多柱式Spar的上部结构由六个外圆柱围绕一个中心圆柱组成。

这些上部圆柱提供整体所需浮力。

Spar的下部通过将外圆柱中的三个延伸到底部（延长的部分称为圆柱腿）来构成。

压载舱包含在这些圆柱腿的底部,从而确保平台具有足够的稳性。

同大多数已经投入使用的Spar平台一样,由于浮心高于重心,多柱式Spar同样是无条件稳定的。

垂荡板装圆柱腿上,能提供较大的垂荡附加质量和附加阻尼。

因此,多柱式Spar也是一种低垂荡的平台,适合刚性立管。

由于多柱式Spar没有干集油树,因此,并不需要中心井,在这种情况下,中心圆柱体提供浮力。

在建造过程中,圆柱体由滚压机制成,并通过自动焊接机焊接在一起,同时,内部的环

形加强构件也由相同的自动焊接机焊接到圆柱体部件上。

而这种工艺在压力舱和固定平台的制造过程中已经使用多年。

当需要更大直径的中心井时,可以考虑更多的外圆柱,例如8根或者更多。

但是,多柱式Spar中的其它一些结构的设计还有待进一步的解决。

例如,由于多柱式Spar具有组合外表面,传统Spar上使用的侧板不能应用于多柱式Spar。

图14Spar原理

图15Spar

图16各类Spar

图17各类Spar深度

九.Normallyunmannedinstallations（其它）简介