世界海洋工程装备制造业发展报告之三

世界海洋工程装备制造业发展 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 之三 油公司在Snorre油田第一期的开发工作中采用了TLP的设计方案，这是北海区域第一座真正意义上的深水平台结构，它引进了一种简单经济的海洋浮式结构的锚固基础一裙式重力基础，第一次使用轻质紧密型混凝土(LWA)制造大型吸力锚。Snorre平台一共使用了4个混凝土构吸力锚，每个重5200t。经过大量的实验模拟和生产实践，证明Snorre平台的混凝土基座是一种新型经济的海洋浮体结构的基础形式，比较适合软粘土海底地基。Snorre TLP的产权后来划归Norsk Hydro石油公司所有。 1995年，世界上第一座混凝土结构的张力腿平台在北海的Heidrun油田建成，平台的业主是挪威的Conoco石油公司，Heidrun TLP与其他的TLP相比，具有较大的吃水，平台本体和张力腿系统通过结构调整减小了一阶波浪运动，但是结构高阶的Ringing较其他TLP显著。 从1994年到2001年，壳牌石油公司在墨西哥湾相继制造了五座传统 Mars、Ram,Powell、Ursa和Brutus，1999类型的TLP，分别是Auge、 年，BP建成了该公司第一座TLP，这六座张力腿平台接连打破深海采油平台工作水深的世界纪录，其中Ursa的水深更是突破了千米大关，达到了1158m，证明了TLP设计在深水海域的实用性。从吨位上来看，Ursa是世界上目前最大的TLP，排水量达到了97500t。 传统类型TLP是目前世界上数量最多的TLP，占平台总数的一半以上。纵观1990年后传统类型TILP的发展状况，可以看出，传统TLP正朝着更大水深、更大吨位的方向发展。 (2)MOSES Mini LP平台技术发展状况 MOSES TLP是“最小化深海水面设备结构”(Minimum Offshore Surface EquipmentStructure)的简称，这种Mini_TLP是由MODEC公司开发的，设计排水量3000~50000t，工作水深范围300,1800m。 MOSES TLP继承了传统张力腿平台的各项主要优点(例如小垂荡运 61 动等)，同时又 通过对传统TLP的结构进行全方位的改进，创新性地利用各项现有技术，从而以更低的造价提供与传统TLP同样的功能，其主要改进点在于以下各方面: 在平台主体方面，MOSES TLP的平台浮力主要由一个位于平台基座中的浮舱来提供，平台基座位于水面以下深处，形状比较特殊，基座中央为一正方体，每条棱沿对角线向外延伸形成悬臂梁结构，悬臂梁纵截面为三角形，张力腿系统就连接在这四条悬臂梁的顶端，这种特殊的平台基座的设计，能使张力腿系统所受到的动力载荷最小化。立柱与基座连为一体，分别坐落在基座项面的四个边角上。与单柱主体SeaStar TLP不同，MOSES TLP的主体设计仍然沿袭了传统TLP的四角柱结构，据该类平台的设计者Dr Pieter Wybro介绍，立柱之间保持一定距离能够提供给平台上体更大支撑力，改善甲板的受力情况，从而减少上体的建造费用。而与传统类型的TLP比较，MOSES TLP的立柱又要细得多，因此在近水线面处受力面积很小，减少了平台所受到的波浪载荷。为了降低建造成本，MOSESTLP主体采用了平面直角结构的设计，所有的模块，包括立柱都是多面体结构，这使平台主体的制造完全可以使用船厂的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 流水生产线制造，省去了很多建造工艺上的麻烦。 在张力腿系统方面，由于平台主体的特殊设计，降低了平台在“疲劳区域”中的运动响应，从而可以减少MOSES TLP的张力腿系统中的预张力，大大简化了张力腿系统的设计。平台的张力腿系统全部采用标准化部件制造，降低了制造成本。在井口系统方面。MOSESTLP取消了传统的中央井结构。其立管系统是沿着平台外侧连接到安装在平台一端远离中心处的井口装置上，这一改动带来了很大的有利因素:其一，使井口装置尽可能地远离生活区，提高了安全系数;其二，MOSES TLP的偏心式井口装置设计，不但减小了事故发生的可能性，并且在发生故障后，由于立管,井口系统都位于平台外侧，检修也很方便。在立管系统方面。MOSES TLP首次采用一种被动式弹簧立管张紧系统，取代了传统的液压气动张紧系统。这一系统由一系列弹簧组构成，其结构刚度远比一般的立管张紧系统要大，在这种张紧系统的支撑下，立管的活动量只有两英尺左右，大大小于传统TLP上六英尺的立管活动量，显示了良好的稳定性。与传统的液压气动张紧系统相比，被动式弹簧张紧系统造价更低，结构更简单，几乎不需要维护，而且受环境载荷影响也较小。另外，由于弹簧组始终保持张紧状态，因此该系统还具有自动故障防护功能，即使是在发生全面故障的情况下，也不会损失立管，而传统的张紧系统则没有这种功能。在平台上体方面，MOSES TLP的上体采用了低成本的导管架平台甲板设计，重量相对较轻。平台上体和主体结构以及立管张力之间不会相互影响。 另外，MOSES TLP结构简单，安装方式灵活，可适用多种深海作业设备进行安装作业，如SSDV，多功能船、井架驳船等，主体可以直接拖航到安装地点，而不需要特种驳船运输，从而降低了平台安装费用。 世界上第一座MOSES TLP是E1 Paso公司的Prince TLP，该平台于 62 2001年在墨西哥 湾的Ewing Bank Blocks 1003安装下水，水深440m。Prince TLP还是世界上第一座支 3持干树系统的Mini,TLP，设计日产50000桶原油、227万m天然气。Prince TLP主体排水量为13200t，设计吃水34(7m。立柱为矩形截面，共四根，每根的截面尺度为长7m、宽5(5m。基座直径22(9m，悬臂梁顶端与张力腿系统相接，共有4条张力腿，每根张力腿由2条张力筋腱组成。张力筋腱由若干根标准铣加工钢管首尾连接而成，每段钢管的标准长度为89(3m，直径0(61m，壁厚0(021m，连接起来的张 (6m的海底桩基相连。平力筋腱总长度超过425m，下端通过筋腱插座与8根直径1 2台上体为三层甲板结构，甲板总面积达到了4645m，顶层甲板E可以安装一台1200HP的钻塔。Prince TLP的主体钢结构重量只有3000t，提供的有效载荷却达到了5500t，其中甲板重1510t，上体重量3000t，另有555t平台压载。张力腿中的预张力也较传统TLP为小，只有3447t。 (3)ETLP的发展状况 ETLP是Extended Tension Leg Platform的简称，中文译为延伸式张力腿平台。这种新型的TLP设计概念是由ABB公司提出的。相对于传统类型的TLP，ETLP主要是在平台主体结构上做了改进，其主体由立柱和浮箱两大部分组成，按照立柱数目的不同可以分为三柱式ETLP和四柱式ETLP，立柱有方柱和圆柱两种形式，上端穿出水面支撑着平台上体，下端与浮箱结构相连，浮箱截面的形状为矩形，首尾相接形成环状基座结构，在环状基座的每一个边角上，都有一部分浮箱向外延伸形成悬臂梁，悬臂梁的顶端与张力腿相连接。这种延伸悬臂梁结构是ETLP区别于传统类型TLP最显著的特点，其得名也是由此。 ETLP的延伸悬臂梁设计有很大的益处。我们都知道，张力腿平台系泊点的分布范围是影响平台水动力性能的重要因素，在传统类型的TLP上，张力腿直接连接在立柱的边沿，系泊点的分布要受立柱间距的限制，而ETLP的张力腿上端则连接在延伸悬臂梁的外端，相应地增大了张力腿系泊点的分布范围，给予了设计者在选择立柱间距方面更大的灵活性，一座与传统类型TLP具有相同的系泊点分布范围的ETLP，其立柱可以安装到更靠近平台中心处，而立柱间距又直接决定了平台甲板的尺度，所以ETLP可以选择比传统TLP更小更轻的甲板，从而降低了平台的造价。另外，因为TLP平台在码头停泊和拖航这两种状态下，主体处于最不稳定的状态，所以传统类型TLP在选择其主体尺度时，是把平台这两种最不稳定的状态作为设计依据的，而ETLP则省略了对这两种临时状态的考虑，其主体尺度的选择，是按照平台在工作状态下的稳定性来考虑的，相应地缩小了主体尺度、简化了主体结构。然而，在平台的系泊系统没有安装完毕之前，ETLP实际上是处于不稳定状态中的，为了弥补稳性，ETLP采用了一种叫做“临时稳性模块”(TSM)的装置，当平台处于在上述的两种不稳定状态下时，便把TSM临时安装在各条延伸悬臂梁上，以保证平台的基本稳性，平台安装完毕后，再将此模块拆卸下来，恢复平台的正常结构。ETLP在主体设计上的这些改进 63 使得这种平台的耗钢量大大减少，在提供相同有效载 荷的情况下，一座ETLP的钢结构重量要比一座传统TLP少近40,。按照业界通用的一项反映TLP平台承载效率的参数——有效荷载,平台结构重量来计算，ETLP此项参数的数值在西非沿海能够达到1(1,1(2，在墨西哥湾能够达到0(8,0(9，而一座传统TLP却一般只能达到0(65，相比之下，ETILP具有明显的优势。 目前世界上有三座ETLP在建，其中最早落成的一座是ExxonMobil公司的Kizomba AETLP(图3—5)，该平台位于西非安哥拉沿海的Block 15，水深1250rn，已于2003年9月在韩国现代重工安装下水，2004(年开始正式生产，日产原油250000bbl。KizombaA的主体尺度为120m×120m×42m(长×宽×高)，重13000t，上体尺度为 37m，重12000t，平台总重超过58000t。该平台为四柱式ETIP，方形立柱，80m~80rn× 主体通过8条张力筋腱与海底基础相连。 3、张力腿平台(TLP)关键技术研究 1990年后TLP平台技术发展呈现出多样化的特点，该类平台的技术进步并不是一味的追求大水深、大吨位，而是紧密结合实际的需要，致力于发展在不同水深、不同油田规模情况下最合适的平台类型。目前，全世界的TLP已经形成了一套从深水到超深水、从中小油田到大型油田的完整的平台体系，其关键技术研究为: (1)研究张力腿平台的非线性动力响应，尤其是会危及平台安全的长周期慢漂运动，以及高频力和高阶脉冲力。 (2)寻求更为经济有效的张力腿平台结构型式，以适应极深海(2500米以上)海域或极深海边际油田的开发需要。 (3)张力腿(系索)系统的研究，尤其是张力腿的极限承载能力、疲劳断裂以及维 修问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。张力腿平台的锚固基础的研究。 64 (五)立柱式平台(SPAR)技术发展现状与趋势 1、立柱式平台(Spar)的发展概述 Spar平台是一种新型的深海采油装备，Spar技术应用于深海开发已有超过三十年的历史了，担负着钻探、生产、海上原油处理、石油储藏和装卸等各种工作，成为当今世界深海石油开采的有力工具。 在1987年之前，Spar平台仅是作为辅助系统而不是直接生产系统来使用的，或是用作海洋勘探船只，或是用作海上通讯中转站，还被当作海上装卸和仓储中心。 1987年，Edward E(Horton设计了一种专用于深海钻探和采油工作的Spar平台，并申请了专利技术之后，Spar平台才开始正式应用于海上采油领域。80年代中期到目前，Spar海上采油平台得到了蓬勃的发展，成为了当今世界深海石油开采发展的有力工具。 与现有的其它海洋采油平台相比较，Spar平台主要具有三大优势: (1)适宜于深水作业，在深水环境中运动稳定、安全性良好。在系泊系统和主体浮 力控制的作用下，Spar平台相应的六个自由度上的运动固有周期都远离常见的海洋能量集中频带，显示了良好的运动性能。以传统型平台(Classic Spar)为例，其典型的固有周期纵横荡为300,350s，纵横摇为50~100s，垂荡为30s。在Spar平台投入正式生产的十六年问，六座在役平台经历了各种恶劣的海况，还从未发生过重大的安全事故。 (2)灵活性好。由于采用了缆索系泊系统固定，使得Spar平台十分便于拖航和安装，在原油田开发完后，可以拆除系泊系统，直接转移到下一个工作地点继续使用，特别适宜 65 于在分布面广、出油点较为分散的海洋区域进行石油探采工作。另外，Spar平台动态定位比较方便，即使是处于下桩状态，也可以通过调节系泊索的的长度来使平台在水平面上的一定范围内移动，保证在设计位置上。 (3)经济性好。与固定式平台相比，Spar平台由于采用了系泊索固定，其造价不会 Spar平台的造价又要远随着水深的增加而急剧提高。而与张力腿平台(TLP)相比较， 低于现有的张力腿平台，以目前在役的Hom Mountain Truss Spar和 Mad Dog Truss Spar 为例，工作水深前者为1646m、后者为1372m，总体预算(包括平台及海底管线的建造和安装、钻探和完井等费用)前者大约在6亿美元，后者则大约为3(35亿美元。再看壳牌石油公司在1994年于872m水深中建成的Auger TLP项目和2001年在910m水深中建成的BrutusTLP项目，前者耗资达到了11亿美元，后者也有7(5亿美元，与之相比，Spar平台的价格优势明显。 Spar平台凭借这些技术优势，成为了世界各国研究者和业主眼中的新宠，并迅速完成了从设计构思向实际生产转变的过程。当第一座Spar深海采油平台Neptune平台在1996年建成投产并取得良好的经济效益之后，1998年，Spar的发展开始进入黄金时期，各大公司争相建造新的Spar平台。2003年至2004年的两年间，世界上共有7座新的Spar米油平台建成投产。 2、立柱式平台(Spar)的技术发展现状 现代Spar平台的主体是单圆柱结构，垂直悬浮于水中，特别适宜于深水作业，在深水环境中运动稳定、安全性良好。Spar平台主体可分为几个部分，有的部分为全封闭式结构，有的部分为开放式结构，但各部分的横截面都具有相同的直径。由于主体吃水很深，平台的垂荡和纵荡运动幅度很小，使得Spar平台能够安装刚性的垂直立管系统，承担钻探、生产和油气输出工作。 Spar平台的中心处开有中央井，中央井内装有独立的立管浮筒，具有良好的灵活性。生产立管上与平台上体的控井和生产处理设施相连，向下则一直延伸到海底油井。Spar平台的油气产品有两种输出方式，它既可以通过柔性输油管、SCR立管或项紧张式立管将油气产品直接输送到海底管道系统，也可以将石油储藏在Spar平台的主体中，然后用油轮将石油向岸上运输。由于采用了缆索系泊系统固定，使得Spar平台十分便于拖航和安装，在原油田开发完后，可以拆除系泊系统，直接转移到下一个工作地点继续使用，特别适宜于在分布面广、出油点较为分散的海洋区域进行石油探采工作。 66 最近20年，世界大型海洋工程研发机构对SPAR平台进行了大量的设计和研发工作。当前，世界上在役和在建的Spar，按技术发展分为三代，依次是:传统Spar平台(Classic Spar)、构架式Spar平台(Truss Spar)和多柱式Spar平台(Cell Spar)。 (1)第一代传统式Spar(Classic Spar) 传统式Spar(Classic Spar)，又称为箱式Spar(Caisson Spar)，是最早出现的Spar深 海采油平台，该型Spar平台最主要的特征就是主体为封闭式单柱圆筒结构，体形比较巨大，主体长度一般都有215m，直径都在23m以上。传统式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(Trim,stabilitytank)，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SpaI‘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(Top tentioned riser，TTR)和干集油树(Dry trees)。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 67 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(Keel joint) 的设汁，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)第二代Spar口构架式Spar平台(Truss Spar) 第二代构架式Spar的概念是Deep oil 1"echnology(DOT)公司和SparIntemational 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Nansen,Boomvang油田。Tmss Spar是目前发展最为活跃的Spar海上采油平台，其存役平台数目为9座，其中2003年至2004年间，有6座Truss Spar建成下水。其中包括2004年初安装下水的世界上最大的Spar平台——BP石油公司的Holstein Spar、打破干树型采油平台工作水深世界纪录的Dominion石油公司的Devils TowerSpar、以及世界上第一座采用尼龙塑料系泊索系统的Spar”——BP石油公司的Mad Dog Spar。由丁各种最新技术的采用，到2004年底，新建成的构架式Trhss Spar已在多个方面取得创新性的突破。 68 与传统Spar相比，构架式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。 构架式Spar的设计概念是应用构架结构代替传统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，这个构架部分是一个类似于导管架(iacket:)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。构架式Spar通常由无内倾立腿，水平撑杆，斜杆和垂荡板(Heave plate)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。通过将构架腿柱构件伸长至顶部硬舱壳体结构中，来连接构架和硬舱。硬舱和构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，构架结构、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。构架式Spar平台如图3—7所示。其特点有:?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(Vortex InducedVibration，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。例如平台一Nansen,Boomvang双子Truss Spar系统。 世界上第一座Truss Spar是位于墨西哥湾EastBreaks block 602的Nansen Spar，该平台于(2001年安装下水，并于2002年1月开始正式产油，业主为:Kerr McGee公司。作业水深1128m，主体长165(5m，直径27m。上部封闭式主体长73m，其中干舷高度15m。下部的构架式主体长88m，有三层垂荡板结构，从而将构架式主体分为了四层，上面三层高度都为2lm，最下层高24m。底部压载舱高5m，平台的主要压载由底部压载舱提供，其中注满了压载海水，而且还加入了固体磁铁压载以提高稳定性。 69 Nansen Spar的上体重量为7800t，和Neptune一样，在顶层甲板上可以安装有一台油井维修钻塔。中央井尺度为12m X 12m，可容纳7条项张紧式立管(Top Tension Riser)和8条钢制悬链式立管(SCR)。该Spar采用9条系泊索动态定位，每三条系泊索分为一组，三组系泊索将平台主体与海底桩基相连。 Nansen Spar的姊妹立柱式平台——Boomvang Spar座落在距Nansen仅14(5km的East Breaks block 643，水深1052m，其结构和Nansan Spar几乎完全一样，两座平台轻载重量都为17000t，高峰日产量皆是4万bbl原油和566万m3天然气。Boomvang Spar于2002年6月24日开始正式生产，是世界上第二座Truss Spar。Nansen Spar和BoomvangSpar一起构成了Kerr McGee公司在墨西哥湾的双子星座Spar项目。 值得一提的是Mad Dog Spar采用了尼龙塑料缆绳以取代传统的钢制系泊索结构，此种尼龙系泊缆由英国的Marlow Ropes公司负责制造，总长度约为25609m，临界断裂应力达到了18948kN，是世界上结实的系泊缆。相对于传统的钢制系泊缆，尼龙的系泊缆具有多方面的优势，其中最显著的一点就是尼龙缆绳的重量要大大轻于传统的钢缆，使平台的有效载荷大大提高，降低整个平台的造价。另外，尼龙系泊缆的造价也远低于传统钢缆，安装和运输费用也可以大为节省。当然，由于尼龙系泊缆不具备传统钢缆那么大的位能，所以Mad Dog对传统Spar悬链线形的系泊系统也进行了改进，使其系泊缆和TLP平台的张力腿一样具有一定的预张力，从而形成了一种特殊的斜线张紧系泊系统。 Mad Dog Spar所采用的尼龙系泊缆和Devils TowerSpar。为了适应其超常规水深而采用的特殊材料制造的立管系统，解决了当前Spar平台向超深水域发展的两大难题，必将成为今后Spar平台发展的方向。 (3)第三代Spar多柱式Spar(Cell Spar) 多年来，Spar采油平台以其结构上的优势在世界深海采油领域获得了极大的发展，创造了良好的经济效益，但不管是Classic Spar还是Truss Spar，它们都有一个共同的缺点，那就是体形庞大，造价昂贵，尽管Truss Spar由于采用了构架式主体结构，大大降低了钢材耗用量，增大了半台的有效载荷，但是来自业界的呼声仍然要求进一步降低Spar的造价和体积，提高平台的承载效率。而且Classic Spar和Truss Spar庞大的主体对建造船坞的要求很高，因此，目前所有的Spar采油平台的主体都是在欧洲和亚洲制造，然后千里迢迢的用特种船舶运输到墨西哥湾进行组合和安装，运费昂贵，且不易安装。为了解决Spar平台这些缺点(Classic Spar和Truss Spat。的创造者Edward E(H0rton设计了新一代的蜂巢式Spar(Cell Spar)采油平台，从而将Spar技术又向前推进了一大步。 Cell Spar在结构上最大的不同就是其主体不再是单柱式结构，而是分为若干个小型的、直径相同的圆柱形主体分别建造，然后以一个圆梓形主体为中心，其他圆柱形主体环 70 绕着该中央主体并捆绑在其上，构成的封闭式主体，在主体下部，仍然采用了构架结构，以减少钏材耗用量。Cell Spar比Classic Spar和Truss Spar拥有更小更轻的主体结构，进一步降低了Spar平台的造价和安装运输费用。由于Cell Spar的主体是分为数部分各自建造，每一个圆柱式主体的体积都不是过于庞大，对造船场所要求不是太高，这就使生产商在选择Spar主体建造地点时具有了更大的灵活性，可以大大降低平台的整体造价。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。多柱式Spar垂荡板装在圆柱腿上，能提供较大的垂荡附加质量和附加阻尼。因此，多柱式Spar也是一种低垂荡的秀才不出门合刚性立管。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半台的制造过程中已经使用多年。 世界上第一座Cell Spar是在美国得克萨斯州的Aransas建造的，是Kerr McGee公司的Red Hawk Spar，该Spar主体总长171m，有效直径则只有20m，设计排水量15200t。主体由7个小型圆柱体组成，每一个圆柱体的直径都是6m，封闭式丰体由六个位于外部的圆柱体围绕着一个处于中央处的圆柱体而构成，各网柱体之间相距0(6m，采用钢架结构固定。在六个外部圆柱体中，有三个圆柱体的长度只有85m，而另外三个圆柱体则直下延剑丰体底部，长度为171m。三个外部网柱体在85m以下的延长部分之间通过四层垂荡板结构连接起来，每层垂荡板之间的距离为2l(3m，从而构成了主体下部的构架式结构。 Red Hawk Spar的浮舱位于上部的封闭式主体中，而平台的压载舱则位于三个外部网柱体向下的延伸部分，其中有2250t的磁铁固定压载，其余的可变压载物为海水。上层甲板尺度为40m×33(5m，有效载荷4400t，设计日产量为850万立方米天然气和10000,15000bbl原油，平台将采用6条尼龙系泊索固定于墨西哥湾Garden Banks Block 877，水深1615m，海底基础类型为吸力式基础。Red Hawk Spar的主体于2004年年初完成安装下水。 3、立柱式平台(spar)关键技术研究 目前对Spar平台的研究主要集中在平台动力响应、系泊系统、疲劳分析、垂荡板(Heave plar)和侧板(Strake configuration)的设计研究以及平台主体与系泊系统、平台 71 构件之间的相互作用的耦合分析，同时，浮力罐与支架间的碰撞问题近年来也成为研究的热点问题之一。 同其它形式平台的动力响应一样，对Spar平台运动响应的研究主要考虑垂荡运动、纵荡,横荡、纵摇,横摇、首摇和涡激振荡。对于没有回复力的三个运动——纵荡、横荡和首摇，由于Spar壳体具有柱形结构，所以通常受到很小的首摇激励力，首摇运动因此可以忽略不计。而Spar的半张紧系泊装置使其水平刚度比较火，因此位置漂移比较小。通常在设计Spar时，对于完整系泊状态，要求漂移小于4,水深;对于有损坏的系泊状态，漂移小于6,水深。 (重心和稳心的距离)决定。对于纵摇,横摇运动 Spar的纵摇,横摇刚度由GM值 性能的要求通常来自于立管和顶层模块的设计。一般设计要求在百年一遇的风暴中，Spar的最大组合纵摇,横摇角小于100，纵摇,横摇固有周期在50,80秒之间。Spar的壳体设计通常由对最大纵摇,横摇的要求决定。对于一些海况较好的海域，纵摇,横摇较小，因此壳体设计通常由稳性要求决定。 目前，Spar平台的垂荡运动和涡激振动是两个受到比较广泛关注的研究方向。 Spar的垂向刚度主要来自于它的水线面面积。系泊系统的垂向刚度与静水压力引起的刚度相比可以忽略不计。由于Spar平台的圆柱体形状以及恒定的横截面积(传统Spar)，它的阻尼和自然周期较小，在长周期涌的条件下，将产生一个线性激励垂荡共振运动。从而使得一阶波浪力比二阶差频波浪力变得更为重要。在共振的情况下。垂荡响应会急剧地增大，并会产生纵摇耦合运动。 Spar平台上具有较多的网柱形构件，在一定的雷诺数范围内，旋涡自主体上周期性地脱落，造成作用在弹性主体上的周期激振力，产生涡激振动。这是一种十分典型的流固耦合问题。在旋涡脱落的激振力作用下，如果柱体的自振频率和激振频率接近，就会产生共振，产生大幅度的变形和运动。试验发现，当来流的无量纲速度处于一定的范围内时，旋涡脱落的频率不再随来流速度而增加，而是和柱体的自振频率保持致，从而产生锁定(Lock—in)效应。锁定效应扩大了共振范围，引起结构的大幅度振动，同时由于波浪质点的往复运动，造成圆柱前后都有旋涡脱落，流动和受力情况更为复杂。 对Spar来说，环流和它们产生的旋涡会在海平面下保持较高的速度，存整个Spar壳体上产生很大的应力。涡激振动会对系泊系统和立管产生疲劳损害，减少整个平台的疲劳寿命，同时增大壳体上的拖曳力。试验表明，平台上的圆柱形结构物，如立管、浮筒等最容易受到涡激振动的影响，而且其它形状的构件也会产生不同程度涡激振动。同时，风暴流同样可以使Spar产生较大的涡激振动。 减小波频响应有三种途径:一是增加系统的阻尼;二是增加垂荡自然周期，使之离开 72 波能量的范围;三是减小垂荡激励力。为了增加阻尼，传统Spar壳体上使用了螺旋状的侧板。实验研究表明，通过在Spar壳体上加装螺旋状的侧板，可以有效的减小涡激振动。对于桁架式Spar，除了在它的上部壳体外使用侧板外，在下部桁架部分安装垂荡板，通过垂荡板增大Spar的垂荡附加质量。侧板和垂荡板的研究目前受到了较为广泛的关注。 4、立柱式平台(Spar)技术发展趋势 自1987年全2004年，短短的十七年问，Spar海上采油平台便完成了从理论设计到实际牛产、从实验性试点到规模性建设的巨大飞跃。目前，世界上在役spar六座，另有7座spar采油平台在建，共发展出了三代产品，已经形成了不小的规模。 尽管目前所有的Spar采油平台都位于墨西哥湾，但是Spar技术已经引起了世界各国的广泛注意，近年来，Amoco石油公司、大不列颠石油联合公司、Texaco公司以及其他世界石油工业的巨头都在积极地开展对Spar技术的研究论证，以期能在不远的将来把spar这种全新的采油平台应用到英国的西设德兰群岛、挪威的北海油田、以及西非的安哥拉沿海和南美的巴西地区，从而实现Spar技术全球化的应用。目前，Spar平台不断地采用突破性的新技术，正朝着大水深、高效率、强适应性的方向飞速发展。 (六)海洋供应船 世界海洋供应船的发展历程 世界海洋供应船的主要目的是为海上石油钻井平台提供生产和生活服务，早期的海洋供应船是由拖船演变而来的。当时，拖曳海上钻井平台的拖船和为海上钻井平台提供各项服务的船舶是相互独立的，后来为了提高整体海洋平台服务船舶的经济性，就把供应、拖曳、救助、消防等功能集为一体，演变为现在的专用性海洋供应船。 第一艘专用海洋供应船是美国海事公司在1955年建造的，作业区域在风浪不大的墨西哥湾水域，限于当时的技术水平以及建造能力，第一艘专用海洋供应船，主尺度不大，马力也较小，当时船上只装配了有限的拖曳设备和其他一些简易装备，但已基本形成了现代海洋供应船PSV(Platform Supply Vessel)的雏形。 60年代中后期，欧洲北海海上油气勘探和开采工程迅猛发展，早期的供应船很快在北海暴露出了适航能力差、海上补给困难、不能进行移锚、拖曳等作业的种种缺陷。挪威、荷兰、德国等国在借鉴北欧渔船适航性经验的基础上，重点增强了海洋供应船的操纵性，设计出了能向海上油气开发平台提供抛起锚、拖曳、供应服务的三用工作船AHTS(Anchor 73 Handing Tug Supply Vessel)。 近l0多年来，随着海上油气勘探和开采的范围越来越恶劣及海洋油气开发技术的不断进步，兼有供应、拖曳、抛起锚、对外消防灭火作业、救助守护、海面溢油回收、潜水支援等多种功能的多用途海洋供应船MPSV(Multi Purl)ose Platform Supply Vesel)也就应运而生，当前多用途海洋供应船已成为现代海洋供应船的发展方向，其设备技术和船舶工作性能正受到国际海洋工程公司的极大关注，未来市场潜力巨大。 2、海洋供应船的主要功能和结构特征 现代海洋供应船的丰要功能有: (1)供应功能 海上石油平台每隔一段时间就要由海洋供应船补给给养，海上钻井平台的商业速度在很大程度上不仅取决于钻井系统的电力装备水平，还取决于能否在建井时不间断地供应必须的材料，因此，海洋供应船的供给能力就成了其一项重要的技术经济指标。 当前，海洋供应船主要为海上石油平台供应钻井物资和器材(钻井钢管、钻井泥浆、散装水泥)、集装箱模块、燃料油、轻柴油、淡水、化学试剂等物资和材料。其中钻井物资和器材、集装箱模块等作为甲板货装载在露天主甲板上载货区域内，以方便由海上钻井平台的吊机进行装卸，而钻井泥浆、钻井水、散装水泥、燃料油、轻柴油、淡水、化学试剂等物资则装载于各船舱内或干,湿货罐中。 针对供应功能，海洋供应船普遍为长艏楼、平甲板、无机舱棚的设计，紧凑的驾驶室和船员舱室设在艏部l,3—2,3L范围内，烟囱和机舱通风口都紧靠艏楼后端或直接从艏楼中穿过，艏楼后宽敞载货甲板区域给在海上甲板货的装卸和救助遇难人员作业提供了有利的工作环境。 (2)拖曳功能 海洋供应船的拖曳功能是指其具有拖曳钻井平台、钻井架移位、协助穿梭油轮在海上就位装油、拖曳浮筒。采油船、海驳、遇难船只等的能力。为实现这一功能。海洋供应船上设有拖缆机、拖缆限位眼板、挡缆桩、拖缆挡桩等设备和设施;其中大功率拖缆机是海洋供应船的一项关键设备，通常设在甲板载货区域前部;挪威ULSTEIN和美国MATCO两家的拖缆机系列在开采北海油田和北美油田的过程中不断得到优化，目前占据了世界大型拖缆机市场的绝大部分。 74 海洋供应船的工况很复杂，其中抛起锚,拖曳工况是功率指标设计时的决定因素，但该工况只占供应船全部营运时间的5,，如果不将多功能组合，其功率的利用率势必很低，营运成本会很高，所以海洋供应船普遍设计有轴带发电机和大功率的轴带消防泵。 系柱拖力是反映海洋供应船拖曳功能的首要指标，其与主机功率和推进器的型式有很大的关系。国际上也通常以系柱拖力和主机总功率决定供应船的租船价格。海洋供应船在进行拖曳作业时一般不装载甲板货物。 (3)抛起锚功能 海上移动式钻井装置的定位要依靠被动定位系统的锚泊设备，如“大陆架-1”号半潜式钻井平台配有8只重量各为18吨的大抓力锚，在作业海域风、水流和波浪的作用下，能保证钻井平台相对井轴的位移不超过海深的4,。海上石油钻井平台的移位和钻井定位就是依靠海洋供应船的抛起锚功能来实现，而且一般需要2,3艘船同时作业。钻井平台每次移位都要由海洋供应船先将所有的锚收起，待移到新的钻井地后再将锚抛下。 现在全球60多座钻井装置中，有48座移动式装置可在1000米以上的深水区作业，此外还有32座同等能力的装置处在建造或升级、改装中，预计在近年将陆续投产。伴随着这一趋势，海洋供应船的抛起锚作业区域将进一步扩大，环境也将更为恶劣，因而未来海洋供应船的抛起锚深度将与其系柱拖力一样，成为相互问竞争的又一个焦点。 如VS468 II型三用工作船在建造过程中除加大了尾滚筒尺寸外，还在后甲板上加装了遥控液压伸缩式起重机，反映了当今海洋供应船针对将来深海开发市场竞争的需要所采用的设计趋势。 (4)救助和守护功能 海洋供应船的救助和守护功能是指其以低速巡航于钻井平台附近海域，在钻井平台或为钻井平台服务的其它船只发生意外事故时，提供应急救援，如撤离人员、落水人员搜救、水下切割和焊接、堵漏、事故调查、拖曳失去动力的船舶或起浮的沉船返回港口等。 海洋供应船的救助功能在船体结构设计上体现为，在载货甲板中部设置露天的救捞作业和救生营救区(长度不小于载货甲板长度的三分之一，宽度不小于3米)，中小型海洋 75 供应船一般在后甲板区以“绞盘”字样代表直升机起降区，大型海洋供应船则在艏楼上设有直升机起降平台。一些海洋供应船还在两舷标有以黄色斑马纹作为警示背景的“救助”区域，代表营救落水人员区。营救区内不能有任何管系和舱盖，救生甲板后部常安装有遥控式探照灯和远距离搜索灯具。 海洋供应船承担救助和守护作业后，要求能接纳所守护的钻井平台上的全部人员。 (5)其他作业功能 随着海上油气开发技术的不断进步，海洋供应船的作业功能将更趋于多样化、复杂化。如潜水支援、电缆敷设、维修动力定位等这些更复杂、技术难度更高的作业功能已在新一代海洋供应船上开始广泛地应用。 三、海洋浮式结构物技术发展现状与趋势 随着地球人口的急剧膨胀，陆上资源供应已趋极限，各国都把经济发展的币点转移到海洋。占地球总面积2,3以上的浩瀚大海里，有极其丰富的海水化学资源、海底矿产资源、海洋动力资源和海洋生物资源等。海洋开发将形成如海洋油气工业、海洋化学工业、深海采矿业等一批新兴产业。面对这一形势，国际海洋工程界掀起了研究超大型浮式结构物(Very Large Floating structures简称VLFS)的热潮。所谓超大型浮式结构物(VLFS)是指那些尺度以公里计的浮式海洋结构物，以区别于目前尺度以百米计的船舶和海洋工程结构物，如海洋平台等。一般而言，VLFS可以沿海岛屿或岛屿群为依托，带有永久或半永久性，具有综合性、多用途的功能。它的设置将对某一区域的社会、经济活动乃全政治、军事格局发挥决定性的影响。 (一)海洋浮式结构物发展现状 国外研制VLFS主要出于如下三个主要方面的用途:(1)大量开发和利用海洋资源就必须要在合适的海域建立资源开发和科学研究基地、海上中转基地、海上机场等;(2)当沿海城市缺乏合适的陆域时，可以把一些原本应建在陆地上的设施，如空港、核电站、废物处理厂等，移至或新建在近海海域，以便降低城市噪音和环境污染;(3)在国际水域建立合适的军事基地，以期对某地区的政治、军事格局产牛战略性的影响。 由于VLFS有着广泛的带有战略意义的应用前景，早在1924年，美国就有人设想在大洋中间建造一个大型浮体结构，作为飞机加油站，以实现人类飞越大洋的梦想。这以后对VLFS的构想逐渐活跃，包括建设海上机场、海上城市、海上游乐设施、海上军事基地 76 等等。但它在国际上真正受到重视则始于八十年代后期。 目前，对超大型浮式结构物(VLFS)研究最广泛和深入的国家是日本和美国。日本由于其国土狭小，人口众多，陆地资源匮乏，利用海洋空间和海洋资源一直是日本政府十分重视的发展领域。从六十年代初期到七十年代中期的十五年时间内，日本政府建立了许多与海洋开发相关的软、硬件设施，如成立专业委员会、研究所、研究中心、海洋环境数据中心以及配置大型计算机、实验设备、研究开发软件等。从七十年代中期至今的:十年时间内进行了许多海洋开发基础技术的研究。日本借助于填海，建造了许多人T岛，然而填海的经济水深是20,30m，因此，只有很少的海域可以利用。另外，填海对环境的影响近来也日益受到重视。由于需要的是空间而非一定要陆地，从这一角度，利用超大型浮式结构物也是可行的。而且，从经济性角度来看，超大型浮式结构比人工岛有明显的优势。早在1973年，为了研究Kan sai国际机场采用浮体结构系统的可能性，在日本船舶工业协会中设立了技术研究委员会，并于1979年提出了Kan sai国际机场作为浮动机场概念设计的建议，虽然最后日本运输省决定填海修筑(Kan sai国际机场，但却为超大型浮体结构的研究打下了坚实的基础。从1986年起，在日本还开展了为期五年的半潜式浮体结构的海上试验。1995年阪神大地震之后，日本政府更加体会到超大型浮式结构在防震抗震方面的优越性，就超大型浮式结构设立了正式的研究 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ，联合高校、企业和研究机构的力量进行了广泛的探索，并建立了大型浮体研究协会，具体负责超大型浮体结构的试验，积累了很多有价值的数据。1996年在日本专门召开了第二届超大型浮式结构物的国际会议。1999年8月4日在日本神奈川县横须贺港海面建立了一个海上漂浮机场。这个海上漂浮机场是1995年开始研制的，它由6块长380m、宽60m、厚3m的巨型钢铁漂浮箱型结构组成，有一条1000多米长，最宽处达120m的起降跑道。该机场将于2000年进行飞机起降试验，成功后将其拆除。有关专家认为，这种机场具有很大的军事价值，战时可以作为支援作战飞机的移动基地。 美国超大型浮式结构的研究也不亚于日本。继1985年在日本召开了海洋空间利用国际会议之后，美国国家科学基金会资助夏威夷大学开始超大型浮式结构研究计划，从事VLFS动力特性的理论与试验研究。1991年和1999年在夏威夷先后召开了首届和第三届超大型浮式结构国际会议。美国W eidlingel‘设计院曾为纽约4号机场设计了FLAIR海上机场方案，面积达6km 2(3600mxl680m)，包括滑行跑道2条，飞行跑道4条，36机组的停机坪和12机组的飞机库，能够满足包括B747大型客机在内每小时100架次的起降要求。l 992年美国国防部启动可移动式离岸基地研究计划(The Mobile O:ffshore Base简称MOB)。MOB是一种多功能、可安置在近海或国际水域的浮动的后勤基地，它是由可自航的若干模块在海上拼装而成，可以为固定翼战斗机和直升飞机提供跑道。最早的MOB概念设计是由休斯顿的Brown&:Root Inc(完成的，根据其设计，每个 77 模块可以10节左右的速度航行，整个MOB的排水量达到677122t，大约可以携带包括车辆在内148400t 干货的和49800t液货。 最近几年，韩国也紧随日本，积极地推进VLFS的研究计划。另外，挪威、英国等也有一些专家在从事VLFS的动态特性研究。 (二)超大型海洋浮式结构物的特点 与一般的海洋T程结构物相比，VLFS具有如下几个特点: 第一，VLFS的结构形式与一般的海洋工程结构物有很大的不同，最主要的特点是其长(宽)度与高度的比值非常大。表3—13给出了超大型浮式结构物与大型船舶主尺度的比较。因为它是一个极为扁平的柔性结构物，它在海洋环境中的弹性响应必须考虑。这一特点使得过去通常将海洋工程结构物的流体与结构响应分开处理的方法不再适用，而必须将两者耦合起来，用七十年代末期发展起来的水弹性理论(Hydr-oelasticity Theory) 进行分析。 第二，常规的海洋工程结构物所占海洋面积非常小，因此，一般都是假定它们处于均匀的随机海洋环境中，因而所有海浪谱均是用波高和周期两个参数来描述的。而VLFS从一端至另一端要跨越数公里，这么长的距离还假定海洋是均匀的，就有可能与实际情况发牛很大的差异。因此，需要建立一种新的随位置缓变的海浪谱，用于作为与VLFS水弹性响应的激励。 第三，由于VLFS的巨大，注定它是一个模块化的结构。 第四，VLFS除了有时需要移动外，一一般来说，必须相对地固定在某一位置，不能让它随风、浪、流任意漂移。因此，系泊装置在浮体结构设计中也极为重要。 第五，与一般的海洋工程结构物不同，VLFS要求的寿命特别长，一般要在百年以上。 由于这些特点，使得VLFS在研制和开发过程中有许多特殊的理论问题和工程实际问题需要解决。而且，实践已经表明，对于这些问题的开发研究，还可以带动和促进许多基础学科的发展，提高整个国家的工业水平。 78 (三)超大型海洋浮式结构物关键技术发展趋势 根据超大型海洋浮式结构物的特点以及国外的研制经验，在开发VLFS的过程中需要解决一系列的理论问题和工程实际问题。 1、选型和概念设计 VLFS通常有两类结构型式:厢式(Pontoon type或Box type也叫Mat—like)和半潜式(Semisublhersible type简写Semisub type)。厢式浮体构造简单，维护方便，日本的“Mega—noat”就采用这种形式。半潜式浮体虽然构造比较复杂，但水动力性能更佳，适宜在较恶劣的海洋环境中生存。半潜式浮体又可分为立柱支撑式(C0lum—suppor’ted type)和立柱下体混合支撑式(Column and lowerhull supportedtype)。美国的移动式海洋基地(Mobile offshore base，简称MOB)就是采用立柱下体混合支撑式的VLFS。最近，人们为了改进厢式VLFS的水动力性能，提出了在厢形主体四周设置半潜式消波堤。因此，如何根据具体的问题选择合适的vLFS结构型式是首先要解决的问题。 选型问题足决策问题，需要全面考虑各种因素。一般来说，选型时需要考虑的因素有:用途;对性能的要求;全寿命期内的经济成本;国内的工业基础;对环境和生态的影响。如何来分析和评价这些因素需要依靠科学的数学模型。这些数学模型的建立是下面所要讨论的大量理论和试验研究的课题。选型后首先进行概念设计，需要确定材料、制造工艺、运输和安装方法以及对概念设计方案进行性能估算、寿命估算和成本估算等。这些确定依据和估算方法的理论基础仍是上面所提到的数学模型。因此，F面所要研究的理论问题与工程实际问题是紧密结合的，两者相互依赖和相互促进，不可对某一方面有所偏废。 2、动力特性预报 根据VLFS的特点，其动力特性的预报方法与一般的海洋结构物有很大的区别，从而决定了它是VLFS研制过程中需要解决的一个重点问题。具体来说，VLFS动力特性的预报需要解决如下几个方面的问题。 (1)VLFS的水弹性响应 在对超大型浮体进行结构设计时，必须知道超大型浮体在波浪中的运动和荷载。传统的海洋结构物(如船舶与海洋平台)运动和载荷的计算方法都是假定结构为刚体，即忽略结构变形对流场的影响。而VLFS的最大特点是柔性非常大，它在海洋环境中的弹性响应必须考虑。这一特点使得过去通常将海洋工程结构物的流体与结构响应分开处理的方法不 79 再适用，而必须将两者耦合起来，用上世纪七十年代末期发展起来的水弹性理论(Hydroelasticity Theory)进行分析。 水弹性的概念最早是在二十世纪五十年代末期从空气弹性学中引进的，当时定义为:水弹性是考虑到惯性力、水动力和弹性力之间相互影响的一种现象。直到1979年，Bishop and Price提出“船舶水弹性理论”后才受到广泛关注，并且形成了力学的一个新的分支一水弹性力学。水弹性力学是研究流体(水)与固体相互作用的一门力学学科，它需要考虑惯性力、水动力和弹性力的耦合作用， 把水动力学的方程和结构动力学的方程联合起来求解。水弹性力学的核心是考虑各种不同类型力之间的相互耦合作用。不论导致流固系统运动的来源如何，一般而言，作用于结构湿表面上的流体压力将使结构的动力状态发生改变，反过来， 结构的运动和变形又使周围流体的压力场、流动及波形发牛变化。水弹性力学不仅概括了结构与流体两个领域中各自的全部动力学问题，还必须处理它们之间的耦合问题。因此，它是一个典型的交叉学科问题，它远比水动力学和结构力学单方面的问题要复杂得多。 超大型海洋浮式结构物提供了一个非常典型的水弹性力学应用例子。水弹性理论的皋本方程从形式上看非常完美，但它的数学求解相当困难，如何高效地求解如此庞大的结构物的响应，无论是对计算数学理论还是计算机技术都提出了许多需要解决的问题。反过来，这些问题的解决又可以大大地推进整个社会科技水平的发展，对其它行业也带来不可估量的好处。 (2)VLFS的非均匀海洋环境的激励 常规的海洋工程结构物因所占海洋面积非常小，因此，一股都是假定它们处于一个均匀的随机海洋环境中，因而所有海浪谱均用波高和周期两个参数来描述。而VLFS从一端至另一端要跨越数公里，这么长的距离还假定海洋是均匀的，就有可能与实际情况发生很大的差异。因此，需要建立一种新的随位置缓变的海浪谱，作为VLFS水弹性响应的激励。这种新谱如何建立，在理论上本身也是一个挑战，尽管已有许多人意识到这一问题，但有关这方面的研究工作还很少。到目前为止，几乎所有VLFS在波浪中的水弹性响应均是假定在均匀的海浪条件下的。一旦采用这样的新谱，过去的水弹性基本方程都要重新修改，此时响应如何计算又是一个全新的数学问题。这种非均匀波浪场对VLFS的水弹性响应甚至结构的安全性带来什么样的影响等，都需要重新研究。VLFS的风载荷也有类似的问题。其次，由于结构的柔性以及环境的不均匀性，VLFS的响应是非线性的，而且非线性的程度可能较高，除了目前已经研究的二阶力外，三阶、四阶甚至更高阶的力可能对结构的安全性仍有较大的作用，如何计算这些高阶力是一个非常复杂的非线性力学问题。因此，对于VLFS这样一种特殊的海洋工程结构物，为了比较精确地求解它在海浪中的动态特性，有一系列理论问题需要解决， 对于这些理论问题包括数值计算问题的研究可能给学科的 80 发展带来意想不到的好处。 (3)VLFs连接构件上的载荷 由于VLFS的巨大，注定它是一个模块化的结构。模块与模块之间如何连接是一个实际的工程问题，但给定连接方式后如何计算连接构件上的动态响应则是一个很重要的理论问题。对于VLFS来说，连接构件将是危及其自身安全性的一个重要因素。因此，精确地计算不同连接方式下的连接构件的动响应是连接构件设计的理论基础。目前，关于连接构件方面的研究较多，连接构件的形式以及刚度对连接构件上的载荷以及整个VLFS系统的动响应都有明显的影响，需要加以仔细研究。 (4)VLFS系泊装置的动力响应计算 VLFS除了有时需要将其移动外，一般来说，必须相对地固定在某一位置，不能让它随风、浪、流任意漂移。因此，系泊装置在浮体结构设计中也极为重要。常用的系泊装置有打桩系泊及锚链系泊。与连接构件一样，系泊装置的动力响应计算也是设计的理论依据。但它与连接构件又不同，系泊装置通常是由上百根桩柱或锚链组成，在流场中它们是相互干扰的。因此，它是一个大规模的多体水动力学问题，其动态响应的计算是相当困难的。因此，它也是VLFS研究中的一个重点。 (5)带有半潜式消波堤的VLFs的动态特性分析 最近，人们为了改进厢式VLFS的水动力性能，提出了在厢形主体四周设置半潜式消波堤。如何分析带有半潜式消波堤的VLFS的动态特性也是非常复杂的水动力学问题。在一般的海洋工程结构物中没有这样的问题。 (6)VLFS在海啸,孤立波作用下的动响应分析 海啸是由海底的地震引起的，水深越浅海啸波高就越高，从而导致浅水中的长周期波。这个波对VLFS的运动和系泊力有很大影响。VLFS与孤立波的相互作用也需要研究。当水深较小而波高很大的时候，孤立波易破碎。孤立波的破碎在峰与谷处会产生很大的弯矩，这一点在设计中应当考虑。高强度地震的地域震宽较大，在设计VLFS的抗海啸能力时，除了考虑最大海啸高度外，还必须考虑设计海啸的地震位置和宽度所产生的不利影响。 因为海浪冲击是一非平稳过程，VLFS结构对海浪冲击的响应必须考虑为一个时域问题，这个问题包括对在浅水中由于海底垂向振动引起VLFS上的压力分布的研究。研究表明，在这种情况下箱型VLFS结构的垂向振动几乎与输入的海底加速度相等，但响应作用在VLFS上的弯矩则较小。 在海啸过程中由于孤立波引起的系泊力变化也可能很重要。模型试验表明对于孤立波 81 的弯曲响应和垂向变形在性质上与风引起的短周期波下的响应是相似的。消波堤可以消除孤立波，从而减少系泊载荷和VLFS的弹性变形。 (7)快速高效的VLFS动力特性数值计算方法 由于VLFS的巨大，它可能是由数百个模块采用柔性连接拼成，另外，固定或支撑VLFS的桩腿数量也非常多，有时可达上万个。对于这样大规模的水弹性响应计算问题，常规的水弹性响应计算方法是不行的，必须开发快速高效的数值求解方法。一种思路就是将VLFS划分成几个较小的子结构，先进行求解，然后采用某种“自由度凝聚”技术，缩小整体系统的求解规模。 用于计算由大量基本单元组成的半潜式VLFS波浪力的层次相互作用理论可以在线性势流理论的框架内解决多浮体之间的水动力相互作用。用这种方法也可以有效地研究在某个临界波数时的水动力共振的可能性。 如果将波浪场考虑成非均匀的，采用随位置缓变的波浪谱作为VLFS的激励，则对于这种复杂的水弹性响应的求解将对数值计算方法提出更高的挑战。 (8)VLFS动力特性的模型试验技术 任何一个理论的发展都离不开实验的验证。从上面的分析中可以看到，通过对VLFS动力特性的深入研究，可以发展许多新的理论和方法。这些理论和方法当然也需要进行实验验证。实尺度或大比例模型的海上试验固然是最佳的验证手段，但其代价太大，不可能进行很多。因此，在水池中进行小模型试验仍然是主要依靠的对象。由于VLFS结构物庞大，来波波长相对较小，模型比例的选择和相似条件都可能需要重新研究。模型大，要求大的水池和大的造波、造流能力， 甚至很大的测力机构，条件不一一定允许，或者很不经济;模型小，波浪短，波高小，造波困难，测量精度降低，或者波浪很容易破碎，流体和结构的模拟条件遭到破坏，尺度效应严重。因此，如何设计合适的模型进行试验以验证VLFS的分析理论和计算方法，本身就是一门科学，需要进行系统的研究。如果再考虑非均匀海洋环境条件这一特点，则水池试验更加复杂。在造波技术方面，也是一个挑战。 3、设计和建造 目前VLFS的设计还没有完整的规范可以遵循，主要是根据功能的要求先进行设计，然后采用直接计算法或模型试验法对结构的安全性进行评估。如何建立相应的设计规范和开发快速方便的设计软件一直是研究的重点。同时，它与其它方面的研究进展也是紧密结合的。开发合适的VLFS建造技术也是十分重要的。例如，美国的MOB建造，对于相同的结构就需要几个船厂共同承担，因为没有单个船厂可以在合理的时间内承担所有单元的 82 建造任务。因此，模块化、多船厂制造和近海岸安装对制造MOB来说十分重要。因为模块的数量非常大，建造活动也很多，最好采用仿真的 办法 鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载企业年金办法下载企业年金办法下载 对生产的可行性进行验证。另一方面，近海建造技术对VLFS的建造是有帮助的，一项特殊技术是预先制造单元在现场的“漂浮连接”。漂浮连接的第一步就是“拉住和扎紧”，这是近海工程特有的一个特征。 存近海建造VLFS过程中的连接操作可能在露天条件下进行，必须采取良好步骤进行水密和抽真窄。板的单面和双面焊接，需要钻到结构的底部把它们装在一起。水下连接技术对维修保养也很重要。好的水下连接方法需要开发，同时考虑其成本和可靠性。湿焊是VLFS现场连接的一种方案。湿焊也可用于维修保养。由于周围水的影响，与干焊相比，湿焊的机械性能较差。在湿焊时，一个精心设计的水幕包在喷嘴周围可以改进机械性能。机械化的湿焊机也需要开发。 另外，每个模块的尺寸事实上也是相当大的，从船厂到加工现场的运输也有不少问题需要解决。 4、可服役性、耐久性和可维性 最近对VLFS在波浪中的弹性变形研究表明，VLFS边缘上的垂向位移大于其它部位。这一点对可服役性来说很重要。一种减小VLFS位移的方法是在其四周建造消波堤。另一种方法是在VLFS底部悬挂一块浸入水中的板，或在VLFS的边缘安装浸入水中的墙，系泊系统的主动控制也可以考虑。 当VLFS用作浮动机场时，其姿态控制十分重要。特别是当一个半潜式VLFS在拼装或单元替代时，必须采用适当的姿态恢复和姿态控制的方法。建议一种带主动控制的气动执行机构系统。 VLFS也可能发生由潮汐引起的垂向移动，它可以通过GPS测量，考虑采用补偿位移的主动控制系统。由丁飞机起飞引起的跑道变形有点象波浪形状，与飞机运动方向相同，飞机的附加阻力也随飞机向前移动。飞机的附加阻力是很小的，从最刚硬的跑道的1,到最柔软的跑道的10,。在建造浮动机构时，必须要研究由于飞机起降引起的噪音传输和影响，感兴趣项目有空气等级、结构噪声、从浮式结构上辐射的水下噪声以及涂在结构上的阻尼材料或沥青的影响。如果跑道被铺平则飞机引起的振动和噪声较小。 耐久性对VLFS来说是十分重要的。与常规的海洋钻井平台相比，VLFS要求的寿命极长，有的甚至要超过100年。这样，喷溅区的腐蚀防护就很重要。有些VLFS的设计采用了钛合金衬层。因为钛合金不能直接焊到钢板上，可以采用钛钢复合板。除此以外，浸水区的涂漆和阴极保护 83 也可用来提高耐久性。 VLFS的维护包括结构、社会和功能的安全性，VLFS维护的思想需要集成到整体安全考虑之中。需要明确维护目的、结构生命周期的每一环节、维护策略以及相关的数据库。结构老化的估算方法需要细化以便缩小估算值与测量值之间的差别。在整个服役期内是否适合于继续服役需要不断地评估。 对VLFS的维护来说，经常的监测和检查是必须的。水下部分的检查可以用无人遥控潜水器ROV系统来监测腐蚀和非正常变形。 除此以外，对于VLFS来说，超长期耐用技术的研究除了其本身材料的选用、耐腐蚀保护材料和维护系统以外，在综合考虑这些因素的基础上进行结构动响应的计算和安全性评估也是十分必要的。如果再考虑到在局部受到破坏情况下的生存，其问题就更加复杂。 5、事故载荷及风险评估 VLFS是基础设施的重要部分，紧急情况下的安全性需要得到保证，对于VLFS来说，重大事故主要有来自飞机的撞击和与船舶的碰撞。另外，由于疲劳裂纹引起的淹水、淹水时的应力、甲板上局部结构的屈曲以及随后的逐渐破坏有时也是关心的问题。有些情况下不允许任何的局部破坏，而在另外一些情况下，如果局部破坏不会被扩展，允许在有局部破坏的情况下继续使用。 对于船舶与VLFS如浮桥的碰撞，可以采用各种保护装置。像码头上的碰垫装置一样，保护装置不仅要保护浮桥还要保护来撞的船不发生严重破坏。可以采用一种性能介于橡胶和塑料之间的新型热塑性合成橡胶(Pelp rene)。用eelp rene做成的保护装置用于吸收碰撞时的能量。VLFS浮动机场可以用钢结构制成，然后再铺上混凝土平板，在发生如发动机导流罩的落体冲击的事故破坏时，混凝土铺板也有利于吸收部分能量。 事故情况下的载荷一般来说是很大的，是否将结构设计成具备抵抗事故的能力，需要从经济性和社会影响这两个方面综合考虑，需用考虑事故发生的概率和后果，这就是风险分析的内容。因此，对VLFS进行风险评估也是十分重要的研究方向。 6、环境及生态影响 VLFS是一个庞大的结构物，一旦在某一地方设置，必然对该地区的社会环境和生态环境有重大影响。因此，在进行有关VLFS的选址时，必须考虑如下几个方面对环境和社会的冲击: (1)周围海洋物理条件的改变，如潮流的改变，沉积物的运移，沉淀或累积，沿海水文学(潮流、沿海漂浮物、海滩腐蚀物)和风暴防护。通过物理过程的研究可以确定该 84 处废物到底是积聚还是分散。结构物的安放必须要考虑到底是将VLFS放在积聚(低能)区或分散(高能)区。近海和远海潮汐的改变可能引起沉积物的沉淀。 (2)环境质量的改变，如水和空气的质量，有害物质的排放、沉淀和细菌污染，振动和噪音等。 (3)海洋和近岸生态的改变，包括生态社会结构和功能、海底生物和鱼类资源的损失、海洋资源(包括鱼类和贝壳类)的迁移。 (4)美观的考虑。当VLFS安装在包含一个生态系统的海湾中，残流、流场、水质和温度都会发生改变。如果有消波堤，则这种改变可能更大。吃水与深度比值较小的VLFS对流场的影响明显减小。海面的状态自身也会发生变化，海流场也会对其产生影响。用于研究将VLFS安放在某一生态系统中，其周围水温变化的模拟模型是有的。一个海洋生态系统可能由营养物、浮游生物和海湾中漂浮的有机物质构成。用于VLFS环境评估的生态水动力学模型有两部分组成:水动力学模型和海洋生态系统模型。这些模型如何建立均是目前人们正在研究的问题。 85 第四章海洋工程装备产业发展现状及趋势 一、全球海洋工程装备产业发展现状及趋势 (一)海洋工程装备产业结构 在海洋工程装备产业结构中，需求方也就是买方主要由石油公司和钻探公司组成。供应方也即卖方的类型有工程总承包商、装备集成制造商、专业装备设计公司和配套设备供应商。 石油公司在设备的订货份额约为30,。著名的国外石油公司包括英国石油公司(BP)、墨西哥国家石油公司、壳牌集团、巴西石油公司、雪佛龙石油公司等都有海上油气开采装备的采购支出。国内包括中石油、中石化和中海油三巨头。 钻探公司在设备上的订货份额约占60,。国外著名的公司有Transocesn公刮、Noble钻探公司、ENSC0公司、Diamond海洋公司、Pride国际公司等。国内的著名公司是中海油服。 国外的工程总承包商包括美国J(Ray McDermott、法国Technip、荷兰Heerema等。国内的公司有海洋石油工程股份公司。 国外的装备集成制造商有韩国的现代重工、三星重工、大宇造船与海洋工程公司、新加坡的吉宝岸外与海事、胜科海事、日本的三菱重工等。 国内的丰要的装备制造商有中船重工集团公司、中船工业集团公司、中远船务、烟台莱佛士船业有限公司等。 专业装备设计公司主要足国外的美国友人公司(F&G)、挪威的Aker Kvaerner公司等。 国外的配套设备供应商包括著名的卡特彼勒公司、美国国家油井公司、IdecoDresser、ABB、西门子、GE等。国内能够提供核心配套设备的厂家很少，生产低端产品的企业众多，但技术实力都相对较弱，市场份额也非常低。 86 (二)海洋工程装备的主要客户 海洋工程装备的购置主要集中在几家大客户上，集中度较高。 l、大型石油公司 (1)英国石油公司(BP) 英国石油公司(BP)是目前世界第四大上下游一体化经营的跨国石油公司，业务遍及世界100多个围家和地区，范同包括油气勘探及开采、炼油和营销、石油化学品三个主要领域，还涉及金融、太阳能等其它方面。公司总部设在英同伦敦，现任董事长戴维?西蒙，总经理约翰(布朗。英国石油公司公司是世界上公开上市的筇二大石油公司，其股票在纽约、伦敦、巴黎、法兰克福、苏黎世、东京挂牌上市。 英国石油公司成立于1909年4月，当时定名为英波石油公司。1914年英国政府向该公司投资200万英镑，掌握了50,以上的股权。1921年在英国建立了第一座炼油厂。1935年改成英国一伊朗石油公司。50年代初，公司失去了对伊朗石油的垄断地位，1954年改名为英国石油公司(BP)。 BP公司采取董事会负责制。1996年董事会由董事长、副董事长、总经理、5名常务董事以及8名非常务董事构成。董事会是BP公司决策机构。董事会所做出的决策，由公司总经理和常务董事(他们又是BP勘探公刮、BP石油公司和BP化学公司的负责人)分头负责执行。1997年1月BP公司董事会附设的委员会改为审计委员会、报酬委员会、道德和环保委员会、提名委员会以及必要时设直的股权委员会和结果委员会。BP公司总部人员协助董事会开展职能性工作。 BP公司的核心业务包括:石油、天然气勘探和开发;石油炼制、销售、供应及运输;石化产品的生产和销售。BP公司下设BP勘探、BP石油、BP化学等专业公司。专业公司下面是为数众多的地区性生产企业。BP公司是上市公司，其主要股东有:美国摩根信托公司，占全部股份的25(9,;科威特投资机构(KlO)，占9(7,:FMR，占6(1,。 BP拥有近11万员工，在百余个国家拥有生产和经营活动。BP每天销售相当于640万桶的精练石油产品。2004年BP连续12年实现新的油气探明储量超过当年油气产量，今球拥有2(85万家加油站。 (2)埃克森美孚公司(Exxonmobil) 埃克森美孚是全世界第一大型石油企业，其总部设于美国德克萨斯州。该公司前身分别为埃克森和美孚，于1999年11月30日合并重组。该公司也是埃克森、美乎及埃索全 87 球分公司的母公司。此外，埃克森美孚与壳牌、BP及TOTAL同为全球四大原油公司。该企业在2007年度《财富》全球最大五百家公司排名中名列第二。 该公司在休斯敦设有专门的负责公司油气勘探和开采业务的生产服务公司。 (3)壳牌集团(SheB) 19世纪90年代初，壳牌运输贸易有限公司的始创人马科?森默和森姆(森默兄弟，便已开始把煤油输入中国，并在香港、上海、广州和厦门建立油库。1894年，森默兄弟已用散装油轮运送煤油到上海。同年，荷兰皇家石油公司开始进“Crown”牌煤油到中国。1907年，荷兰皇家与壳牌运输合并业务，成立荷兰皇家,壳牌集团。可以说，壳牌是一个靠运输起家的石油巨头。其中皇家荷兰石油公司占60,股份，壳牌运输和贸易公司(英国)占40,的股份。作为世界上最大的独立石油和天然气生产企业之一，业务遍及140多个国家和地区，每年业务投资达190亿美元左右。壳牌集团石油和天然气产量分别占世界总产值的2(5,和3,。 壳牌在中国发展业务，已超过100多年。迄今为止，壳牌在中国大陆的投资累计超过35亿美元，拥有21家独资或合资企业。壳牌已经成为在华投资最多的国际能源公司之一。 (4)道达尔(TOTAL)公司 道达尔公司是法国目前最主要的石油公司，该公司是1998年11月法国道达尔公司与比利时菲纳石油公司(FINA)合并，及2000年3月道达尔菲纳石油公司对法国埃尔夫公司(ELF)购并这两次交易后的产物。该公司是目前位居世界前列的大石油及天然气公司之一，业务遍及120余国家，员工总数12万多人。 该公司最高机构为执行委员会，下设战略及风险评估部、财务部、人事部三个行政部门及上游(原油和天然气的勘探开发、天然气和电力)、下游(炼制和成品油销售、原油和各类成品油的国际贸易)、化工品三个生产部门。 道达尔公司上游业务在全球拥有员工13000余人，是非洲最大及中东第二大生产商。道达尔公司也是世界最大的液化天然气的生产商之一。 另外，墨西哥国家石油公司、巴西石油公司、雪佛龙等石油公司等都有非常多的海上油气项目。简单情况见表4—l。 88 大型海上钻探公司 (1)Transocean公司 Transocean公司是世界上最大的海上钻采承包商，拥有一支多功能海上钻采装置队伍，可以为客户提供海上油气资源勘探、开采等服务。该公司具有50多年的海上钻采经验，拥有员工2万余人。该公司拥有世界23项钻采水深纪录中的19项，最深纪录是利用超深水钻井船“深海发现号”在美国墨西湾海域为雪佛龙(Chevron)公司钻探的10011英尺(3051米)水深。 口前海上装置分布于世界各大海区，包括美国墨西哥湾、北海、安哥拉、尼日利亚、埃及、中东、印度、印度尼西亚等海域。其中，工作水深超过10000英尺的超深水海上作业装置有1 8座;工作水深在4500,7200英尺的深水海上作业装置有l7座;工作水深在4500英尺以下的非白升式海上作业装置有29座;工作水深在400,300英尺的自升式半台有68座;其他浮式结构物6座。 (2)Noble钻探公司 Noble公司已有87年历史了，如此长的经营历史在海洋钻采承包商中是少有的。该公司凭借其超前的管理理念使公司从1921年只经营1座平台发展到今天成为世界最大海洋钻采承包商之一。 该公司共有移动式海上钻采装置62座，其中5座正在建造中。海上装置分布在全球主要作业海域，包括美国墨西哥湾、中东、墨西哥、北海、巴西、两非以及印度等海域。 (3)ENSCO公司 ENSC0公司是全球著名的海洋石油气开采承包商，为石油公司提供全球油气勘探和开采服务。该公司共有海上钻采装置50座，其中有4座超深水半潜式平台正在建造中，这些装置分别作业在国内外主要油气开采海洋。该公司通过三个主要业务部门对这些业务进行管理:南北美业务部、欧洲与非洲业务部、亚洲与太平洋沿岸业务部。 ENSC0拥有世界上最强大的自升式钻采装置队伍，共有白升式钻采装置44座。自1999年以来，该公司增添了10座超深水自升式钻采装置。先后投资13亿美元用于升级和延长白升式钻采装置队伍的性能和服务寿命。此外，从2001年初开始，该公司耗资2亿美元建造了第一座深水半潜式平台，2005年9月又开始着手订造4座超深水半潜式半台，其中3座完工后将服役于墨西哥湾海域，估计每座费用至少有4亿美元，分别于2008年中、2009年年初和2009年年底交付;另外一座将于2010年末交付，总费用约4(3亿美元。 89 (4)Diamond Offshore公司 Diamond Offshore钻采公司是全球深水钻采承包商的领头羊，已有40多年的全球钻采经验，拥有并经营着一支规模位居全球前列的海洋钻采队伍，包括30座半潜式平台、13座自升式钻采装置和一艘动力定位钻井船。 总部位于美国德克萨斯州的休斯顿，共有员工约4200人，在路易斯安那、非洲、澳大利亚、巴西、印度尼西亚、新加坡和荷兰设有分部。 (5)Pride International公司 Pride International总部位于美国德克萨斯州休斯敦，是全球最大的海洋钻采承包商之一，为全球油气开采公司提供钻采服务。共有员工7000多人。 该公司共有钻采装置62座，分别作业于西非(安哥拉)、拉丁美洲(巴西)、墨西哥湾、地中海以及中东等区域。其中，海上作业装置55座，分别位于西南非洲(2艘超深水动力定位钻井船、l座深水半潜式平台、2座中等水深半潜式平台和1座自升式钻采装置)、南美(4座深水动力定位半潜式平台、3座中等水深半潜式平台)、美国墨西哥湾(11座白升式钻采装置和8座固定式平台)、墨两哥湾(12座白升式钻采装置和2座固定式平台)、地中海和中东地区(1座深水半潜式平台、1座中等水深半潜式平台和2座自升式钻采装置)、印度(2座自升式钻采装置)、韩国(2座单超深水钻井船和l座双超深水钻井船)。此外，还有5艘海上钻采装置正在建造中，包括2座深水TLP、2座深水SPAR和1座深水半潜式平台。 国外主要大型海上钻探公司的装备情况总结于表4—2中。 (三)海洋工程装备建造商 海洋工程产品属于高投入、高风险产品，从事海洋工程建造的厂商除非只进行部分基础模块的建造外，须具有完善的研发机构、完备的建造设施、丰富的建造经验以及雄厚的 90 91