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海洋工程概论论文
容概论:本文就我国的海洋工程开展现状,趋势和前景进展分析和探究,了
解到我国的海洋工程技术开展的迫切需要和未来的开展空间。
海洋工程,从广义上说,所有涉及货与海洋环境有关的工程都可以归入海洋
工程研究的围,如我们经常谈论的海洋平台,系泊系统,海底管线以及其他开
发海洋资源的设备和工程建筑,如海浪能源转换系统之类的。海洋工程研究围
有海洋环境动力学,海洋工程构造物设计研究,海上施工技术,以及大局部的
船舶工程。
海洋工程,从其所指的建筑物角度来看,实际上包括了两类建筑物:沿岸构
造物和近海建筑物。
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我国海洋石油工程具有巨大的开展潜力,我国海域辽阔,海安县长达18000
多公里,,大陆架为130多平方公里,由于中国沿海
大陆架是世界上最后一批面积大,易于开采而尚未勘探开发的地区之一,而且
水深在120m以的水域占很大一局部,作业条件优于油田〔其水深在
100m~300m〕,已经引起全世界的注目1979年以来,经过我国政府批准,利用
外资,同国外联合开发,已经先后与日本,法国,美国,英国等石油公司签订
了在渤海,南海的北部湾,莺歌海,珠江口盆地的合作勘探开发合同。我国目
前的勘探开发仍处于起步阶段,面临着以下四个方面的挑战:
地质条件较为复杂,如渤海油田的近岸滩涂地区。,轻,中,
重三种油质中,中质和重质油储量可能会多一些。,不时
处于疲乏状态。,台风,海冰,地震影响较大。另
外,较于其它英,美兴旺国家,我国海洋石油工程正处于落后的阶段,表现在
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平台设计,平台材料,平台设备及仪器仪表系统,平台的制作工艺,海上施工
安装等方面。
我国海洋工业开场于上世纪60年代末期,最早的海洋石油开发起步于渤海湾
地区,该地区典型水深约为20m。到了80年代末期,在南中国海的联合勘探和生
产开场在100m左右水深的围进展。现在我国也准备加快南中国海油气资源的
勘探开发,但这一海域水深在500~2000m,而我国目前还不具备在这样水深海域进
展油气勘探和生产的技术,因此迫切需要开展深海油气勘探和开发技术。鉴于此,
由国家开展改革委员会牵头,组织中石油、中石化、中海油三大公司参与,投入大
量资金,共同研究深海海洋油气开发技术。目前,中石油已获批准在南中国海12
万km2的海域勘探和开发油气资源,并以辽河油田和大港油田为基地成立了海洋
石油工程公司。中海油也已获批准在南中国海7万多km2的海域勘探和开发油
气资源,并且已有8个区块开场向全球招商,积极寻求外部合作。另外,其子公司
中海油服股份公司也投入巨资开场建造122m(400ft)深水钻井平台,并正积极准备
建造1500m作业水深的半潜式平台。集团根据国家把东海油气资源开发利用摆
在优先考虑位置的战略部署,方案在2010年前投资240亿元,加快中国东海油气
资源开发利用步伐。到2010年累计将在东海西湖凹陷油气富集带部署90多口
探井,累计拿到天然气探明储量4000亿~4200亿m3,到达年产天然气80亿~100
亿m3的目标,满足、等东部沿海地区能源构造优化和经济开展的需要。
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近几年围绕着海洋石油生产中出现的假设干问题,我国工程界积极组织开展相
应的研究工作,在环境、载荷、构造、检验、维修工艺以及海洋工程设备等方面
取得了长足的进展,海洋石油的开采技术已有很大提高,开采的围也逐渐从浅海向
深海开展,并正在以下几个方面进展深入的研究。
、建造及相关技术是深海油
气资源开发中的关键技术之一,了解和掌握台的建造和使用情况,探讨深水开采,钢质导管架平台的造价会随水深增加而急剧增长,以致在经济上不可
行。这就促使在深海开发中使用新的构造形式,如混凝土构造和浮式构造。典型
的浮式构造是FPSO、半潜式平台、力腿平台(TLP)和SPAR平台。目前,我台的了解较多,技术也相对成熟。而对TLP和
SPAR平台却了解较少,也没有设计、建造和使用的经历。因此,目前的研究重点
将是TLP和SPAR平台,研究的工程主要有:(1)平台的环境载荷计算及环境参数选
取;(2)平台的稳定性与运动;(3)平台的构造强度与有限元技术;(4)平台的构造疲劳
强度与断裂;(5)平台的检验技术等。
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杂、体积庞大、造价昂贵,所处的海洋环境十分复杂和恶劣,风、海浪、海流、海
冰和潮汐时时作用于构造,同时还受到地震作用的威胁。在此环境条件下,环境腐
蚀、海生物附着、地基土冲刷和根底动力软化、材料老化、构件缺陷和机械损
伤以及疲劳和损伤累积等因素,都将导致平台构造构件和整体抗力的衰减,影响构
造的服役平安度和耐久性。另外,操作不当、管理不当等人为因素也直接影响海
洋石油平台的平安性。随着对海洋平台复杂性的深入了解,越来越认识到海洋构
造物构造性和系统性的风险分析的必要性。历史上曾有屡次海洋平台的事故,造
成了重大的经济损失和不良的社会影响。例如,1965年英台支柱拉杆脆性断裂导致平台漂浮;1968年/罗兰角0(Rowlandhorn)号钻井
平台事故;1969年我台被海冰推倒,造成直接经济损失2000多万
元;1997年渤海4号烽火平台倒毁;1980年Ekofisk油田的AlexanderLKielland号五
腿钻井平台发生倾覆,导致122人死亡;以及2001年巴西油田的P-36平台发生倾
覆。这些惨痛的教训给海洋资源开发以很大的警示,同时也促使安管理的关键科学问题。
,以及地质
勘探初期的不确定性,一些导管架平台在到达设计寿命后,由于边际油田的发现,
通常需要延长其使用寿命。另外有些废弃平台由于仍然具有一定的使用价值,需
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要重新利用。再有,为了最大限度的发挥构造潜能,有些废弃平台可以先拆离,然
后装载、运输、更新(如需要)并在新的地方重新安装使用。对于上述情况,如何
保证平台的平安,最大限度的发挥其作用,降低本钱是必须解决的问题。为此,为
保证平台构造的平安、可靠,需制定平台构造的平安保证方案,以保证平台平安。
整个平安保证方案包含:(1)平台的构造平安评估;(2)构造的检验(包括去除海生
物、水下检验、NDT、测厚等);(3)海洋环境条件的调查与确认(海洋风、浪、流
的条件,海底状况的调查等);(4)管节点及关键部位的疲劳裂纹检查与维修;(5)对受
损构造进展更换、修复和加强;(6)对个别无法进展更换和加强的受损构造,确定其
剩余强度和剩余寿命;(7)更新腐蚀防护系统;(8)依据以上数据和结果确定平台的检
验、维修及评估方案,编制平台使用、检验、维修及评估手册;(9)建立平台的应急
反响系统。
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构造简单的,大陆架,大陆坡和大陆裙三局部组成大陆台阶,其外面就是大
洋底。构造复杂的,除了大陆台阶外,还带有一系列的边缘海盆,海盆外缘有
弧形列岛以及岛弧脚下的深海沟等,其外面才是大洋底。大陆架是被海水淹没
的大陆局部,深度一般在200m以。是目前钻探与开采海底石油活动最活泼的
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区域。大陆坡从大陆架外缘开场,深度在1800~2000m之间的区域,坡度较
陡,主要沉积着陆源物质。大陆裙位于大陆坡脚下的坡麓带,它的坡度平缓,
深度约为2000~4000m。大陆裙是一个重要的堆积区,由数千米的沉积物构成。
具有生有条件的海区主要分布在大陆架,大陆坡水域。其中藏油量最大的为大
陆架,其次为大陆坡。此外,在复杂过渡带的海盆与岛弧水域的第三纪沉盆
地,亦具有含油气的良好前景,如我国的莺歌海,北部湾,珠江口外就属于这
类地质构造。
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风对海洋工程的影响主要表达在能够提供动力资源和破坏海洋工程设备这两
个方面。我国海域的主要风系为季风,寒潮大风,台风。季风是由于海洋与陆
地在同一季节里温度的增加与冷却程度不同而形成的。冬季风从陆地吹向海
洋,夏季风由海洋吹向陆地。寒潮大风是由于巨大的高压冷气团南侵,造成温
度剧烈下降,伴随着霜冻与大风的现象,我国主要集中在11月~次年2月。台
风是热带地区海洋上空的热带气旋在适当条件下猛烈开展形成的急速旋转的气
流运动。海洋工程的设计常常需要了解具有一定概率的最大风速,并以某一重
复期的风速特征值作为设计标准。常以50年一遇或者100年一遇的年最大风速
作为设计风速。
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各种海区的海洋工程都会收到海浪的威胁。海浪是静水面收到外力作用后,
水质点离开平衡位置做往复运动,并向一定方向传播的自然现象,风是影响海
浪的主要因素。
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海流对海洋工程的构造有直接作用,影响其强度和稳定性。设计海洋工程的
水下局部,必须考虑海流引起的载荷,对拖航时的拖拽力与停泊理,也要分析
海流的大小和方向。根据海流的成因可将其分为三类。1,。潮汐流,是由潮汐
现象引起的,是周期性的海流。,是由作用与广阔海面上的风力引起
的海流,通常把一年四季中流向上与流速大致一样的海流称为漂流。
流,盐水流等梯度流。是有海水温度,密度,盐度的变化不均匀而引起的海水
流动。
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海冰主要有海水直接冻结而成,也包括由陆地注入海洋中的淡水冰。我国渤
海属于中纬度地区,由于是位于欧亚大陆东端的半封闭陆浅海,受陆地特别是
受极地冷空气的影响严重,所以每年都有冰情出现。海冰造成的事故是非常普
遍的,所以在设计是特别要考虑到海冰的作用。如:冻融损坏作用,膨胀挤压
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作用,静力推压作用,附着冰引起垂向力,动力撞击作用等。抗冰防冰的设
计,首先是导管架平台:。。
。其次是重力式平台:。
侧面沉箱设计。。
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。近年来我国管辖海域海水环境状况总体较好,但
近岸海域海水污染依然严重。2012年我国近海海域符合第一类海水水质标准的
海域面积约占我国管辖海域面积的94%,符合第二类、第三类和第四类海水水
质标准的海域面积分别为46910、30030和24700平方公里,劣于第四类海水
水质标准的海域面积为67880平方公里,较上年增加了24080平方公里。
。我国海洋沉积物监测要素主要包括石油类、重金
属、砷、多氯联苯、硫化物和有机碳,在我国管辖的海域共有581个监测点。
2012年我国近岸海域沉积物质量状况总体良好,沉积物中铜含量符合第一类海
洋沉积物质量标准的站位比例为85%,其余监测要素含量符合第一类海洋沉积
物质量标准的站位比例均在96%以上。
。由于江河携带大量的陆源污染物入海,我国近岸的重点
海域受到不同程度的污染2012年72条主要江河携带入海的污染物总量约1705
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万吨,较上年有所增加。辽河口、黄河口、长江口和珠江口等主要河口区环境
状况受到明显影响。同时我国入海排污口邻近海域环境质量状况总体依然较
差,水体富营养化是入海排污口邻近海域的主要环境问题。75%以上的排污口
邻近海域水体呈富营养化状态,40%以上的排污口邻近海域为重度富营养化。
与上年同期相比,排污口邻近海域呈富营养化状态的比例明显升高。
。目前我国海洋生物多样性状况根本稳定,局部近岸生
态系统安康状况不佳。2012年,海洋生物多样性状况监测结果显示,海洋浮游
生物和底栖生物主要类群根本保持稳定,符合其自然分布规律,海草、红树等
群落构造保持根本稳定。国家级海洋保护区环境质量总体良好,主要保护对象
或保护目标根本保持稳定。长江口、北浅滩等典型海洋生态系统和关键生态区
域生物多样性水平呈下降趋势,变化情况值得关注。81%实施监测的近岸河
口、海湾等典型海洋生态系统处于亚安康和不安康状态。栖息地生境丧失、富
营养化严重、生物群落构造异常是造成典型生态系统安康状况不佳的主要原
因。
。首先,是石油开发对海洋造成的污染,大量的关于
石油的污染物排入海里,另外还有石油事故的发生。其次,是不合理的海洋开
发和海洋工程的兴建,可分为四类:海水养殖、围海造地、海岸工程、深海开
发。再次,是陆源污染,可分为四类:工业污染源、生活污染源、农业污染源
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和陆上养殖污染源。最后,是船舶造成的污染,可分为三类:船舶操作污染
源,海上事故污染源,船舶倾倒污染源。除了这些之外,还有湿地人为破坏、
人口和资源对海洋的压力以及有关部门监管不力等所造成的原因都导致了海洋
污染。
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目前已探明的世界海洋石油储量的80%以上在水深500m以,而全部海洋面积
的90%以上水深在200~6000m之间,因而大量的海域面积有待探明。此外,世
界上除了少数海域以外,大局部地区的近海油气资源已日趋减少,向深海开展已
成必然趋势,深海平台技术已成为国际海洋工程界的一个热点,进展了大量的研
究,新的深海平台构造不断涌现。我国拥有300万km2的海疆,深海油气资源十
分丰富。然而,目前油气资源开发主要是在200m水深以下的海域,深海平台技
术的研究尚处于起步阶段,在面临世界各国对人类共同拥有的深海资源剧烈竞争
的形势下,须高度重视对深海平台技术的研究。即将投入使用的URSA力腿平台
的工作水深将达1250米,然而这些深水平台技术复杂,造价十分昂贵。因此,
当前世界各台,以降低造价。这方面的研究工
作,美国处于前列。例如,美国提出一种“新一代移动式海上钻井装置——带
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可回收重力根底的浮力腿平台〞的设计方案。该方案将甲板及上部设备支撑在
一个很长的单圆柱浮力腿上。浮力腿那么由八组系索固定于靠压载控制的可回
收的重力上。当一口井钻井完毕后,重力根底可用排除压载的方法回收,整个
构造可方便地移至另—个井位。该构造具有良好的运动特性,建造简单,移动
性好,兼具柱型浮标(SPAR)与力腿平台的优点。该平台工作水深为915米的方
案不包括上部设备的总造价为7500万-8500万美元,远低于同样功能的其他形
式的平台。我国海洋工业开场于60年代末期,最早的海洋石油开发起步于渤海
湾地区,该地区典型水深约为20米。到了80年代末期,在南中国海的联合勘
探和生产开场在水深100米左右水深的围进展。目前我国的油气勘探和开发还
没有突破400米水深。现在我国也准备加快南中国海油气资源的勘探开发,但
这一海域水深在500米到2000米,而我国目前还不具备在这一海域进展油气勘
探和生产的技术,因此迫切需要开展深海油气勘探和开发技术。随着向深海的
开展,深海作业平台必须提到议事日程上。
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海洋空间利用的一个重要方面就是海底军事基地的建造,其中包括海底导弹
和卫星发射基地、反潜基地、作战指挥中心和水下武器试验场等等。目前,世
界底军事基地最多的要数美国和前联。美国从上世纪60年代就开场制定一系列
建立海底军事基地方案,并逐个完成了“海底威慑方案〞,“深潜系统方
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案〞、“海床方案〞、“深海技术方案〞等等。譬如,美国设计的陀螺型“水
下居住站〞可供5人小分队在2000米深的海底完成持续20天的任务;建在佛
罗里达的迈阿密东南50海里海底的“大西洋水下试验与评价中心〞可供潜艇和
水下武器试验使用。我国虽然在小型载人潜水器和无人遥控潜水器等方面已开
展了一系列研究,并取得了相关的科研成果,但以军事为目的,能在复杂的水
下环境下隐蔽工作,并能完成多种作战功能的海底军事基地的研究仍处于空
白。然而,作为海洋空间利用的—个重要方面,海底军事基地的开发将会提到
议事日程,它不仅能提高我国军事力量和军事威慑力量,而且也会带来其他配
套科学、技术的开展,其价值是不可估量的。
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在这方面,目前进展最广泛和深入的是日本和美国。日本于1999年8月4日
在神奈川县横须贺港海面上建成—个海上浮动机场。这个浮动机场于1995年开
场研制,它由6块长380米、宽60米、厚3米的箱型构造焊接而成,上有一条
1000米长,最大宽度达120米的飞机起降跑道。这种机场具有很大的军事价
值,战时可以作为支持作战飞机的移动基地使用。美国Weidlinger曾为纽约4
号机场设计了FLAIR海上机场方案,面积达6平方公里(3600米×1680米),包
括滑行跑道2条,飞行跑道4条,能够满足包括13747大型客机在的每小时100
架次的起降要求。在我国,对超大型浮体构造的研究工作几近空白,但这并不
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是说我国的科学工作者对这方面的国际开展趋势和动态缺乏了解,而是对在我
国进展超大型浮体构造的应用前景及研制的必要性和战略意义缺乏认识,在研
究经费上缺乏支撑。
我国的海洋工程方面还是很欠缺,无论是人才还是技术都有一个巨大的提升
空间,等待着去开展和创造。未来,我国海洋工程事业必定会越来越好。
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