1、海洋工程概论论文15 级海洋工程与技术 黄嘉荣内容概论：本文就我国的海洋工程发展现状，趋势和前景进行分析和探究，了解到我国的海洋工程技术发展的迫切需要和未来的发展空间。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范围，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。海洋工程研究范围有海洋环境动力学，海洋工程结构物设计研究，海上施工技术，以及大部分的船舶工程。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：沿岸结构物和近海建筑物。一我国海洋工程的发展现状。1.我国海洋石油工程。我国海洋石油工程
2、具有巨大的发展潜力，我国海域辽阔，海安县长达 18000多公里，海域面积 472.2 万平方公里，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 以内的水域占很大一部分，作业条件优于北海油田（其水深在100m300m），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：1.我国近海石油地质条件较为复杂，如渤海油田的近
3、岸滩涂地区。2.原有性质特殊，轻，中，重三种油质中，中质和重质油储量可能会多一些。3.国际油价起伏不定，不时处于疲乏状态。4.海况条件比中东等地区差，台风，海冰，地震影响较大。另外，较于其它英，美发达国家，我国海洋石油工程正处于落后的阶段，表现在平台设计，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。我国海洋工业开始于上世纪 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始在 100m 左右水深的范围内进行。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 5002000m
4、,而我国目前还不具备在这样水深海域进行油气勘探和生产的技术,因此迫切需要发展深海油气勘探和开发技术。鉴于此,由国家发展改革委员会牵头,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 个区块开始向全球招商,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始建造 122m(400ft)深水钻井平台,并正积极准备建造 1500m 作业水深的半
5、潜式平台。中国石化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,计划在 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,达到年产天然气 80 亿100 亿 m3 的目标,满足上海、浙江等东部沿海地区能源结构优化和经济发展的需要。2. 海洋工程的研究成果和发展 近几年围绕着海洋石油生产中出现的若干问题,我国工程界积极组织开展相应的研究工作,在环境、载荷、结构、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
6、提高,开采的范围也逐渐从浅海向深海发展,并正在以下几个方面进行深入的研究。1.深海石油平台技术的研究 深海石油平台的设计、建造及相关技术是深海油气资源开发中的关键技术之一,了解和掌握国外深海平台的建造和使用情况,探讨国外深海平台设计和使用中积累的经验,对我国海洋油气开发具有重要意义。对深水开采,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结构形式,如混凝土结构和浮式结构。典型的浮式结构是 FPSO、半潜式平台、张力腿平台(TLP)和 SPAR 平台。 目前,我国海洋工程界对 FPSO 与半潜式平台的了解较多,技术也相对成熟。而对 TLP 和SPA
7、R 平台却了解较少,也没有设计、建造和使用的经验。因此,目前的研究重点将是 TLP 和 SPAR 平台,研究的项目主要有:(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)平台的结构强度与有限元技术;(4)平台的结构疲劳强度与断裂;(5)平台的检验技术等。2.推动风险分析与综合安全评估技术在生产及检验中的应用 海洋平台结构复杂、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结构,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、地基土冲刷和基础动力软化、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
8、结构构件和整体抗力的衰减,影响结构的服役安全度和耐久性。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安全性。随着对海洋平台复杂性的深入了解,越来越认识到海洋结构物结构性和系统性的风险分析的必要性。历史上曾有多次海洋平台的事故,造成了重大的经济损失和不良的社会影响。例如,1965 年英国北海的/海上钻石 0 号钻井平台支柱拉杆脆性断裂导致平台沉没;1968 年/罗兰角0(Rowland horn)号钻井平台事故;1969 年我国渤海 2 号平台被海冰推倒,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 年北海Ekofisk 油田的 Alexand
9、erLKielland 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,同时也促使国内外石油部门更加努力研究海洋平台安全管理的关键科学问题。3. 老龄平台的延寿评估与检验技术 目前随着海上油汽田开发的继续,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,需要重新利用。再有,为了最大限度的发挥结构潜能,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
10、平台的安全,最大限度的发挥其作用,降低成本是必须解决的问题。为此,为保证平台结构的安全、可靠,需制定平台结构的安全保证计划,以保证平台安全。整个安全保证计划包含:(1)平台的结构安全评估;(2)结构的检验(包括清除海生物、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)对受损结构进行更换、修复和加强;(6)对个别无法进行更换和加强的受损结构,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、维修及评估计划,编制平台使用、检验、维修及评估手册;(9)建立
11、平台的应急反应系统。2.我国海洋环境。1.海洋地貌。结构简单的，大陆架，大陆坡和大陆裙三部分组成大陆台阶，其外面就是大洋底。结构复杂的，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部分，深度一般在 200m 以内。是目前钻探与开采海底石油活动最活跃的区域。大陆坡从大陆架外缘开始，深度在 18002000m 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 20004000m。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。
12、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。2.风。风对海洋工程的影响主要体现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发展形成的急速旋转的气流运动。海洋工
13、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。3.海浪。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。4.海流。海流对海洋工程的结构有直接作用，影响其强度和稳定性。设计海洋工程的水下部分，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。2.风海流，是由作用与广阔海面上的风力引起的海流，通
14、常把一年四季中流向上与流速大致相同的海流称为漂流。3.密度流，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。5.海冰。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内陆浅海，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：1.改变冰排的破坏方式。2.调节结构本身的动力特性。3.利用与冰力反相位的外部震荡力。其次是重力式
15、平台:1.窄侧面沉箱设计。2.全侧面沉箱设计。3.阶梯型重力基础结构设计。2.我国海洋生态环境。1我国海域海水环境质量。 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 46 910、30 030 和 24 700 平方公里，劣于第四类海水水质标准的海域面积为 67 880 平方公里，较上年增加了 24 080 平方公里。2. 海洋沉积物质量状况 。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
16、辖的海域内共有 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。3. 入海口海域污染状况。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 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
17、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。4海洋生物质量状况。目前我国海洋生物多样性状况基本稳定，部分近岸生态系统健康状况不佳。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基本保持稳定，符合其自然分布规律，海草、红树等群落结构保持基本稳定。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基本保持稳定。长江口、苏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健康和不健康状态。栖息地生境丧失、富营养化
18、严重、生物群落结构异常是造成典型生态系统健康状况不佳的主要原因。5. 我国海洋污染的成因。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。二海洋工程的发展趋势 。1. 深海平台技术的研究 。目
19、前已探明的世界海洋石油储量的 80% 以上在水深 500m 以内, 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, 大部分地区的近海油气资源已日趋减少, 向深海发展已成必然趋势, 深海平台技术已成为国际海洋工程界的一个热点,进行了大量的研究, 新的深海平台结构不断涌现。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激烈竞争的形势下, 须高度重视对深海平台技术的研究。
20、即将投入使用的URSA 张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，当前世界各国都致力于开发新型的深水平台，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可回收重力基础的浮力腿平台”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。浮力腿则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，重力基础可用排除压载的方法回收，整个结构可方便地移至另个井位。该结构具有良好的运动特性，建造简单，移动性好，兼具柱型浮标(SPAR)与张力腿平台的优点。该平台工作水深为 915 米的方案不包括上
21、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。我国海洋工业开始于 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始在水深 100 米左右水深的范围内进行。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行油气勘探和生产的技术，因此迫切需要发展深海油气勘探和开发技术。随着向深海的发展，深海作业平台必须提到议事日程上。2. 海底军事基地的研究 。海洋空间
22、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，世界上海底军事基地最多的要数美国和前苏联。美国从上世纪 60 年代就开始制定一系列建立海底军事基地计划，并逐个完成了“海底威慑计划”，“深潜系统计划”、“海床计划”、“深海技术计划”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
23、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、技术的发展，其价值是不可估量的。 3. 超大型浮式海洋结构的研究。在这方面，目前进行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 年开始研制，它由 6 块长 380 米、宽 60 米、厚 3 米的箱型结构焊接而成，上有一条 1000 米长，最大宽度达 120 米的飞机起降
24、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 设计院曾为纽约 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 大型客机在内的每小时 100 架次的起降要求。 在我国，对超大型浮体结构的研究工作几近空白，但这并不是说我国的科学工作者对这方面的国际发展趋势和动态缺乏了解，而是对在我国进行超大型浮体结构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，等待着去发展和创造。未来，我国海洋工程事业必定会越来越好。
