中國石油天然氣集團公司海洋工程重點實驗室的特色試驗技術

信息綜括

中國石油天然氣集團公司海洋工程重點實驗室的特色試驗技術

0 引言

隨著海洋石油工程業務的開展，中石油對海上石油開采的投入力度逐漸加大，針對海洋工程的各種試驗需求也逐漸增多。為保障中石油的海洋石油開發，全面提升中石油在海洋工程技術服務領域的核心競爭力，為中石油海上業務的中長期發展與可持續發展提供強有力的技術支持，中石油在2007年將海洋工程重點實驗室納入創新體系框架。海洋工程重點實驗室以中國石油集團海洋工程有限公司的工程技術研究院為主體，聯合中國石油大學 （華東）的海洋石油工程研究所共同組建，于2008年12月正式開始建設，目前已投入應用 （見圖1）。

1 實驗室定位及特色技術

1.1 實驗室定位

中石油海洋工程重點實驗室結合目前中石油海洋主營業務的發展需求，把 “完善技術配套、形成基本滿足渤海灣油氣勘探開發的工程技術需要、形成100 m水深以內海洋工程綜合配套技術、掌握淺海油氣勘探開發工程核心技術、準備深水開發海洋工程技術、在局部擁有自主知識產權的專有技術” 定為實驗室的建設目標，主要圍繞淺海工程技術、海洋工程結構建造安裝技術、水下裝備工程技術、海洋工程地基與基礎和深水結構工程技術等進行了重點建設。

1.2 實驗室特色技術

經過近兩年的建設，海洋工程重點實驗室在原有的試驗技術上進行完善創新，目前形成了波流水槽試驗、海工結構物承載力試驗及基礎土力學特性測試、CTOD斷裂力學評價及焊接工藝評定等數套成熟的特色試驗技術，并已經為在研的一些課題提供了試驗服務與技術支持。

1.2.1 波流水槽試驗技術

實驗室建有46 m×1.5 m×1.5 m（長、寬、深）的波流水槽，可以進行各種規則波、不規則波、潮汐、海流模擬。配有多波束測深儀、超聲地形儀、波壓力傳感器、浪高儀、ADV流速儀、光電測砂系統等 （見圖2～圖5），能夠進行各種工況下的海工結構物波浪力、斷面穩定性、拖航安裝機理、海工結構物基礎沖刷試驗等。

形成的特色技術包括：

（1）海工結構物基礎沖刷機理研究及防護措施。

（2）淺海海底地形三維測繪。

1.2.2 海工結構物承載力試驗及基礎土力學特性測試技術

實驗室同建有6 m×4 m×2.5 m （長、寬、深）土力學試驗池，內部土體可根據試驗需要取自不同海域，配以電液伺服動態加載試驗機，能夠模擬不同地質環境下的海工結構物在波浪、海流、海冰等載荷作用下的結構響應以及進行承載力試驗研究；實驗室配置了土工動三軸循環剪切儀、多功能動力液壓扭轉剪切儀、共振柱測試儀等國際上先進的土力學測試分析設備 （見圖6、圖7），能夠進行海工結構物地基基礎液化研究、小應變下海洋土的剪切模量和阻尼比的測試分析等。

形成的特色技術包括：

（1）海工結構物基礎承載力試驗技術。（2）海洋地基土動力試驗以及液化判定技術。（3）復雜應力下海洋土的工程特性評價技術。

1.2.3 CTOD斷裂力學評價及焊接工藝評定技術

實驗室配有低溫沖擊試驗機、微機控制電液伺服萬能試驗機、水下電焊機、熔滴過渡高速攝影系統、大型光學金相顯微鏡等設備 （見圖8、圖9），可以對海工結構物焊接接頭進行CTOD測定，結合相關斷裂力學標準，進行焊接結構的安全性評估；通過對不同母材焊接性的分析，匹配合理的焊接工藝參數，進行焊接接頭的各種力學性能試驗，完成焊接工藝評定。

形成的特色技術包括：

（1）CTOD斷裂力學評價技術。

（2）焊接工藝評價技術。

（3）K T Y特殊節點自動焊技術。

1.2.4 全尺寸海底管道疲勞試驗技術

實驗室在建設過程中試制了一套全尺寸疲勞試驗機，采用多點協調加載技術，可以進行直徑為100～610 mm的全尺寸海底管道疲勞試驗 （見圖10）。目前，國內海底管道的疲勞性能研究是通過小構件疲勞試驗進行的，這在一定程度上改變了鋼結構的殘余應力形式。實驗室所試制的全尺寸疲勞試驗機可以對真實尺寸的海底管道進行疲勞試驗研究，為國內首套用于海底管道全尺寸疲勞試驗的設備。

1.2.5 水下高壓環境下海工結構物強度檢測技術

實驗室在建設過程中試制的深水壓力模擬系統由工作壓力為15 MPa和30 MPa的兩個壓力艙組成，其中1515壓力筒內徑1.5 m，總長3 m，可以模擬1 500 m水深；1030壓力筒內徑1 m，總長2 m，可以模擬3 000 m水深 （見圖11、圖 12）。利用該設備可以進行深海探測儀器、取樣設備以及作業裝置等海工結構物在高壓條件下的水密性檢驗、承壓強度檢驗、壓潰試驗、疲勞試驗等。

2 實驗室建設經驗總結

實驗室結合中石油海上主營業務的需求，兼顧未來我國海洋油氣開采的長遠發展，在建設過程中總結了一些寶貴的建設經驗，期望能為今后實驗室的完善以及國內外同類實驗室的建設提供參考。

（1）重視新技術的追蹤和應用。實驗室十分注重新技術的發展與應用，在研制的海工結構物基礎沖刷試驗模擬系統中，首次采用了可連續行走進行地形數據采集的超聲探頭；試制了國內首套全尺寸疲勞試驗機；在國內首次嘗試采用了自動加載控制以及自動縮緊結構的臥式高壓艙。

（2）充分利用現有試驗條件。實驗室在原有波流水槽的基礎上試制拖航測車，與造流系統聯合使用，可以進行海洋平臺拖航定性研究，同時可以替代傳統的循環水槽進行螺旋槳敞水試驗等；將CTOD測定技術與斷裂力學相結合，在原有力學試驗機的基礎上形成了焊接工藝評定技術。

（3）數值模擬能力開發。實驗室十分注重數值模擬與試驗相結合，互相驗證，在建設中引進了有限元計算、水動力分析、海底管道設計、機械設計仿真等軟件，并在使用中對其進行二次開發，拓展其功能，目前已經成功開發了SACS和ABAQUS接口、Hydrostar和ABAQUS接口等程序。

中國石油集團海洋工程重點實驗室 姚志廣 秦延龍 供稿

2010-08-25