海工裝備業問鼎國家科技進步一等獎

本刊記者 崔 燕

在今年2月14日召開的國家科學技術獎勵大會上，由中遠船務工程集團有限公司研發的“深海高穩性圓筒型鉆探儲油平臺的關鍵設計與制造技術”項目成果榮獲2011年度國家科技進步一等獎，這是國內海洋工程裝備制造企業首個國家級科技獎殊榮，標志著我國深海鉆探成套裝備設計制造水平實現重大突破，推動了海工高端制造業發展，對國家深海能源開發戰略和國家能源安全戰略產生深遠影響。

“希望1號”確立海工新坐標

談到“深海高穩性圓筒型鉆探儲油平臺的關鍵設計與制造技術”項目，還要從中遠船務集團承接的首個海工訂單“希望1號”說起。這是一個大膽創意的新型海工產品，它顛覆了常規傳統四方型鉆井平臺的結構，以圓筒型的外觀呈現在人們眼前，同時能夠滿足在極端惡劣的海況條件下安全作業。而這只是客戶方提出的一個全新概念。面對這張訂單，作為承建方的中遠船務僅用了32個月的時間就完成了項目設計、生產、調試、試航，以近乎完美的產品質量將客戶的概念變為現實。

“希望1號”鉆探儲油平臺總高135米，圓筒直徑84米，鉆臺高度44.5米，空船重量28180噸，工作水深3000米，鉆井深度12000米，通過八臺推進器進行定位，并配置全球最先進的DP-3動態定位系統和系泊系統，可適應英國北海零下20度的惡劣海況。平臺甲板可變載荷15000噸，生活區可以容納150人居住，居住艙室達到45分貝超靜音標準，生活設施可比五星級酒店。無論從哪一項指標上看，該平臺均屬于當今世界海洋石油鉆探平臺中技術水平最高、作業能力最強的高端領先產品。

據中遠船務工程集團有限公司技術中心副總經理、新加坡籍海工專家徐秀龍介紹，“希望1號”的設計思路和建造技術，完全突破了傳統的設計思路。在整體結構設計、制造技術與工藝、全功能集成制造、抗風浪能力設計、動力定位系統設計等方面均獲得了創新性成果，開辟了我國高端海工裝備制造領域自主研發技術創新的新紀元。

據了解，在成功交付首座圓筒型超深水海洋鉆探儲油平臺“希望1號”后，中遠船務再次獲得了挪威船東的多個同類超深水圓筒型海洋鉆探儲油平臺項目，“希望2號”也已成功交付。

圓筒型鉆井平臺的設計思路

據中遠船務集團海工研發中心高建華、管慶全、吳成恩三位技術專家介紹，作為新一代的超深水鉆井平臺的代表，該系列圓筒型平臺有著顯著的特點和優勢，主要包括船用系統的設計，DP-3動力定位系統，全船電氣及電力管理系統，以及鉆井系統。

常規系統的設計：該平臺的設計匹配要比典型的FPSO的系統復雜。全船總共設計匹配了60多個系統，除包含常規的船舶系統和安全系統外，還設計匹配了鉆井輔助系統和原油儲藏系統，個別系統的設計壓力甚至高達20000PSI。每個系統都是依據特殊的外型結構特點設計的。例如，壓載系統，船體結構外圍0到360度被分割為16個壓載艙，如設計選用通常的壓載系統的傳統設計思維將給生產設計和現場施工帶來很沉重的負擔，通常的設計方法對于一個圓桶型分布的壓載艙是很難在有限空間內布置壓載管路的。所以，該項目的壓載系統采用的是單線閉式循環的設計思想，通過遙控閥門來實現壓載水的注入、排放及調撥。這種設計管路系統簡單，現場施工方便。但需要提供安全可靠的管路閥門遙控系統。再比如消防系統，海洋工程項目對于安全要求非常嚴格，并且在規范中明確規定。該項目對消防系統提出了一種全新的設計思想。將主甲板以下分為4個區域，每個區域由一臺消防泵覆蓋，四臺消防泵出口到達主甲板后再連接在主甲板上的一個環行總管路上，在總管路上用閥門將其隔離，從而實現單個區域消防的獨立性，同時還滿足消防泵之間的相互備用，使幾臺消防泵同時工作。

據了解，全船大約有近600多臺大型設備需要安裝布置，每臺設備的布置需要周全的考慮設備所服務系統的特點，與其它設備及系統的接口關聯，以及操作的便利和安全性等。需要滿足DP-3動力定位要求，所以在設備布置時也需要考慮重要設備的相互備用和物理位置分割是否滿足DP-3的要求。如燃油系統，除在每個機艙單獨設計有燃油沉淀柜和燃油日用柜外，還設計有4個大的燃油儲存柜，而這4個燃油儲存柜及燃油傳輸泵需要依據DP-3的要求分布在不同的區域，即需要有物理位置和A60防火的分割。當一個區域的一個燃油泵失效，不能使這個區域的燃油傳輸系統失效。假如整個區域的燃油傳輸系統失效，其他區域的燃油傳輸系統依然能夠正常工作。為了滿足這個要求，要將4個燃油儲存艙布置在兩個不同的有物理分割位置形成兩個單獨區域，每個區域布置2臺燃油傳輸泵，這兩臺燃油傳輸泵之間相互備用，在安全級別高的區域將這兩個燃油傳輸區域的設備再相互備用，實現DP-3對系統的要求。

DP-3動力定位系統：動力定位系統是指使動力定位船舶實現動力定位所必需的一整套系統，包括動力系統、推進器系統、動力定位控制系統和測量系統等分系統。動力系統又包括原動機、配電板、配電系統；推進器系統主要是指各推進器和控制裝置，以及兼作動力定位用途的主推進器和其他推進裝置；動力定位控制系統是指對動力定位設備進行集中控制的自動化裝置，測量系統系指測量船舶位置和首向的系統。動力定位系統按定位能力不同，分為DP-1，DP-2，DP-3三個級別。該平臺是DNV船級社的DYNPOS-AUTRO，也就是通常說的DP-3定位系統，由Kongsberg公司提供整套控制設備，DP-3動力定位系統的一個顯著要求就是系統設備的冗余和A60物理分隔。

該平臺的動力系統有8臺發動機組，每臺6920kVA，每兩臺分別位于4個不同的機艙中，機艙與機艙之間采用A60分隔，各自的控制系統、電力系統也完全具備A60分隔，分別控制著8臺電力驅動的全回轉推進器。每個機艙對應一個推進器艙，推進器艙之間也相互A60分隔，動力系統與推進器系統的電氣聯接分為4個單元，相互之間完全A60分隔。

動力定位系統分為主DP系統與備用DP系統，DP控制臺由位于集控室的主DP控制臺和DP備用控制室的DP備用控制臺，還有位于推進器艙的本地應急控制站組成。并且將動力定位的設備分別置于兩個A60分隔電氣設備間內，主DP系統與備用DP系統的控制和通信電纜分別敷設在A60分隔的DP電纜通道內。

動力定位控制系統由兩個相互獨立的自動控制系統和一個可選擇聯合操縱桿和手柄控制的手動控制方式組成，參照系統又分為GPS定位、HIPAP定位、MRU定位等，以及其它各種傳感器，如風向、電羅經等。

電氣管理系統：Sevan Driller的控制系統采用的是中央控制原理，全船的控制管理系統主要有中控系統（IAS）、鉆井控制系統（DCS）、動力定位系統、以及內外通和導航系統等。

中控系統又包括船舶管理系統（VMS）、火氣與應急切斷系統（F&G與ESD）、船舶電站管理系統（PMS）三大子系統，并與通風空調管理系統（HVAC）、鉆進控制系統（DCS）、定位系統等有通信接口。船舶管理系統主要是對船上日常使用的壓載、燃油、滑油、海水、淡水、灰水、消防等系統進行控制與報警，并采集其它相關系統如內外通等的報警。火氣與應急切斷系統綜合了危險氣體探測、火警探測和船舶應急切斷系統。也綜合了對全船防火風閘的控制和報警，是全船最重要的安全保障系統。PMS船舶電站控制系統是為滿足DP-3要求的一個獨立控制系統，主要對與發電機組和推進器相關的重要設備的供電進行管理。2號船在1號船的基礎上對中控系統進行了大量的優化和改進，減少了CAT網線的使用，采用主干式環形光纖通信回路，在船上建立了一條信息高速公路，將通信基站直接送到不同的主控站，控制信號A與B直接從通信基站采集，避免了A與B通信長途輸送A60分隔困難的問題，這項國際海洋工程制造的首創技術，得到著名電氣制造商Siemens的高度贊賞。在船舶控制系統中，各系統之間通信信號的匹配，接口的聯接是一個重點，也是難點，該平臺有近14000個報警點。

鉆井控制系統主要是為鉆井作業服務的，控制站位于鉆井甲板的鉆井控制間（DCC）內，并在鉆井甲板上設有一個本地設備間（LIR）用于集中放置一些鉆井設備的電氣控制屏，如BOP、PDPH、DRAWWORK、TOP DRILLER等，該平臺的鉆井控制系統是由AKMH打包提供的，船廠對該系統進行了安裝和調試。

內外通和導航系統與普通船舶無大的差異，最大的特點是將自動電話、Internet網絡、娛樂系統進行了三網合并，節省了大量電纜。

電力系統：該平臺的電力系統較為單一，有4組電力單元，由四個相互之間A60分隔的主配電板室和兩個獨立的鉆井配電板室組成，分別控制全船的用電設備。2號船在1號船的基礎上進行了優化，增加了兩個輔助配電板室和四個推進器室配電板，將配電板分散，更便于就近供電，節省了大量的動力和控制電纜，現場施工更加方便快捷。

該平臺電力系統的另一特點是無應急發電機，任何8臺發電機組中的任何一臺都可以設定為應急發電機，4個11kV高壓配電板組成環形閉合回路，可以并網供電。全船有4個滿足DP分隔的10kVA UPS給發電機組和推進器相關的控制設備供電，另有主100kVA UPS和鉆井50kVA UPS，重要設備都具備主230V電源和UPS 230V電源的雙路供電，完全滿足DNV規范要求。

電力系統各用電設備的合理分配是平臺配電設計的一個關鍵， 對CONSUMER LIST的設計，首先應當考慮在滿足DP-3要求的情況下合理設置配電板，分清4組電力單元各自的側重點，船用設備和鉆井設備、重要設備與非重要設備應合理分開。然后在就近分配電力、平衡負荷的基礎上，兼顧ESD-F&G系統的設計，盡可能讓ESD-F&G系統簡單而富有邏輯性。

鉆井系統：該平臺具有一套全自動的鉆井系統，在鉆井作業時，鉆臺上僅需2名工作人員在司鉆房內即可遠程控制操作所有大型鉆井設備，安全可靠。系統包括鉆井平臺、鉆塔、絞車提升系統、水龍頭、隔水管張緊系統、泥漿循環系統、天車補償系統等等。

首先，說一下泥漿循環系統。其具有清潔、冷卻和潤滑鉆頭；將井中的切屑帶出油井；控制井下壓力；防止井口塌陷；通過返回的泥漿來獲得井下信息等5大功能。

泥漿泵是整個鉆井系統的心臟。該平臺共有4臺高壓泥漿泵，泥漿泵在很高的馬力下從泥坑中吸入泥漿，泥漿被泵送到鉆井平臺上的立管中，經過軟管進入TOP DRIVE，鉆桿，最后到達鉆頭。在噴射狀態下從鉆頭上的孔中噴出，攜帶被鉆頭切下的巖屑從環形空間返回地面。將會再經過油氣分離器除去泥漿中帶出的油氣，振動篩除去里面的比較大的巖塊，除沙器除去沙子等一系列過程，直到泥漿再次回到泥坑。在這個循環過程中，泥漿的一些特性會發生變化，泥漿然后被泥漿混合泵泵送到混合斗，在這里一些比重比較大的物質如陶土，重晶石等被添加到里面，或者通過機械分離的方法除去里面比重比較大的物質。或者進入泥漿處理房添加一些添加劑，以便再次循環。

泥漿泵可產生高達5000磅的壓力使泥漿得以循環，排出總管的設計壓力7500磅，在深水鉆井中甚至達10000磅。在設計泥漿泵的進出口管線和泵的選擇中，應考慮到泥漿在鉆井過程中扮演的角色，有以下3個方面影響到鉆井的穿透性。1、鉆頭上的重量；2、旋轉的功率；3、鉆頭上的液壓力。對于前兩個方面，鉆頭上的重量的增加，旋轉功率的增大，都會提高鉆井的穿透性。但要么成本過高，要么會加大鉆桿各連接處的振動。而對于鉆頭上的液壓力，取決于泥漿泵的容量，鉆桿尺寸，鉆頭孔眼的大小。這就要求泥漿泵能夠產生足夠高的壓力，克服循環過程中的摩擦損失，以高速從鉆頭孔眼噴出，帶走切屑。

其次是隔水套管張緊系統。隔水套管張緊系統是用來解決浮式鉆井平臺在海面上由于海況的變化導致平臺產生搖擺和上下起伏運動的問題。在平臺上采用的是直接作用張緊器，它具有6個張緊器，最大張緊力可達500萬磅，與隔水管移動器成一體化，具有不占用甲板空間、重量輕、重心低等特點。整個系統包括多個氣缸活塞組，蓄能瓶，張緊器連接環，以及控制系統等。最上面的1節隔水套管是滑動連接的，從而保證了它有伸縮的空間.在這節隔水套管上面固定著張緊器連接環，汽缸活塞組的通過連接環掉著隔水套管。汽缸被活塞分割成2個獨立的空間，一個空間充有液壓油和另外一個空間充有壓縮氣體。汽缸活塞組經軟管連接著蓄能瓶和控制系統。值得注意的是，張緊器的張力不能超過整個隔水套管加上BOP的重量加上循環中泥漿的重量的總和,但同時也要提供大約20%至40%隔水套管重量的張力。當平臺有起伏運動時，由于空氣的可壓縮性，隔水套管系統可以補償這部分位移。當然，這個位移是有限度的，它取決于汽缸活塞組的沖程。超過這個限度的話，也會危及到鉆井操作。

還有天車補償系統。該系統是用于解決浮式鉆井平臺在海面上由于海況的變化導致平臺上下起伏導致鉆壓不穩定的問題。在平臺上具有兩種補償器，一種為主動升降補償器AHC，一種為天車補償器DSC，這兩個補償器統稱為Crown compensator。AHC為一根25ft長的雙作用液壓缸，安裝在鉆塔頂部，直接與Crown block相連接，使Crown block與海床有一個相對固定的位置，確保載荷和相對運動變化為最小值。AHC控制系統是基于運動傳感器（MRU）將信號傳遞到電腦，然后由電腦發送信號到液壓系統，通過液壓系統來調節AHC的伸縮量，達到補償的目的，AHC具有一套單獨的液壓單元來為其提供動力。DSC是一個特殊的波浪補償器，由一套頂部鋼結構件，兩臺補償器、雙搖臂裝置、天車、壓縮空氣罐，液壓動力站和一套控制系統組成，安裝在井架頂部的補償器將大鉤載荷直接傳到天車上，獨特的角度使垂直力保持為一個恒定的常數，使鉆壓波動達到最小。通過AHC與DSC這兩套設備的相互配合與工作，才使得真個鉆井過程能夠持續穩定的進行下去。

目前，中遠船務為挪威船東設計建的“希望3號”超深水圓筒型鉆井平臺已上船臺搭載，“希望4號”也已開工。形成了該項目獨有的系列產品市場，國際市場占有率為100%。