从0到1,国产“超级能源碗”建成记
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5月12日,“海葵一号”从中国海油青岛国际化高端装备制造基地离港启运。(张进刚)
“海葵一号”总重近3.7万吨,可连续在海上运行15年不回坞维修。(张进刚)
6月10日,随着最后一根系泊缆回接完成,“海葵一号”在南海“安家”,为我国首个深水油田二次开发项目年内投产奠定了基础。
听到消息,海洋石油工程(青岛)有限公司流花11-1/4-1油田二次开发项目青岛项目组(以下简称“青岛项目组”)工作人员满心欢喜。5月12日,“海葵一号”,这个我国首个自主设计建造的圆筒型FPSO(浮式生产储卸油装置),从中国海油青岛国际化高端装备制造基地启运,离开了它最初的“家”。
作为海上油气加工厂,“海葵一号”船体直径约90米,主甲板面积相当于13个标准篮球场,设计排水量10万吨,最大储油量达6万吨,日油气处理能力约为5600吨,可供90万辆小汽车同时使用,被称为“超级能源碗”。
能源安全事关经济社会发展全局,能源的饭碗必须端在自己手里。
从0到1,建成首个国产“超级能源碗”,标志着我国深水油气装备自主设计建造关键技术取得重大突破,能源资源安全保障能力稳步提升。
中国方案
自主设计建造实现多项创新
“像葵花般在深海绽放”,是“海葵一号”名字的由来,也契合了它的使命。
正式命名前,它被称为“流花11-1/4-1油田二次开发项目”。这是我国首个深水油田二次开发项目。
“设计、建造‘海葵一号’正是为了让老油田焕发‘第二春’,产更多原油。”青岛项目组经理赵山泉说,“海葵一号”由中国海洋石油集团有限公司旗下各单位设计、建造,是我国首个自主设计建造的圆筒型FPSO。
青岛项目组负责“海葵一号”的加工设计、建造工作。赵山泉的办公室贴满了“海葵一号”的各类加工设计图纸,白板上记录了从开工到完工交付一个个重要时间节点。
自主设计建造国产首个圆筒型FPSO,从0到1,并不容易。
青岛项目组设计经理陈品介绍,“海葵一号”是世界第7座圆筒型FPSO,前6座均由国外公司研发设计。10年前,中国海洋石油集团有限公司研究总院“深海一号”研发设计团队开始了相应的国产化研究,逐步突破了多项专利技术。“海葵一号”在自主设计方面有10项创新,自主施工技术方面有8项创新。
其实,船型FPSO在业内比较常见,全世界有200余座,中国南海也已成功运营多座。为何还要自主设计建造圆筒型FPSO?
青岛项目组副经理冉祥鹏告诉记者,我国南海风高浪大流急,船型FPSO易受其影响,需要靠内转塔单点系泊系统保持稳定。这一系统起到类似巨大轴承的作用,可避免船体与风浪流“硬刚”,但这一技术掌握在国外企业手中,价格贵且后期维护成本高。圆筒型FPSO不需要该系统,相比船型FPSO具有可回接管缆数量更多、更小吨位可实现作业要求等优点,可使油田开发更经济。
但圆筒型FPSO在南海环境下作业,仍面临挑战。前6座圆筒型FPSO多作业于海域波浪周期长、风速流速小的季风海域,在南海则会如“大碗”一样摇摆运动,难以安全运行。
“‘深海一号’研发设计团队设计了2.4米高的阻尼板,像裙边一样安置在‘海葵一号’底部。同时在阻尼板上加了锯齿状的突起,可进一步释放波浪能量,提升阻尼板抑制升沉运动的能力。”陈品说,团队还根据前期研究发现的机理,合理设计参数,避免“海葵一号”装载原油后重心升高,而产生剧烈的纵摇运动。
考虑到南海台风频繁的环境,“海葵一号”搭载了世界首个海洋一体化监测数据集成平台,启动“台风模式”后可实现短期无人生产。为解决南海油田伴生气含硫化氢较多的问题,还采用了国内首个海上双塔脱硫系统。
“海葵一号”这个庞然大物需要与海底锚腿相连进行系泊。研究团队以多点分布式系泊代替单点系泊系统,原本需要21根系泊缆,现在只需12根,大大节省了成本。12根系泊缆分为3组,单条锚腿系泊半径达2500米,可将FPSO拴得更稳。其中一组系泊缆实现了国产聚酯缆的规模化应用。
“海葵一号”由船体和上部功能模块两部分组成。据统计,通过技术攻关,上部功能模块700台关键设备中,有九成由我国自主设计制造,实现了关键设备自主研发应用的重要突破。
中国精度
精度达到毫米级运行15年不回坞
“海葵一号”总重近3.7万吨。这样一个庞然大物,其建造精度却控制在了毫米级,可连续在海上运行15年不回坞维修。
按照行业规范,这类建造工程要求横向的主甲板、纵向的船底到主甲板,主尺度误差均不能超过25毫米。
“‘海葵一号’”主尺度误差成功控制在了6毫米以内。上部功能模块包含多个功能模块,向船体坐落时,每个模块都有十几个‘腿’需要与船体完美对接,我们将其精度控制在了4毫米以内。”冉祥鹏说。
“要达到理想的精度控制要求,中间要有很多步骤予以保证,而且必须在建造的每一个环节提前确定好一个个精度控制点,将其控制到位。”陈品说,“海葵一号”的船体被拆解为123个分段,建造中每个分段会有误差,工作人员提前制订了方案,分析确定控制点,在必要的分段留出余量,便于以后像“拼积木”一样精准对接。
冉祥鹏办公室贴着两张图,展示了123个分段如何一步步拼出完整的船体。记者注意到,由于上面搭载了不少管线、其他结构,这些分段并不是规则的“积木”,而是各种形状都有,要严丝合缝精准拼接,难度很大。
“为实现精准控制,我们集团研究开发了一套三维模拟软件,并聘请业内知名的精度控制专家指挥操控,在实际吊装拼接前利用软件对分段进行模拟拼接,指导施工人员提前对拼接不规整处切割处理。”冉祥鹏说,这样比吊装上去再处理要精准得多。
如此庞大的工程,数据支撑尤为重要。但“海葵一号”内部空间紧凑,很多分段、模块数据无法直接测量得到。施工人员使用三维扫描仪,像拍照一样扫描得到模块、分段数据,从而进行模拟拼接。同时,还可以把拼接的状态扫描出来,预留焊道,为后续补焊控制精度打好基础。
长期海上作业,圆筒型FPSO的一些部位容易出现疲劳,建造时需对疲劳节点进行打磨,消除其疲劳应力。这对打磨的精度要求很高,必须严格满足相应的参数要求。
“阻尼板是‘海葵一号’承受风浪最多的位置,比较容易疲劳。对其打磨要特别谨慎,尤其要注意加工轻重及工艺参数的变化。”陈品说,要打磨的不仅有阻尼板外部,还有内部的狭小空间,总长约2000米。打磨内部时,工作人员只能蜷缩着身体爬进去一点点打磨,过程中要随时拿出预制的参数模型去卡打磨的部位,不能出一点差错。一个人一天只能打磨200毫米。
严格的精度控制,对现场施工人员是一大考验。“除了软件辅助,理想的精度控制也和公司的现场管理水平、工人的技能水平密切相关。比如,船用钢板一般比较薄,焊接水平不够的话容易使其变形。工人都经过系统专业的培训,这才保证了一次交验质量合格率超99.8%。”冉祥鹏说。
中国速度
全流程拼出高效率建造时间缩短约50%
6月初,海洋石油工程(青岛)有限公司每层办公楼处的倒计时牌还未撤去。
“那段时间,上楼时看到距交船时间越来越近,大家都不自觉加快了脚步。”赵山泉说。
2022年3月16日,切割下第一块钢板,“海葵一号”正式开始建造;今年4月26日装好最后一块甲板,陆地建造完工——整个过程用时25个月,相比国际上同等规模圆筒型FPSO一般需要50个月,建造周期缩短了约50%。
大幅缩短建造周期,与精度控制好、返工少有很大关系。总体看,设计、建造全流程都拼出了高效率。
陈品介绍,圆筒型FPSO本就空间紧凑,施工空间受限多,影响作业效率。加工设计要把前期设计变成可施工的图纸,而以往加工设计人员不参与前期设计,后期施工便利性很少被考虑。
“这是集团的重点项目,加工设计人员参与了前期设计,尽量保证施工便利。”陈品说,合拢周期长,是制约圆筒型FPSO建造效率的关键因素。设计人员创新采用一步合拢方法,充分考虑上部功能模块与船体分开建造的完整性,将后期要合拢对接的上部功能模块、工艺甲板和支撑立柱作为一个整体,船体与主甲板作为另一个整体,集成时要连接部位的数量因此减少了50%,一次性对接即可实现合拢。
三维模型搭建,是加工设计阶段出施工图纸的关键步骤。详细设计团队和青岛项目组分别负责上部功能模块、船体三维模型的搭建,需要紧密配合。详细设计团队就从天津赶到青岛住下,有问题随时沟通。搭建完成后,加工设计人员又把办公室搬到了“海葵一号”上,边优化设计边进行施工支持。
“具体施工中,很多工作由原来的先干一项再干一项,变成了同时干,相当于把‘串联’变‘并联’。”冉祥鹏说。比如,船体像切蛋糕一样,被分成了123个分段在外预制;建造时,把各分段后期要装的支架、底座、管线等提前安装,之后再拉回青岛拼接。
船坞作为修造船舶的重要水工设施,是造船厂最稀缺的资源。工程在船坞的时间,直接影响着建造效率。
“‘海葵一号’全部是在船坞建造的,设计方案也是以在船坞施工为前提确定的。”赵山泉说,公司船坞里原本只有一台1000吨的龙门吊,这次专门新上了一台。通过数字化系统,实现了双龙门吊快节奏有效搭配集成作业。
面对铺设电缆总长45万米、焊道40万米、管线5.5万米、近60万个零部件等如此庞大的工程任务,施工现场有几十个工种进行技术支持,工作人员达1900多人。回头再看倒计时牌,青岛项目组工作人员感慨良多,大家“倒数着日子加油干”,最终如期完工交付。
目前,“海葵一号”停泊在了南海作业区域,但青岛项目组的任务还未结束。
“陆地建造交付后,现在公司技术人员仍在‘海葵一号’上进行技术支持,待到8月30日机械完工、各项设备调试完成才离开,以实现油田年内投产。”陈品说,设计团队、施工团队最近正在对设计、建造各流程进行总结,年内还要召开多次会议讨论下一步要优化的地方,为今后打造更多这样的“大国重器”做好技术及经验储备。(赵丰 王红军 肖芳)
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