中国首艘抗台风型FPSO研发背后的故事

船舶新闻

2002年7月7日，随着“南海奋进”号FPSO成功地用于南海珠江口西部海域的文昌油田，中国海洋石油总公司宣布，文昌油田正式投入商业生产。作为海上发开项目的关键设施，“南海奋进”号采用了世界上最先进的船舶深海停泊技术，即使在强台风等恶劣环境中也能保持岿然不动、安全作业。她的成功建造，无论对我国海洋石油工业，还是造船业，都是一座里程碑。

作为我国FPSO发展历程的见证人，我国FPSO的主要开拓者赵耕贤研究员，向记者讲述了我国第一艘新颖的抗台风型“南海奋进”号FPSO研制中的故事。


南海油田的呼唤

自1978年改革开放以来，我国建成了一系列用于海洋油气开发的钻采平台和17座FPSO，先后在渤海、北部湾、东海以及南海的油田投产，年产油气量超过3千万吨，其中FPSO支持我国海上石油70%的产能。

1997年下半年，中国海洋石油总公司副总工程师曾恒一院士向中国船舶工业集团第七O八研究所提出，请赵耕贤研究员对即将报废的“南海希望”号FPSO进行现有强度评估，同时就能否用于南海文昌13-1/13-2油田，或用于渤海秦皇岛32-6油田的改装可能性进行评估。随后，曾院士邀请高等院校、研究所的数名专家在上海召开专题讨论会。

文昌13-1/13-2油田位于我国南海海域，时常受到强热带风暴、强冷空气大风和强对流灾害性天气的侵袭。恶劣的环境对常年处于恶劣环境中工作的海洋工程装置和设备的强度要求特别高。

经过与会专家的详细论证，专家组表示，从经济性角度来看“南海希望”号FPSO已经不适宜再次进行改装用于两个新油田开发了。随后，七○八研究所又根据当时的船舶市场，为业主提交了其它旧船改装与新建FPSO的分析报告。于是，业主决定重新建造两艘FPSO，分别用于南海文昌油田和渤海秦皇岛油田。

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“南海奋进”号从1999年7月设计开始，至2002年7月正式投产，历经概念设计、基本设计、详细设计、生产设计、施工建造、设备调试、海上定位安装、海上联调、试投产等等，历时3年。她的总长为262.2米，型宽46米，型深24.6米，设计吃水16.5米，结构吃水17.5，载重量15万吨。作为油田的控制中心，她采用了当今世界上最先进的船舶深海停泊技术，永久系泊在油田上作业。不仅可以在浪高20米、风速50米/秒强台风环境中保持岿然不动。同时，还配有公共系统、安全控制系统、二套三级处理的原油生产加工系统等数十个系统，以及90人的生活基地。



技术上“零”的突破

机遇与挑战并存。强台风中不解脱FPSO的新设计，在我国是第一次，没有经验，世界上更无样本可借鉴。据赵研究员回忆，他同时参与两艘FPSO的设计，概念设计的后期，他选择了更加富有挑战性的“南海奋进”号FPSO出任副总设计师。

FPSO与舰船相比，有特殊要求与极高的海洋工程标准，何况又要抗强台风。据文献记载，1980年3月27日挪威的一座半潜式平台“亚历山大·基尔兰德“号(Alexander L.Kielland)由于一根撑杆疲劳损坏，导致其它几根撑杆连同一根主要立柱受破坏，整个平台在15分钟之内倾翻，造成123人死亡和失踪的重大事故。所以，处于台风的恶劣海况中的FPSO，其船体的可靠性更是设计工作的关键问题的所在。为了将核心技术最终掌控在自己手里，项目组摸着石子过河，迎着新的挑战，冒了极大风险，攻克难题。

“南海奋进”号究竟如何才能经受得住“百年一遇”的强台风考验呢？也就是说，如何合理地考虑船体整体强度的载荷值，成为设计的第一道难题。当时，这项技术参数在国内外完全处于空白状态，试图采用专用的分析软件也是不现实的。在这种情况下，赵耕贤研究员并没有被吓退，而是努力进行探索。他运用自己回归相似尺寸船型的参数，以及FPSO布置与台风的因数，预先设定载荷参数，指导设计。后来，这与半年后国外专家陆续提供的参数基本吻合。2000年5月在业主总项目经理吴植融先生主持的专题讨论会上，得到了国内外同行专家充分肯定，并接受赵研究员预设的参数。赵研究员告诉记者，现在他早已经养成了一个习惯，十分关注他所主持设计项目的应用情况。所以，每当有强台风经过南海海域时，他特别关注中央电视台的天气预报。因为，他是“南海奋进”号的副总设计师兼船体结构的专业主任设计师，船体结构设计的关键技术参数是由他定的。如果该船的船体结构出现任何闪失，他是直接责任人。值得他骄傲的是，现在事实已经证明，该船已经受住了“黑格比”、“杜鹃”、“云娜”、“派比安”等几次强台风与超强台风的袭击，船体安全无恙。

FPSO之所以能顶住“百年一遇”的台风，牢牢地将FPSO系固在海上，靠的是特殊的系泊系统。据了解，“南海奋进”号之所以能在强台风中不解脱，永久系泊在油田，是采用了一种特殊的系泊系统——内转塔。这是挪威APL单点公司的专利技术，首次在国内应用。2000年2月，赵研究员代表业主审阅内转塔图纸时，发现5米高的内转塔过小，与24米高的庞大船体极不匹配，极难系住FPSO，逐提出了改用高为8～10米的建议，并迅速得到外国专家认可，他们也修改了设计。2000年4月，在业主总项目经理吴植融先生带领下，赵研究员与其他设计人员一同前往挪威，进一步与单点公司技术协调，避免了在强台风中可能产生事故的潜在危险。

不同油田，有不同特性，就会采取不同的生产流程。为了适应南海的环境条件，FPSO的形状与布置和渤海的FPSO有所不同。FPSO除了具有油船的全部特征外，还有遍及甲板上的特殊油气处理设备和管路、特殊的系泊系统、特殊的外输油系统、高耸克令与火炬塔等复杂的设备。为优化设计，七○八研究所的设计师进行了新的研究，并经国外船模试验验证，形成了南海海域FPSO的典型布置格局。

FPSO作为采油平台与穿梭油船之间关键的连接装备，还发挥着“承上启下”的重要作用。随之突显的关键技术就是大型模块与船体之间的连接方式。究竟采用怎样的方法才能够使上百米长、数千吨重的生产流程模块不受船体变形的影响？2000年9月，赵研究员考察“南海胜利”号FPSO过程中，受到启迪。从而分析了台风袭击情况下船体梁变形情况以及大型模块受力特点等，应用“简支梁”的原理，创造性地提出了模块支墩的新理念。为我国设计与建造更高要求的FPSO奠定了技术基础，增强了进一步开拓海洋工程领域的竞争能力。

“南海奋进”号的研制成功，不仅对我国FPSO是一个重大突破，同时对世界FPSO技术也作出了重要贡献。“南海奋进”号自2007年7月投产至今，已为我国经济发展提供了成千上万吨的石油能源，创造近数亿美元的经济效益。是我国海洋石油工业进军深海、进军恶劣海域，造船业发展的重要里程碑。2003年“南海奋进”号还获得了辽宁省科技进步一等奖。



遭遇环保“劫”

近10年来，人们在开发海洋石油的同时，又将目光聚焦在了FPSO上熊熊燃烧的“火炬”所排放出的滚滚浓烟。这些烟雾产生出大量的温室气体，特别是二氧化碳。

据了解，油田开采过程中，油层间夹杂的“气体”会伴随石油液体释放出来。FPSO对产出原油直接在海上处理时，生产流程系统中也会泄漏出“油气”，以及货油舱透气管释放出 “油气”，这就是人们常说的“伴生气”。其主要成分是甲烷，通常含有大量的乙烷和碳氢重组分，而LPG回收处理就是指将乙烷等和重组分从气体中分离出来，它们可以被进一步加工，作为纯组分或天然气混合液(NGL)或LPG，是可利用能源。如果这些“伴生气”不作及时处理，会对FPSO构成严重的威胁。如果不能回收的话，一般选择直接烧掉。有人曾经做过这样的计算，这支燃烧的“火炬”每天烧掉的伴生气和凝析油，折合油价相当于一辆“法拉利”豪华小轿车的价格。

也许有人会问，难道就不能将这些“伴生气”回收吗？由于受到技术手段的制约，加上油田开采过程中“伴生气”相对难以控制，长期以来除了少量足以作为设备的燃料利用外，极大一部分“伴生气”被放空燃烧掉。

海上“伴生气”的回收一直是摆在国际石油业面前的一项艰巨的任务。随着人们对环境保护及节能降耗的意识的加深，“伴生气”的再利用已成为我国海洋石油工业刻不容缓的一项重要议题。



扑灭熊熊“火炬”

2003年11月，中国海洋油石油总公司湛江分公司生产部俞进总经理提出了《回收“伴生气”，提取LPG产品》的LPG回收工程改造，并首先应用于位于南海文昌油田。当时国际油价一路飘升、文昌油田时值高峰期。为此，俞进总经理提出：“油田不停产情况下，就地实施改造”。并立即找赵耕贤研究员，一起参与立项的出谋划策。油田不停产意味着FPSO流程也不能停，加装任何设施下船体的内部，不能作任何形式的加强。这已超越工作的常理，人们一般是难接受的事实，而赵研究员面对这一新的挑战，毫不犹豫地答应了。

对LPG回收工程来说，原本这项技术在国内就是第一次，而就地改造更是国外没有过的事，一家外国公司的代理甚至说：“这是十分疯狂的”。的确，今天赵研究员颇有感触地说，“‘南海奋进’号LPG回收改造的难度远超过了设计之初”。如何在管路错综复杂的有限空间里，对改装设施进行有效的合理布局，成为摆在设计师面前的最大难题。

根据计算，改造工程需要在船上安装总重为3800吨的设施。这些设施不仅尺寸大、重量重，而且都是安装在主甲板约4米左右的专用平台上。新增的这些设施，使“南海奋进”号FPSO的重量、受风面积将明显增加，船体重心会有改变，这对她的稳性与强度，特别是破舱稳性，将会产生很大的影响。究竟需要采取哪些措施加以完善呢？赵研究员多次来到海上，与业主项目组人员，进行实地考察、勘定位置。经过仔细计算与推敲，提出有效的措施报告。

这项世界首例的油田不停产LPG回收改造工程，没有任何经验可借鉴，工程中所涉及的一些技术标准、配套兼容、设施接口等，也没有明确的规范。棘手问题考验着设计师的能力，经过反复论证，项目组最终成功地对船体进行了改造。

安全是FPSO的中心议题。FPSO本身是危险程度极高的、特殊的海洋工程装备，而管道中的LPG又易燃、易爆的危险货品，进一步对FPSO造成新的威胁，而且这些管道还穿越船上的生活区，一旦发生意外，后果将不堪设想。于是，在原设计方案基础上，增加一台压缩机，即在每次外输作业完成以后，把外输管道里的剩余LPG抽回来，保证在日常状态下外输管道里没有LPG。

经过业主项目组、设计师和工人们的不懈努力，“南海奋进”号FPSO的LPG回收获得了成功。该项目投产后，每年从海上可回收约10万立方米液化气。尽管这个数字不算惊人，但这一技术为我国能源的可持续利用，开创了新思路。是我国FPSO技术的重大突破，为世界海洋工程史所罕见。同时，也充分说明，我国已经完全具备从事高难度、高技术、高风险等大型海上作业的能力。

赵耕贤研究员说过这样一句话：“勇于挑战，要用新的理念，并要有新的技术去适应，成功就在前面”。诚哉斯言。今天，有了一代又一代工程技术人员，秉承这种不畏艰难、锲而不舍的进取精神，遨游在我国海洋工程领域，书写了自主创新的辉煌篇章。




来源：中国船检