探访亚洲第一深水导管架“海基二号”

  作业人员进行“海基二号”挂扣作业。

  海上运输时，“海基二号”导管架通过钢板与运输船焊接固定在一起。图为导管架下水前，工作人员切割钢板将其与运输船分离。

　　广东深圳东南约240公里，珠江口盆地流花油田海域，蔚蓝海面波涛起伏。亚洲第一深水导管架——“海基二号”，如同一只巨臂，将巨大的生产平台稳稳托举在海面之上。

　　4月19日，随着最后一个单体吊装就位，“海基二号”平台总体结构完成安装。不久后，它将与亚洲首艘圆筒型海上油气加工厂配合，共同服役于我国首个深水油田——流花油田11-1/4-1的二次开发项目，推动亿吨级深水老油田焕发新生机，为粤港澳大湾区经济社会发展注入能源新动力。

　　“海基二号”何以成为亚洲第一？其设计建造过程中，取得了哪些技术突破？它是怎样在300多米深海之中稳稳扎根的？“海基二号”平台的投用对我国海洋能源开发有何重要意义？记者近日采访了项目有关负责同志。

　　刷新高度、重量、建造速度等多项亚洲纪录

　　自主设计建造，海底“地基”越扎越深

　　560米！这是“海基二号”平台（含钢桩）的总高度，也是一个新的亚洲纪录。

　　不仅如此，从重量上看，该平台也刷新了亚洲深水原油生产平台的纪录：总重量近6.2万吨。

　　这一平台的建成投用，意味着我国深水超大型固定式海洋平台工程建设成套技术能力走在了世界前列。

　　据了解，海洋蕴藏着地球上超过三分之一的石油和天然气，其中近一半深埋于水深超过300米的深海之下。如何让深埋海底的油气资源进入千家万户？数十年来，我国不断加强海洋油气勘探开发原创性、引领性科技攻关和自主创新，形成了多种行之有效的油气资源开发模式，并在装备自主设计制造上不断取得新突破，推动海洋科技实现高水平自立自强。

　　据介绍，基于水深、环境条件、技术水平等方面不同，使用的海上平台也有所不同。300米水深是油气行业划分浅水和深水的界限。放眼全球，浅水海域的油气资源开发通常使用的是固定式导管架平台，而深水开发则通常采用“浮式生产平台+水下生产系统”模式，但这种方式造价十分昂贵。

　　与“浮式生产平台+水下生产系统”开发模式相比，固定式导管架平台开发模式最大的优势，是将生产系统从水下搬到了导管架平台上，也就是说集钻井、采油、处理等功能于一身，可有效降低开发投资并大幅减少后续钻完井和生产操作成本，显著提升油田采收率及经济性。

　　“固定式导管架平台是海上油气开发最基础的形式，主要由导管架、桩腿和上部模块三部分组成。”中国海油深圳分公司深水工程建设中心流花二次开发项目建造资深专务王德洋告诉记者，其中导管架就像“地基”一样，支撑起一座“钢铁之城”，将绝大多数油气处理设备托举于海面之上。

　　但在世界范围内数千座导管架生产平台中，300米级的导管架屈指可数。

　　两年前，我国自主设计建造的高达302米、重达3万吨的“海基一号”，成为亚洲首例300米级深水导管架，实现了我国深水导管架设计、建造、安装等技术质的飞跃。如今，“海基二号”再次刷新高度、重量、作业水深、建造速度等多项亚洲纪录：导管架总高338.5米，超过北京国贸三期主楼高度；总重达3.7万吨，用钢量接近“鸟巢”，达到国内建造场地、运输、安装装备及船舶的能力极限；作业海域平均水深约324米，是亚洲首次在水深超过300米的海域进行固定式导管架安装作业；完成建造仅用时26个多月，而关键尺寸精度均控制在5毫米之内……

　　海底“地基”越扎越深，标志着我国深水超大型导管架平台自主设计建造能力达到世界一流水平，在超300米水深的深海油气资源开发中具备了根据实际情况选择不同开发模式的能力，对推动我国深水油气资源开发、加快能源科技高水平自立自强具有重要意义。

　　减重5000吨、可抵御百年一遇恶劣海况

　　创新技术应用，导管架成功“减脂增肌”

　　切割分离、滑移下水……一个月前，“海基二号”成功入水的场面让人心潮澎湃。这个用钢量接近“鸟巢”的巨无霸，从200多米长的轨道滑入300多米深的海水中，用时不足1分钟。

　　丝滑入水背后，离不开海洋石油229运输船的强力支撑。这是亚洲最大的海洋工程驳船。

　　而“海基二号”的海上安装之所以选择滑移下水方式进行，是囿于其巨大吨位。“‘海基二号’的吨位超过了世界最大起重船的吊装能力。”王德洋说，同时也已接近国内建造场地、运输、安装装备及船舶的能力极限。

　　不过，3.7万吨的巨大吨位已经是“瘦身”之后的重量。据介绍，高302米的“海基一号”重约3万吨，“海基二号”虽然只比“海基一号”高了36米左右，但由于其服役海域更深的水深、更恶劣的环境条件和更严苛的功能需求，使“海基二号”的尺寸和吨位发生量级变化，对导管架设计、建造、运输、安装等也提出了一系列技术挑战。

　　如果使用传统钢材，导管架下水重量将达到约4.2万吨，超过目前国内外建造场地、施工船舶等资源的承载能力。怎么办？让导管架“减脂增肌”！

　　据了解，“海基二号”所处的海域高盐高湿，且台风多发，风浪及内波流巨大，这对导管架的钢材强度提出更高要求。因此，不仅要“瘦身”，还要“增肌”。

　　为此，以科技创新带动产业协同创新，项目团队与国内钢铁企业合作，反复摸索、攻坚，共同研发了适用于海洋工程的新型420兆帕级（S420）超高强钢厚板，并先后攻克S420超高强钢焊接工艺、超大吨位结构物多吊机联合吊装、超大型深水导管架柔性变形尺寸控制等重大技术难题，在国内首次形成了一套具有完全自主知识产权的S420超高强钢焊接工艺程序。

　　“一次性无损检测合格率与同期常规导管架焊接合格率相当，且焊缝复查也没有发现深水导管架容易出现的延时裂纹问题。”王德洋告诉记者，这一创新材料的应用，不仅攻克了超大型海上平台轻量化设计的关键技术，提高了超大型深水导管架结构强度，填补了国内超大型深水导管架设计建造多项技术空白，而且带动了国内钢铁产业链的升级优化，为国产高强钢在海洋工程中的大规模应用开辟了新路。“‘海基二号’应用这种国产高强钢超过2万吨，得益于这一材料的使用，导管架成功减重5000吨，节省了上亿元的材料及船舶改造费用。”

　　“海基二号”服役海域水文情况复杂、台风多发，按照百年一遇的恶劣海况进行设计，如何确保其在高盐高湿和风浪流的持续冲击下仍能稳定工作30年？除了导管架自身“健康”“结实”之外，其底部的钢桩也十分关键。

　　海底，16根钢桩穿过形似火箭推进器的套筒深入到海底地层134米，将巨大的导管架牢牢“钉”在海床上。

　　“每根钢桩长约170米、直径约2.7米，总重量相当于1万辆小汽车，尺寸和重量均为亚洲之最，这些钢桩也采用了国产高强钢。”王德洋介绍。

　　不仅如此，项目团队还首次将牺牲阳极与张紧式外加电流阴极保护技术应用于超300米深水。“通俗地讲，就是在导管架外围加装了许多以锌为主要成分制作的阳极保护装置，同时安装数条贯穿整个导管架的通电缆绳，为导管架在使用周期内的深水防锈防腐提供‘双重保护’。”王德洋解释道。

　　集数字孪生、海洋环境检测、海底环境监测等系统为一体

　　智能平台助力，在海底站得更稳立得更久

　　4月24日上午，王德洋与几名施工人员一起，在“海基二号”上部平台底层甲板B1腿法兰舱处，进行数字孪生系统和阴极保护监测系统电缆抽拉作业，为智能导管架数字孪生健康管理平台整个系统的连接调试做着最后的准备。

　　据介绍，“海基二号”导管架不仅刷新了高度、重量、建造速度等多项亚洲纪录，其智慧化程度也是亚洲领先——是亚洲首个集数字孪生、海洋环境检测、海底环境监测等系统为一体的“智能导管架”。

　　“海基二号”导管架高达338.5米，有超过95%的部分将长期在海面以下作业。那里看不见、摸不着，如何确保其健康、稳定作业？

　　项目团队创新提出“智能导管架”设计建造方案，基于深水导管架平台结构计算、水下数据传输、水下传感器封装、数据挖掘、数字孪生等关键前沿技术，专门搭建智能导管架数字孪生健康管理平台。

　　这一平台由结构健康监测及数字孪生系统、海底水文环境综合观测平台等3套系统组成，涵盖深水导管架腐蚀防护、结构安全、海底环境监测等多个技术维度。

　　“水下有监测传感器、海底观测平台、数据采集传输中心、连接器等，240多公里外的陆上则有远程综合数据存储计算中心、数字孪生健康管理系统等，为‘海基二号’提供了全生命周期的实时监测、一体化数据管理、风险预警、评估预测、数字化运维能力。”王德洋介绍。

　　他进一步解释，海面之下，各类传感器可以实现对导管架关键节点与杆件应力/应变、承载力、倾角、平台位移、风浪流、周边海域海洋反向回声、近海底温盐深及全水深海洋剖面流速等数据的智能监测，为平台结构的数字孪生提供数据支撑，也为陆地远程实时监控平台运行、做出运维决策等提供重要参考。“尤其是台风等恶劣海况过后，可以第一时间了解易损坏杆件或者疲劳强度大的杆件的受力情况，灵活统筹现场资源等。”

　　“虽然深水中看不见、摸不着，但风、浪、流等环境数据和导管架状态参数，我们可以一清二楚。”中国海油深圳分公司深水工程建设中心主任工程师王火平说。

　　首次实现水下光纤光栅传感器服役水深突破300米，自主研发实现高水密抗压等级的水下传感器封装技术；在“海基一号”的基础上，开展基于深度学习的深水导管架结构故障诊断和损伤定位智能算法研究，将数字孪生体精度由通用诊断级提升到智能决策级……一个个难题被攻克，一项项技术被突破。智能平台助力之下，大幅提升我国深水导管架数字化运维技术水平，让这座“巨塔”在海底站得更稳、立得更久，对深海油气装备生产运行稳定性等具有重要意义。

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