典型自升式钻井平台(JACK-UP)轮机整体自主设计方案研究与实践应用(2014科技成果申报书)-1

中远船务工程集团有限公司科技成果申报书成果名称：典型自升式钻井平台（JACK-UP）轮机整体自主设计方案研究与实践应用主题词：自升式钻井平台，JACK-UP，自主设计，实践应用应用行业：海洋工程工程设计任务来源：大连船务LetourneauSuper116E自升式钻井平台（JACK-UP）设计与建造项目起止时间：2012年9月1日~2015年3月10日用于生产时间：2013年4月15日~至今申报单位：大连中远船务工程有限公司一、项目概况1.1项目背景全球经济的发展和科学技术的进步，人类社会对能源的依赖程度越来越高，世界各国的油气勘探开发投向了能源集聚的海洋，其油气资源储量占全球资源量的三分之一以上。自升式平台由于建造技术容易掌握，能在近海油气海域较大水深范围内移动，适应不同的海底地形地质条件，因而得到了普遍的重视和广泛的应用。随着油气能源危机的加剧和海洋工程装备技术水平的提高，自升式平台将向更恶劣海域环境条件、更大的工作水深趋势发展。随着中国经济的发展，特别是作为支柱产业的石油化工和汽车工业的快速发展，石油和天然气供应不足的矛盾日益突出。中国从20世纪末开始，原油供应量达不到市场需求，从而从石油出口国变为了石油进口国。近年数据统计，我国的原油进口量已达到9000万吨，石油已成为我国的紧缺能源。为满足国民经济和社会发展的需要，我国“十二五”期间将进一步加强海洋石油天然气资源的勘探开发力度，增强后备技术储备，提高我国自主开发海洋油气资源的能力。自升式钻井平台是近海石油和边际油田开发的重要设备,在海洋油气的开发勘探中占据主力军地位。自升式平台历经半个多世纪的发展,在工作水深、抗风暴能力、可变载荷、钻井能力和操作性能等方面取得了长足的进步。此外在边际油田的勘探开发中,其移动式平台的特点也使其相较于其它型式的海洋平台具有较大的优势。-1-1.2需求及市场分析随着近年来浅海勘探开发力度的加大，自升式钻井平台的需求量也在增加。进入二十一世纪初，世界范围大部分自升式钻井平台是上世界70年代末和80年代初设计建造的，已服役了30~40年，这一批钻井平台进入后服役期阶段，成为老龄化平台，需要更新换代。然而，海洋平台的建造具有一定的周期性，出于种种原因，采油公司都在继续使用这些老龄平台，以节约投资，增加经济效益。老龄平台经过多年的使用，尽管进行了中期维修，但是平台结构尤其是主体结构上仍然存在较为严重的变形和疲劳损伤。目前平台的老龄化问题已经引起世界各国专家的重视，并且把结构风险与质量评估等作为今后分析研究的重点。从目前的市场分析可以看出，从2003年以来，自升式钻井平台的建造数量逐年增加，进入了一个高峰期，虽然2008年开始遭遇全球金融危机，建造数量受到些影响，但是世界总体需求形式是肯定的。图1.1自升式平台的建造与报废数量Fig.1.1Constructedandabandonednumberofjackupunit-2-1.3研究目的通过大连船务LETOURNEAUSUPER116E型海洋工程平台轮机的实际设计成果总结提炼，结合JACKUP主流船级社各项规范及相关标准、规范，探索典型JACKUP的轮机设计，进一步固化有大连船务特色的基本设计、详细设计，从项目总包中实现工程设计的完全自主化；结合大连船务N527/N596/N610三个业主的项目轮机设计特点，探究最有利于船厂成本控制和现场施工的各关键技术的最有设计方案，为后续JACKUP的设计奠定坚实的理论基础和相关体系文件，并借此提高我司技术水平，加快设计和建造进度，进一步提高海洋工程新造的竞争实力，扩大生存和发展空间。同时面向研讨开发新型市场主流的JACKUP项目轮机基本设计、详细设计关键技术，为大连船务海工建造探索新方向，为承接新型JACKUP做好充分的技术储备。二．与当前国内外（包括集团内）同类先进技术的比较海洋工程装备技术开发已从浅海、深海发展到超深海，根据水深不同，应用不同的钻井和采油平台的形式，如图1.2所示。发达国家的自升式平台设计和建造技术比较成熟，主要的设计公司为FG（美国）、MC（荷兰）、三井（日本）等，截至2010年底，全球在役自升式平台数量523座，占63%；在建数量310座，占37%。而我国的海洋工程还处于起步阶段，亟待建立一套完整的自升式平台的设计及评价方法体系。国务院2009年通过的《船舶工业调整和振兴规划》，已将海洋工程装备的发展作为重点任务之一，要求大力开展技术创新，提高自主研发能力，这将对提升我国海洋工程能力，-3-加快我国黄海、东海以及南中国海等水深较大的大陆架油气资源的勘探开发具有重大意义。图1.2水深和钻井平台的形式选择图1.3自升式钻井平台发展及随水深而增加的曲线Fig.1.3Developmentcurvewithwaterdepthofjackupunit世界上第一座自升式钻井平台“天蝎号”产生于20世纪50年代,它在墨西哥湾为美国Standard标准石油公司钻探了第一口井。我国第一艘自升式钻井平台勸海”1号于上世纪六十年代由上海708研究所完成设计,建-4-造周期约5年,并与1972年在大连造船厂建成并交付使用。通过自行设计建造、国外引进和改造,我国现已有多种型号和用途的自升式钻井平台。当前,我国已完全具备建造大型海洋平台的能力,因此掌握自升式钻井平台结构设计的相关关键技术,研究开发具有我国自主知识产权的平台刻不容缓,只有这样我国才能在世界海洋资源竞争中立于不败之地。大连中远船务工程有限公司相继承接了Foresight、Deepwater、Northernoffshore三家公司的六条Super-116E型Jack-up，包括：N527、N581、N582、N596、N610、N611。另外还有多个意向船东。目前六艘Jack-up已经全部生效，其中N527、N581及N596已经投入建造，其他三艘Jack-up也已经进入设计阶段，预计在2015-2016年，我公司将完成全部的建造及调试工作，并会如期地将具有自主知识产权的六艘Jack-up交付给船东。三、关键技术及创新点（图文并茂）通过6个项目不断的设计优化、方案研究以及各项目的现场实际效果验证，本研究的关键技术及预计研究衍生成果如下：（0）JACK-UP船型轮机整体布置方案（布置图、设计指南）（1）JACK-UP船型潜水泵设备选型及安装工艺基准（计算）（2）JACK-UP船型不同设计工况下的设计要点和设计成果与普通船舶不同，JACK-UP船型的工况划分有很明显的特殊性，大致可分为拖航(TOWING)、升降(JACKING)、正常钻井(NORMALDRILLING)、重载钻井(HEAVYDRILLING)、钻杆提升(TRIPPING)、应急(EMERGENCY)等等。在这些工况下的系统/设备运行要求、实现方式、使用系数各不相同，针对于-5-这一船型，本次研究中就各工况下的设备和系统使用情况进行了深入的研究，与电气专业一起形成了JACK-UP系列项目的电力负荷计算书，进行了各工况下的主要系统（海水、消防、舱底等）功能分析以及不同工况下设备的选取要点提炼，并根据这些成果做了设计优化。详情如下：明确了各设备在不同工况下的工作情况和使用系数，形成了经过船东和ABS认可的JACK-UP系列的电力负荷计算书；海水系统的设计要点：引入潜水泵作为ELEVATED状态时从水面为平台提供海水，TOWING用舱底泵由海底阀箱吸水，单独的预压载泵支持PRELOADING时的海水预压载需求。出于节省管路考虑，海水系统可统一在NORMALDRILLING和PRELOADING工况下使用同一套环管。考虑PRELOADING时的冷却用户压力需求，可以考虑为冷却用户设置单独的集管，由舱底泵（或钻井水泵）从内底预压载舱取水冷却。消防系统设计要点：出于节省成本的考虑，该系统可配置两台消防泵，用于消防栓/直升机泡沫/钻台雨淋等系统的海水供给。在TOWING时从海水阀箱取水，JACKING时由于无法用潜水泵取水，需要在buffertank预留ABS要求的水量，同时重点关注消防泵在低排量下的吸入能力。所有工况下，仅在ELEVATED状态下考虑对直升机和钻台区域的消防。（3）JACK-UP船型管系设计基准（WORKMANSHIP）JACK-UP船型的管系设计标准较常规船型要严格的多，采用标准主要为ASME/ASTM/API/ANSI/SAE/DIN等，这些标准涵盖了材料、工艺、计算、尺寸、制作、安装、试验等要求，标准完全与国际接轨，方便平台运营方后期维修采购。例如低压无缝钢管标准采用ASMEB36.10M；DN40以上管路取-6-消了弯管机弯管，全部采用定型弯头，一是高了系统的设计寿命，二是方便现场维修；散料、泥浆等系统由于介质流动性差，为了防止堵塞，大部分采用了5倍弯曲半径的弯头以及斜支管；该平台泥浆、钻台液压系统压力较高，最高能达到15000psi，常规高压管夹无法满足使用要求，结合其它海工企业应用的管夹设出满足要求的管夹；前期船型设计标准中部分描述模糊不清，如压力表根阀三通阀配置标准，管路支架安装形式，穿舱件型式，舷外管加强等，都提供了详细的技术要求，避免后期船东现场提出修改。（4）JACK-UP船型机械通风设计基准与普通船舶不同，JACK-UP船型的机械通风舱室划分有很明显的特殊性，包含大量设计温度不同的机械处所。由于本项目室外环境温度为45度，大部分机械处所需求的室内设计温度为50度，因此大量机械处所通风系统的设计也是本项目的一个难点。尤其是MUDPITROOM，ENGINEROOM，PORTAUX.EQUIP.ROOM这几个处所。本项目仔细分析了各机械处所的通风计算、风机选型，选取要点提炼，并根据这些成果做了设计优化。详情如下：ENGINEROOM由于其设备散热量大，房间允许温升较低，另外主甲板区域布置空间紧张，通风风管应设计为通过左右舷辅机舱进入机舱，从而保证了主甲板通风筒位置的合理布置。另外，机舱内部应设置涡流风机，用于加速通风系统与设备散热交换，有效地防止了热量在局部空间的积聚，对房间温度降低起到更好的效果。MUDPITROOM，作为泥浆处理处所，属于I级危险区域，该房间泥浆池上方应采用机械排风，泥浆池内通过鹅颈弯进行通风，这样保证了危险-7-区域的负压要求。也有效的预防了危险气体向安全区域的扩散。另外，该房间与泥浆泵舱的AIRLOCK还设置了压差传感器，保证泥浆泵舱（安全区域）相对于MUDPITROOM的正压，从而防止危险气体向安全区域扩散。PORTAUX.EQUIP.ROOM，由于3台空压机放在该处所，其中一台空压机为风冷型式，两台空压机为水冷型式。空压机的散热量非常大，尤其是风冷空压机的散热量更是达到了将近200kw，这给通风系统设计带来了极大的困难。通过与船东反复沟通，确定了压缩机的极端工作工况，并且说服船东同意采用10度温差来进行设计，最终确定了通风系统设计，同时也将因空压机水冷改为风冷，将机械通风设计的修改量缩小到最小。（5）JACK-UP船型轮机主要设备调试设计基准本课题以实际项目jackupN610项目为研究对象，通过分析各设备的工作原理，系统功能等因素，结合设备工作条件确定各设备的调试重点，制定具有针对性的解决方案。（a）主发电机组发电机组作为整个平台的动力核心，满足电力系统的电力负荷要求，对其工作可靠性，高效性要求极为严格，需要通过合理优化的调试程序将发电机组的性能调整到最佳状态，满足设计工作要求。N610设计配备5台发电机组，柴油机采用卡特皮勒3516CHD机型，1603Bkw@1200rpm，发电机采用KATO2150KVA600V3Ph，60Hz，0.8PF。通过分析设备资料，了解其辅助系统的工作条件等信息，制定调试准备工作内容，调试目标及调试步骤等。编制调试程序见附件一。（b）应急发电机组-8-应急发电机组作为整个平台的应急电力系统的核心，需保证在应急情况下，主发电机组失效等情况下，满足电力系统的应急电力负荷要求，其工作可靠性直接决定整个平台的可靠性及安全性。因此，需要通过合理优