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我校校友和教师为国家重大工程“深海一号”作出重要贡献

国家重大工程“深海一号”是由我国自主研发建造的全球首座10万吨级深水半潜式生产储油平台。这一最新海洋工程重大装备,实现了3项世界级创新、运用了13项国内首创技术,被誉为迄今我国相关领域技术集大成之作。2021年6月25日,该平台正式投产,标志着中国从装备技术到勘探开发能力全面实现从300米到1500米超深水的跨越,每年出30亿立方天然气,香港、广东、海南各10亿立方,为国家能源安全作出重大贡献。中海油研究总院原总工李新仲,现中海油能源发展股份有限公司总经理,后一任总工李志刚,现中海油工程建设部总经理经理,现任总工尹汉军连续3任总工以及中海油工程院主持工作副院长李达等均是我校杰出校友,对国家重大工程“深海一号”都作出重要贡献。

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不忘初心,向海图强,逐梦深蓝

——我校杰出校友李达为国家重大工程“深海一号”做出贡献

天津大学船舶与海洋工程专业本科、硕士优秀毕业生李达,在学生时代就梦想着有一天中国能拥有1座属于自己的智慧深水浮式生产平台,多年来他为了这个梦想一直默默地积累、脚踏实地地准备着。

2005年毕业后,为更好地发挥价值,加入中海油研究总院,入职研究总院的第二年,李达被派往海油工程设计公司,承担渤中34-1油田开发项目“浮托法”自主设计攻关重任。初入职场的李达一切从零开始学习,在不断试错中摸索了半年多,每天都是办公室里最后一个走的,甚至半夜也要起来检查一下自己的数值分析结果,并不断调试分析程序。功夫不负有心人,李达凭借自己扎实的理论知识和韧劲,率先完成“浮托法”设计技术攻关任务并成功得到工程验证,在国内首次实现了海洋工程多刚体耦合数值方法从理论到实践的开拓,打破了少数国家对“浮托法”这一高端海洋工程设计技术的长期垄断。“浮托法”在渤海成功实践后,李达带领团队继续攻克各种浮托技术难题,将“浮托法”技术推广到南海开阔海域,成功实现了荔湾3-1深水气田3万吨级组块的浮托安装。他带领团队用不到十年时间走过了引进、消化、吸收、再创新到国际领先的开拓创新之路,成功完成了超大型组块浮托安装、动力定位浮托安装、极浅水浮托、冬季浮托等全序列和全海域的浮托安装,并形成了“浮托法”设计的标准化流程,在20余个项目中创造经济效益超过百亿元。2013年,李达凭借该标志性技术荣获国家科技进步二等奖,然而他在“浮托法”的道路上并没有停止,还在继续带领团队牵头制定“浮托法”的国家标准,并适时向国际标准发起冲击。

作为一名浮体工程师,李达总是利用各种场合搜集FPSO现场所反馈的操作不便利性等各类问题。为此,他经常思考:“FPSO是海上兄弟们长期工作和生活的地方,如何能从设计上更好地解决他们反馈的问题,让他们能以FPSO为家呢?”在服务恩平油田群一期开发项目的4年间,李达深入到FPSO的自主设计和现场建造工作中,在研究总院承担项目前期研究和基本设计期间,他担任了项目副经理,负责总院首个主导FPSO的基本设计工作。随后他继续到深圳分公司项目组担任FPSO技术经理,在研究、设计到实践的过程中传承并创新FPSO技术。在“海洋石油118”FPSO以及后续的“海洋石油119”FPSO和陆丰12-3 FPSO的设计过程中,他大胆创新地提出了南海FPSO双壳设计、舷侧边舱取水系统、上部组块长通道等提高FPSO的安全性、便利性及实用性的新方案。在流花16-2油田群开发项目中,他带领团队一起完成了国内首个深水FPSO“海洋石油119”的自主设计,首次自主完成单点总体设计和永久系泊系统设计,并继续在陆丰12-3项目中推动系列化深水FPSO船型开发。流花11-1/4-1油田二次开发项目在国内首次采用了圆筒型FPSO方案,作为基本设计阶段圆筒型FPSO的设计经理,李达带领团队自主研发适合我国南海特点的圆筒型FPSO新船型,以打破国外唯一公司的设计垄断。为了在短期内快速摸清圆筒型FPSO的水动力特性,李达带领团队成员投入了大量的时间和精力,他利用一个又一个周末休息时间完成了超过1T存储量的计算文件。最终与团队成功攻克了中深水聚酯缆系泊定位技术难题,摸清了圆筒型结构物在南海的水动力作用机理,有效缓解了对单点系泊系统技术的依赖。通过对FPSO技术的传承与创新,李达带领团队开发形成了6万吨(圆筒型)、10万吨和15万吨(船型)系列化深水FPSO母型船,支撑了流花16-2、流花11-1/4-1、陆丰12-3等深水油田的开发。

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2014年,国内首个1500米深水自营大气田——陵水17-2气田勘探发现的好消息传来,他多年来的积累和准备终于得以在这个凝聚了几代国内海洋工程人技术梦想的舞台上“大展拳脚”。 凭借着在浮式系统方面所积累的经验,李达在时任项目经理朱海山的安排下负责南海首个1500米深水浮式平台的船型开发。

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然而,面对国内缺乏深水浮式平台设计和工程应用方面经验的现状,他和团队一起与国外公司进行了数十场技术交流。啃完了一本本专业书籍,完成了大量的工作笔记,他针对我国南海特点因地制宜、一笔一笔地勾画了陵水17-2半潜式储油生产平台的总体设计方案,和团队一起创新开发了万吨级凝析油储存半潜式生产平台新船型,实现了多个“首次”技术突破,获得了美国船级社船型认可证书,以及全部核心知识产权。陵水17-2半潜式储油生产平台虽已启航,李达却未停下深水技术攻关的脚步,李达又将精力投入到系统的深水工程设计技术体系建设中,制定适合我国特点的深水工程技术标准,在多个技术领域持续攻关。

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守正创新,开拓进取,创造非凡

——我校教师余建星为深海一号做出重要贡献

我校国家973计划首席科学家、国家教学名师、国务院学科评议组成员、天津大学船舶与海洋工程研究院院长余建星教授团队自2010年起就创建了国内第一个全尺寸深水管道实验室,他们多年来始终聚焦国家战略需求,发扬自力更生,追求卓越,精打细算,勤俭节约,勇于创新的精神,研发了4个装备,1个软件,1项核心技术,经过验收和查新,成功打破了欧美对我国深海工程试验技术的封锁,解决了国家重大工程(深海一号)等6项卡脖子问题,是深海一号工程的最大亮点。

1.全尺寸深水立管地震、疲劳试验平台

该试验平台全长26.5米,由反力架、电气操作平台、轴力推拉加载系统、弯矩加载系统、内压加载系统、管端自锁密封系统、液压加载系统、泵站及远端智能控制系统等组成,可模拟深海全尺寸立管在全生命周期的受力情况,如半潜式平台和深海矿产资源开发的母船和立管的相互作用;设施在经历亿次以上反复的波峰波谷运动时的影响;可模拟遭遇二百年一遇的地震、台风作用下所有的动荷载和静荷载等,而且还能对其平时所受到高应力、中应力和低应力进行全尺寸多功能的模拟。

后续装置改造升级后,可用于母船与立管相互作用,检测软管、脐带缆、锚链等结构的疲劳强度及其安全可靠性,这也是深海矿产开发的关键核心实验装备。

与国外同类平台相比较,该平台可试验立管长度最长,适应管径种类最多,管道尺寸、各种加载载荷形式、各种载荷(包括轴力、弯曲疲劳、内压、扭矩)最大加载指标都可重现南海和国际任何海域复杂的环境,试验平台无论是尺寸、功能还是性能,目前都是世界最好的,可以确保我们海洋核心装备设计的安全可靠,而且具有很高的科研价值。

已为深海一号项目用管进行了高、中、低应力下的多组疲劳试验,通过了中国船级社认证,验证了国产深水立管疲劳寿命能够满足南海陵水海域各种工况下的使用要求。

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2.深海立管触地段安全实验室

平台主体包括钢结构外护设施、泵站室、长20.0m宽3.0m深2.0m的钢筋混凝土试验槽、2台10t级天车、加载装置、搅拌装置、自动报警及运动监测系统等。试验槽内装有性状与我国南海海域性质相近的试验粘土,可对全尺寸6英寸试验立管施加最大40kN·m的弯矩荷载,还原深海立管使用过程中真实弯矩荷载水平;加载端可施加竖向、水平向与双向耦合的循环位移加载,加载频率0.05-0.5Hz,位移加载幅值可达到0.4m,重现立管生命周期内最不利工况,保证立管系统安全可靠。

深海立管触地段安全实验室可重现全尺寸立管在全生命周期的运动过程与受力情况。实验室在尺度、加载功能、试验可靠性等方面均显著突出,达到世界一流水平,解决了卡脖子问题,具有不可替代性,可以确保我们海洋核心装备设计的安全可靠,而且具有很高的科研价值。深海立管触地段安全实验室得到了中国船级社、中国海油各位专家的一致认可,以及中国造船学会、中国造船工程咨询协会权威专家的高度评价。目前,实验室已顺利通过中国船级社技术认证与中国海油验收,已为深海一号完成试验,后续将开展更多试验,为我国不断向深海进军,提供更有力的技术支撑。

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3.全尺寸深海压力舱复合加载试验平台

实验室原有压力舱只能做静水压加载试验,对其进行升级改造,增加了轴力扭力加载系统、循环弯矩加载系统、内压加载系统、侧向振动加载系统、舱盖开闭智能系统、智能阀门密封系统、深海摄像系统及远端智能控制系统。试验舱的内径为1.6m,长度11.5m,可模拟12000m水深,可施加6000kN轴向作用力,200kN·m的扭转作用力,600kN·m的弯矩,能够实现水压、轴向力、扭矩、弯矩、碰撞、地震、内波等复杂深水载荷联合加载,可施加包括三角形、梯形侧向载荷,具备在世界任何海域完成全尺寸深海采矿研究、设计试验的能力。该试验装置是世界上尺寸最大、功能最全、试验能力最强的全尺寸深水海底结构专用仿真试验装置。平台的建成,使得我国可以第一时间对海洋工程项目进行试验,保证质量和工期,已为深海一号完成试验。

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4.深海立管三维动态干式模拟实验室

试验室长15 米,宽10米,高10米,在试验室中部设置1套放置运动模拟器的绗架框架,框架设置可调节高度的上下移动绗架平台。运动模拟器安装在上下移动绗架平台的中间位置,试验时运动模拟器在电脑控制下模拟海工平台运动,四周设置工作船轨道和悬挂模拟管线,上下移动绗架平台最高达8米,地面铺设海图,框架水平中心位置及为海图中海工平台的中心位置。该实验室在Tchnip公司研制的静态模型基础上增加了很多新功能,就模拟性能而言,增加了动态模拟的功能以及配套的结果捕捉工具,同时模拟深度也有所提升,最高可模拟10000m的深水海况。其可在大型海洋平台、水下系统和管线安装、定位和生产工况作全方位即时模拟,因而对突发性的灾害进行预测和报警,为油田开发作业过程中的安全运行提供保障。

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平台为深海一号项目进行了管线间的物理干涉模拟试验,模拟了深海环境下立管的运动情况,从而验证了管线预设间距的合理性,填补了国内深海管线模拟技术的空白。

5.深水立管压溃和屈曲分析软件

为了验证试验结果的准确性,团队自主开发的有限元软件,具有深水立管外压压溃和屈曲分析功能,计算准确性不低于商业软件的91%,软件计算结果与试验偏差不超过4.8%,并通过了第三方认证。软件核心优选向量式有限元方法,具有处理多非线性问题的优势,适用于求解大变形、大变位问题。完成了算法设计及向量式有限元核心代码的开发和调试;优化了程序效率,采用并行技术,计算时间节省92%。

团队在深海油气软件技术的卡脖子问题上实现了突破,一举打破了西方国家的技术垄断,研发了具有独立知识产权的深水立管压溃及屈曲分析软件,可实现(超)厚壁立管安全分析,通过了教育部国内外科技查新,软件各项功能世界一流。该软件已服务于深海一号项目,对我国南海油气资源开发及深海油气软件核心技术的掌握具有里程碑式意义。

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6.通过试验验证,实现国产钢管取代进口钢管

依托本实验室,成功完成了全尺寸深水油气输送管道屈曲压溃、屈曲传播、止屈试验共103组,缩比尺等实验400多组。使我国深水管道的试验不需受制于国外技术,能够为国内企业节省大量的试验成本,缩短了工期,带来直接经济效益。

基于理论研究及大量的试验数据,建立了材料强度分布模型,通过控制变异系数,验证了国产钢管质量与进口钢管几乎一致,屈服强度服从正态分布,满足深海使用要求,实验验证帮助天津钢管公司等我国几家企业海洋工程用钢管通过国家及国际规范标准,成功应用于深海一号项目,价格百分之五十以下,供货及时,为我国深海油气开发提供技术和试验支持。 

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2022年4月10日,习近平总书记特意连线天津大学深度参与研发的“深海一号”油气开发装备,并指示:建设海洋强国是实现中华民族伟大复兴的重大战略任务。要推动海洋科技实现高水平自立自强,加强原创性、引领性科技攻关,把装备制造牢牢抓在自己手里,努力用我们自己的装备开发油气资源,提高能源自给率,保障国家能源安全。

未来,团队将继续发挥高校资源与优势,在人才培养、科研创新等方面再出成果,为海洋强国服务,为国家和民族振兴贡献力量!


《启航2023——中央广播电视总台跨年晚会》情景讲述《筑梦深蓝》,演绎“深海一号”项目遇到技术瓶颈时,研发设计团队忘我攻坚的细节,以碧海丹心之志彰显了对于能源事业的热爱与奉献


原视频请点击链接
https://w.yangshipin.cn/video?type=0&vid=t0000737tvh&cid=4yi8lj3gownnii3


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