信息綜括

中國石油天然氣集團(tuán)公司海洋工程重點實驗室的特色試驗技術(shù)

0 引言

隨著海洋石油工程業(yè)務(wù)的開展，中石油對海上石油開采的投入力度逐漸加大，針對海洋工程的各種試驗需求也逐漸增多。為保障中石油的海洋石油開發(fā)，全面提升中石油在海洋工程技術(shù)服務(wù)領(lǐng)域的核心競爭力，為中石油海上業(yè)務(wù)的中長期發(fā)展與可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，中石油在2007年將海洋工程重點實驗室納入創(chuàng)新體系框架。海洋工程重點實驗室以中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司的工程技術(shù)研究院為主體，聯(lián)合中國石油大學(xué) （華東）的海洋石油工程研究所共同組建，于2008年12月正式開始建設(shè)，目前已投入應(yīng)用 （見圖1）。

1 實驗室定位及特色技術(shù)

1.1 實驗室定位

中石油海洋工程重點實驗室結(jié)合目前中石油海洋主營業(yè)務(wù)的發(fā)展需求，把 “完善技術(shù)配套、形成基本滿足渤海灣油氣勘探開發(fā)的工程技術(shù)需要、形成100 m水深以內(nèi)海洋工程綜合配套技術(shù)、掌握淺海油氣勘探開發(fā)工程核心技術(shù)、準(zhǔn)備深水開發(fā)海洋工程技術(shù)、在局部擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的專有技術(shù)” 定為實驗室的建設(shè)目標(biāo)，主要圍繞淺海工程技術(shù)、海洋工程結(jié)構(gòu)建造安裝技術(shù)、水下裝備工程技術(shù)、海洋工程地基與基礎(chǔ)和深水結(jié)構(gòu)工程技術(shù)等進(jìn)行了重點建設(shè)。

1.2 實驗室特色技術(shù)

經(jīng)過近兩年的建設(shè)，海洋工程重點實驗室在原有的試驗技術(shù)上進(jìn)行完善創(chuàng)新，目前形成了波流水槽試驗、海工結(jié)構(gòu)物承載力試驗及基礎(chǔ)土力學(xué)特性測試、CTOD斷裂力學(xué)評價及焊接工藝評定等數(shù)套成熟的特色試驗技術(shù)，并已經(jīng)為在研的一些課題提供了試驗服務(wù)與技術(shù)支持。

1.2.1 波流水槽試驗技術(shù)

實驗室建有46 m×1.5 m×1.5 m（長、寬、深）的波流水槽，可以進(jìn)行各種規(guī)則波、不規(guī)則波、潮汐、海流模擬。配有多波束測深儀、超聲地形儀、波壓力傳感器、浪高儀、ADV流速儀、光電測砂系統(tǒng)等 （見圖2～圖5），能夠進(jìn)行各種工況下的海工結(jié)構(gòu)物波浪力、斷面穩(wěn)定性、拖航安裝機(jī)理、海工結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)沖刷試驗等。

形成的特色技術(shù)包括：

（1）海工結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)沖刷機(jī)理研究及防護(hù)措施。

（2）淺海海底地形三維測繪。

1.2.2 海工結(jié)構(gòu)物承載力試驗及基礎(chǔ)土力學(xué)特性測試技術(shù)

實驗室同建有6 m×4 m×2.5 m （長、寬、深）土力學(xué)試驗池，內(nèi)部土體可根據(jù)試驗需要取自不同海域，配以電液伺服動態(tài)加載試驗機(jī)，能夠模擬不同地質(zhì)環(huán)境下的海工結(jié)構(gòu)物在波浪、海流、海冰等載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)以及進(jìn)行承載力試驗研究；實驗室配置了土工動三軸循環(huán)剪切儀、多功能動力液壓扭轉(zhuǎn)剪切儀、共振柱測試儀等國際上先進(jìn)的土力學(xué)測試分析設(shè)備 （見圖6、圖7），能夠進(jìn)行海工結(jié)構(gòu)物地基基礎(chǔ)液化研究、小應(yīng)變下海洋土的剪切模量和阻尼比的測試分析等。

形成的特色技術(shù)包括：

（1）海工結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)承載力試驗技術(shù)。（2）海洋地基土動力試驗以及液化判定技術(shù)。（3）復(fù)雜應(yīng)力下海洋土的工程特性評價技術(shù)。

1.2.3 CTOD斷裂力學(xué)評價及焊接工藝評定技術(shù)

實驗室配有低溫沖擊試驗機(jī)、微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)、水下電焊機(jī)、熔滴過渡高速攝影系統(tǒng)、大型光學(xué)金相顯微鏡等設(shè)備 （見圖8、圖9），可以對海工結(jié)構(gòu)物焊接接頭進(jìn)行CTOD測定，結(jié)合相關(guān)斷裂力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行焊接結(jié)構(gòu)的安全性評估；通過對不同母材焊接性的分析，匹配合理的焊接工藝參數(shù)，進(jìn)行焊接接頭的各種力學(xué)性能試驗，完成焊接工藝評定。

形成的特色技術(shù)包括：

（1）CTOD斷裂力學(xué)評價技術(shù)。

（2）焊接工藝評價技術(shù)。

（3）K T Y特殊節(jié)點自動焊技術(shù)。

1.2.4 全尺寸海底管道疲勞試驗技術(shù)

實驗室在建設(shè)過程中試制了一套全尺寸疲勞試驗機(jī)，采用多點協(xié)調(diào)加載技術(shù)，可以進(jìn)行直徑為100～610 mm的全尺寸海底管道疲勞試驗 （見圖10）。目前，國內(nèi)海底管道的疲勞性能研究是通過小構(gòu)件疲勞試驗進(jìn)行的，這在一定程度上改變了鋼結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力形式。實驗室所試制的全尺寸疲勞試驗機(jī)可以對真實尺寸的海底管道進(jìn)行疲勞試驗研究，為國內(nèi)首套用于海底管道全尺寸疲勞試驗的設(shè)備。

1.2.5 水下高壓環(huán)境下海工結(jié)構(gòu)物強(qiáng)度檢測技術(shù)

實驗室在建設(shè)過程中試制的深水壓力模擬系統(tǒng)由工作壓力為15 MPa和30 MPa的兩個壓力艙組成，其中1515壓力筒內(nèi)徑1.5 m，總長3 m，可以模擬1 500 m水深；1030壓力筒內(nèi)徑1 m，總長2 m，可以模擬3 000 m水深 （見圖11、圖 12）。利用該設(shè)備可以進(jìn)行深海探測儀器、取樣設(shè)備以及作業(yè)裝置等海工結(jié)構(gòu)物在高壓條件下的水密性檢驗、承壓強(qiáng)度檢驗、壓潰試驗、疲勞試驗等。

2 實驗室建設(shè)經(jīng)驗總結(jié)

實驗室結(jié)合中石油海上主營業(yè)務(wù)的需求，兼顧未來我國海洋油氣開采的長遠(yuǎn)發(fā)展，在建設(shè)過程中總結(jié)了一些寶貴的建設(shè)經(jīng)驗，期望能為今后實驗室的完善以及國內(nèi)外同類實驗室的建設(shè)提供參考。

（1）重視新技術(shù)的追蹤和應(yīng)用。實驗室十分注重新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，在研制的海工結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)沖刷試驗?zāi)M系統(tǒng)中，首次采用了可連續(xù)行走進(jìn)行地形數(shù)據(jù)采集的超聲探頭；試制了國內(nèi)首套全尺寸疲勞試驗機(jī)；在國內(nèi)首次嘗試采用了自動加載控制以及自動縮緊結(jié)構(gòu)的臥式高壓艙。

（2）充分利用現(xiàn)有試驗條件。實驗室在原有波流水槽的基礎(chǔ)上試制拖航測車，與造流系統(tǒng)聯(lián)合使用，可以進(jìn)行海洋平臺拖航定性研究，同時可以替代傳統(tǒng)的循環(huán)水槽進(jìn)行螺旋槳敞水試驗等；將CTOD測定技術(shù)與斷裂力學(xué)相結(jié)合，在原有力學(xué)試驗機(jī)的基礎(chǔ)上形成了焊接工藝評定技術(shù)。

（3）數(shù)值模擬能力開發(fā)。實驗室十分注重數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合，互相驗證，在建設(shè)中引進(jìn)了有限元計算、水動力分析、海底管道設(shè)計、機(jī)械設(shè)計仿真等軟件，并在使用中對其進(jìn)行二次開發(fā)，拓展其功能，目前已經(jīng)成功開發(fā)了SACS和ABAQUS接口、Hydrostar和ABAQUS接口等程序。

中國石油集團(tuán)海洋工程重點實驗室 姚志廣 秦延龍 供稿

2010-08-25