通過設計和建造上的嚴格要求,即便是三五千噸的船隻正面撞擊“海洋石油981”,也很難使其發生傾覆等狀況
  《瞭望東方周刊》記者山旭  葛江濤/上海報道
  三年多前“海洋石油981”交付時,對於大多數中國人來說,它還只是國家重大裝備製造領域中不太引人註目的一個。
  包括這座龐大設備有點拗口的正式名稱:第六代深水半潛式鑽井平臺,聽起來也讓普通人一知半解——總之,它很大,能在很深的海洋中鑽井,也許僅此而已。
  如今,“海洋石油981”已像南海礁盤上那些巋然不動的主權碑一樣,成為中國在這片海洋存在的象徵。
  讓我們把目光暫時從西沙移開,投向位於上海浦東的上海外高橋造船有限公司——“海洋石油981”的誕生之地。
  自2008年4月28日切割第一塊鋼板,到2011年11月30日進行海上移交,大約1000天的“海洋石油981”建造、調試過程,凝聚了中國人對於海洋的夢想、理解,還有與海洋有關的智慧與技術。
  當然,不只是這1000天的努力。向前,人們至少可以追溯到2002年開始孕育的跟蹤項目,乃至上世紀70年代末中國對於此類平臺的第一次重大嘗試。
  由此向後展望,那些具有更遠大抱負的建造者,正急於彌補“海洋石油981”的一些缺憾,實現未盡的期望。
  為海洋權益奠基
  時間回到2002年春天,也就是“海洋石油981”正式動工6年之前、平臺交付10年之前。
  剛剛到外高橋造船有限公司報到幾個月的上海交大結構力學博士畢業生陳剛,被選中參與一個重大項目:“新型多功能半潛式鑽井平臺研製”。
  它是原國防科工委提出的“十五”高技術船舶科研計劃48個重點項目中的一個。
  如今看來,“新型多功能半潛式鑽井平臺研製”揭開了中國進軍深水開發的序幕。值得註意的是,就在2002年,中國新增石油產量的85%來自海洋。
  只是當時,大多數人還未關註到它打開的全新世界。
  由於國際油價低迷和其他複雜因素,此前20年中國的先進深水海洋鑽井平臺一直處於空白狀態,這也是當時整個中國海洋工程低迷狀況的一個縮影。
  雖然擁有廣袤的海疆和豐富的海洋能源,但中國上一次對深水半潛式鑽井平臺的嘗試還要追溯到1983年,當時由上海船廠建造了最大工作水深200米、最大鑽井深度6000米的“勘探三號”。
  1974年,日本開始在東海中國海域擅自進行能源勘探。國務院和原地質礦產部啟動“勘探三號”項目,以捍衛中國海洋主權和海洋資源權益。
  作為2.5代深水半潛式鑽井平臺的“勘探三號”建造歷時十年,期間經歷各種曲折。“但它還是達到了當時的國際先進水平。”這個項目的主持者之一、後任國土資源部海洋辦公室副主任的蕭漢強對《瞭望東方周刊》說,“勘探三號”後來還租借給美國、俄羅斯,在全球各地工作。
  至今仍在服役的“勘探三號”很好地完成了國家賦予它的使命:它在東海的工作,奠定了今日中國東海系列海上油氣田的基礎。
  其中,“勘探三號”完成的最深井就是位於東海的“天外天一井”,它以5000.3米的深度,長久地保持著中國海底油氣井的最深紀錄。產量最高的則是東海“平湖四井”。
  此後約20年間,中國在這個領域的技術水平,由“勘探三號”時的世界前列,一直掉落到國際第三集團。
  “歐美是第一集團,掌控了主流海工裝備的基本設計,韓國、新加坡是第二集團,是海工裝備製造的主力軍。”如今已經擔任外高橋造船廠副總工程師的陳剛說,“其實這段時間,國際海工裝備製造也在逐步進行產業轉移,從西方國家轉移到亞洲,韓國的海工裝備建造也正是從80年代中後期逐步得到發展,併在新世紀開始發力快速成長起來的。”
  到2002年,陳剛他們和中國船舶及海洋工程設計研究院、上海交通大學等單位啟動“新型多功能半潛式鑽井平臺研製”時,手上幾乎是一片空白。
  “開始這個課題主要任務是跟蹤,就是瞭解當時國際上最先進的設計水準是什麼樣,搞深水半潛平臺需要攻剋哪些關鍵技術,當時還是以第五代平臺為主。”陳剛說,作為一種以深水為主的先進鑽井平臺類型,深水半潛式鑽井平臺自1962年出現,代際之間主要以平臺的工作水深、可變載荷、鑽井能力等為劃分原則。
  2002年為研製“新型多功能半潛式鑽井平臺”,陳剛隨外高橋造船有限公司的高層領導到新加坡調研。該國是全球最強大的深水鑽井平臺製造地。
  “我們在船塢里看到了一座平臺,是第五代。當時看到它的那種心情,就是完全沒有想到我們也會在不久的將來能建造一個,因為當時感覺差距太大了。”陳剛說。
  就在2001年,被稱為中國海洋地質之父的中科院院士劉光鼎上書中央,提出“油氣二次創業”的建議。
  除了採取新的能源勘查理論,這份報告揭示了中國之前油氣勘探與產出之間的巨大差異,也警示中國將面臨更嚴重的能源挑戰。
  此後,一系列能源勘探、開發的課題、項目立項。
  “從‘十五’末期開始,國家對海洋能源開發投入加大。接下來的‘十一五’期間,國防科工委、國家科技部‘863’計劃再次投入經費,以我國南海油田的實質性開發項目為依托工程,對深遠海油、氣開發裝備的關鍵技術進行更深入的研究。”工信部高技術船舶科研計劃海洋工程裝備專用系統和設備專家組成員肖文生對《瞭望東方周刊》說。
  用一萬張片子“體檢”
  2006年夏天,距“海洋石油981”正式動工兩年前。
  外高橋造船廠30萬噸海上浮式生產儲油船建造現場,當時擔任外高橋造船廠海洋工程部副部長的陳剛遇到了一位低調的訪客。
  對方來自中國海洋石油總公司工程建設部,後來擔任“海洋石油981”的項目總經理。而陳剛本人,則成為外高橋造船有限公司“海洋石油981”項目的負責人。
  “我們聊了一會兒,就談到了中海油決定要建造這樣一個裝備。”他回憶說,這是他第一次知道中國決定建造第六代深水半潛式鑽井平臺,對方就是到外高橋造船廠來勘查船塢的。
  對於這個消息,陳剛難掩興奮,他連忙向船廠領導作了彙報。雖然此前幾年都在進行相關積累,但這個計劃對於他們來說,還是有些意外。
  其實在2006年7月,國家科技部社發司曾在北京組織召開了“十一五”863計劃“南海深水油氣勘探開發關鍵技術及裝備”重大項目的實施方案論證會。
  當時,由劉光鼎等9位院士,會同國土資源部、中國海洋石油總公司、中船重工集團等單位,對這一重大項目的實施方案進行了咨詢論證。
  作為其間一系列重大科研項目的代表,“南海深水油氣勘探開發關鍵技術及裝備”的實施,被認為對於滿足中國深水海洋油氣資源勘探開發的重大需求、使中國深海油氣勘探開發技術實現跨越式發展,意義重大。
  院士們的意見是“儘快啟動”。這個重大項目的2.43億元投入中,一部分就流向了“海洋石油981”的關鍵設備和技術。
  而此前,原國防科工委、發改委、科技部等已有若干投入。
  “我們60%多的油氣依靠進口,如果再不重視海洋,一旦有突發情況,路上的汽車都得停。”劉光鼎院士對《瞭望東方周刊》說。
  一直參與“中國第一船廠”競爭的外高橋造船有限公司,自上世紀90年代末建立伊始,就確定了船舶與海洋工程並舉的發展之路。2003年外高橋造船有限公司交付的成立以來的第一個項目,就是海洋工程項目——海上浮式生產儲油船,即通常所說的FPSO。
  2002年至2004年,在陳剛於外高橋造船廠工作的前3年間,外高橋造船廠就交付了兩個代表性的海洋工程裝備:15萬噸、16.2萬噸的“海洋石油111”和“海洋石油113”兩艘FPSO。
  而在“海洋石油981”之前,陳剛遇到的最大挑戰就是2007年交付的30萬噸FPSO“海洋石油117”。
  除了噸位更大,對於陳剛和他的團隊來說,最大不同其實是整個設計建造流程中的精細和嚴謹。
  這艘FPSO由美國康菲公司訂造,用於這家公司和中國海洋石油總公司聯合開發的海上油氣田項目。
  “前兩個項目做完,我們團隊覺得至少在FPSO這方面沒什麼太大的技術難度了。”陳剛回憶說,但美國石油公司對於海洋工程裝備設計建造的嚴苛要求,對他們來說具有“顛覆性”。
  “很多文件從來沒見過,規範和標準無比詳細,比如美國公司要求對全船每一個設備的維護和維修都需要作弔運分析,對所有的關鍵系統都在基本設計和詳細設計上作風險評估。”陳剛說,另一方面,“咱們的人員大多是設計船舶出身,很多設計邏輯和思維都是從船舶設計移植過來的,不適應國際化海洋工程項目對設計方案的安全性、操作便利性等方面的高要求。”
  其實,對於以建造散貨船著名的上海外高橋造船有限公司來說,發展海洋工程裝備不僅是兩條生產線這樣簡單,而是造船文化和海工文化的衝突與磨合。
  前者側重於結果導向,按規範設計、採購,按圖施工,檢驗出結果;後者則出於對高投入、高風險等因素的考慮,更側重於過程導向,按程序做事,按程序出結果,所有的過程、環節和結果都必須可追溯。
  至於建造過程與工藝,海洋工程帶來的是完全不屬於同一級別的挑戰。
  “散貨船的結構、鋼板占空船總重的60%,設備、管線、電纜等占40%。海洋工程裝備相反,也就是說設備、系統更多、更複雜,它的系統集成工作量是散貨船的5倍以上,包括設備和系統的安裝、機械電氣完工、預調試和調試等等。”陳剛舉的一個例子是,一般轎車上有二三十個傳感器,散貨船有五六百個,“海洋石油981”上超過一萬個。
  在焊接完成後,一艘十幾噸的散貨船要進行無損探傷——也就是用類似對人體拍CT的方式查看焊接縫表層和內部是否存在缺陷——需要拍三五百張片子,而一般的海洋工程裝備是照5000張左右。
  “海洋石油981”拍的片子超過一萬張。
  2006年8月,中國海洋石油總公司就第六代深水半潛式鑽井平臺發出投標意向徵詢函,正式確認了這個項目的存在。
  2007年6月,外高橋造船廠提交標書。
  2007年10月,中國海洋石油總公司正式與外高橋造船廠簽約,時任上海市委書記習近平出席簽約儀式。
  以上,就是“海洋石油981”啟動建造之前的故事。
  焊接長度240公里
  2008年4月28日,位於浦東北端的外高橋造船廠,數控等離子切割機切割了第一片材料,標志著“海洋石油981”正式開工。
  建造“海洋石油981”的材料中有大量高強度鋼,因為堅固和安全是對這個巨大裝置的第一要求。
  “海洋石油981”總設計師、中國船舶及海洋工程設計研究院海洋工程部副主任沈志平告訴《瞭望東方周刊》,“海洋石油981”的基本要求,就是適應南海的海況。
  比如,以百年一遇的風浪作為設計基礎,然後又用200年一遇的風浪進行了模擬檢驗,這相當於遭遇17級颱風。
  最終,在上海交大的海洋工程重點實驗室對幾十種海況進行了模擬實驗,此外計算機還對1000多種海況作了模擬運算。
  另一個要點是:“海洋石油981”有複雜的錨泊系統,也就是用船錨進行停泊。它有12個15噸重的船錨,每個都可以產生800多噸的抓力。
  船錨鏈每根長1750米、重約280多噸,其中還加入了以高強度尼龍繩為主的合成纖維索,從而吸收平臺移動產生的能量。
  在需要時候,這個系統可以每分鐘156米的速度將船錨快速拋射出去,它自己也帶有傳感器,隨時探知自己承受的壓力。
  在後來的調試過程中,“海洋石油981”兩次遭遇風力超過15級的颱風襲擊,都沒有發生移動。
  此外,由於南海海域較大,返回陸地補給困難,“海洋石油981”要求有世界最大的9000噸可變載荷。而這後來又給它的建造帶來了極大的難題。
  “‘海洋石油981’未來將工作於環境條件惡劣的南海,對建造質量的要求幾近苛刻,針對焊接要求高的特點,我們組織了超過2000人的焊工考試。”陳剛說,最好的焊工才被揀選,參與建造“海洋石油981”。
  當時負責現場建造的外高橋造船有限公司海洋工程部副部長張偉告訴《瞭望東方周刊》,由於大量使用了高強度鋼,給焊接帶來了巨大挑戰:對除銹、濕度、溫度都有很高的要求,“濕了容易產生氣孔。因為要比較高的焊前溫度,就用電熱夾板一樣的裝置進行預熱,焊接完還要作保溫處理。”
  許多零部件的高強度鋼都是從國外進口,“一塊板子返工兩次,就廢掉了。”他說,所有位置的焊接都採用可以追溯的實名制,在探傷檢查時如果發現問題,“直接淘汰責任人。”
  整個“海洋石油981”的焊接長度是240公里,其中包括30公里平面焊接、210公里直角焊接。
  這個距離,大約是從北京到天津再返回。“由於焊接時要往複焊,焊槍走過的實際距離要遠遠超過這個長度。”外高橋造船有限公司海洋工程部副部長曹志兵說。
  對堅固度的苛刻要求,使建造面臨的挑戰幾乎無處不在。比如,通常安裝室內防火門要在鋼板上開方形孔,然而,由於大量採用強度超高、柔性不足的20毫米以上高強度鋼,如果打方孔,四個角會因受力過大而開裂。
  經過計算,只有在四個角上開一定弧度的圓角,才能夠保證鋼板的堅固,但這樣又和防火門形狀衝突。
  最終,“海洋石油981”上的防火門都是在圓角的門框上又上下左右各補了鋼板,從而達到安裝要求。
  由於需要其他船隻靠近補給等原因,“海洋石油981”也對可能發生的碰撞和摩擦有所考慮。
  沈志平和陳剛都告訴本刊記者,通過設計和建造上的嚴格要求,即便是三五千噸的船隻正面撞擊“海洋石油981”,也很難使其發生傾覆等狀況。
  最精確的“拼積木”
  2009年4月20日,第358天,在外高橋造船廠一號船塢舉行鋪底儀式,“海洋石油981”開始吊裝。
  對於“海洋石油981”來說,總體建造過程就像拼積木:首先將其分解成為200多個100多噸的分段進行建造;完成後運輸至外高橋一號船塢的組裝平臺,再組合成為幾百噸重的總段;最後通過1000噸級的龍門起重機吊裝在一起。
  這個過程的名稱像個音樂術語——“節拍式總段連續搭載法”,也就是不同部分按照不同的規律進行拼裝。
  比如浮箱一共吊裝了20次,間隔大約10天;浮箱上的立柱吊裝12次,間隔20天;到最後甲板作業平臺,則是每3天左右吊裝一個部件。
  “吊裝完成一部分後,立刻把大型設備也弔進去安裝,然後再吊裝上邊的總段。比如四個立柱里都分為幾層,裝有不同的設備。”張偉說,所以“節拍”要拿捏精準。
  吊裝84米高、1000噸重的井架,是整個過程中最具挑戰性的環節之一:浮吊裝船要把分成幾節的井架一段一段對應吊裝好,“上下兩個部分就有六個安裝點,要分毫不差地弔在一起。兩個部分都是在海上浮動的,處於動態之中。”陳剛回憶說。
  最終這個環節用時500分鐘,效率每小時96噸;吊裝效率最高的是浮箱,每小時138噸。
  如果從建造工藝上說,最大的挑戰也許是主甲板。
  這是一個比標準足球場還大的平臺,它面臨的問題是:如果在製造時處於完全水平狀態,一旦安裝到立柱上,中間部分受重力等原因就會下墜,成為一個中間下凹的弧面。
  研究了兩個月,最終的解決辦法是:先用計算機精確模擬吊裝到立柱上後、每增加一個建築所受的力。
  根據這些數據,在建造時使甲板有一個上凸的弧面。等吊裝完畢,疊加上井架、生活樓等大約2000噸的建築、裝備,乃至以後搭載的裝備,凸起正好受力壓平。
  如此巨大的甲板,是為了滿足創紀錄的可變載荷:9000噸。
  陳剛說,可變載荷大,不僅可以使 “海洋石油981”攜帶更多的柴油和生活補給,增加平臺的自持能力,而且可以在主甲板面堆放更多的鑽井工具和設備,更高效地完成勘探任務。
  “海洋石油981”可以在水深3000米的地方作業,最深可達一萬米。
  與複雜的工藝相比,陳剛覺得,在“海洋石油981”的建造過程中,更多遭遇人的挑戰。
  整個建造過程,使用了600萬個工時,也就是600萬人同時工作一小時的工作量。在2009年建造高峰期,平均每天有1200人在現場施工,最高時達到1500人。
  “說實話,應該是與近20年的教育有關,培養技能工人的體系基本沒有了。現在找到熟練的機電技能工人很難,這在很大程度上制約了我們的發展。”陳剛說。
  外高橋造船廠在2005年就達到了年產800萬噸的數量級,負責這些船舶調試的是一個140多人的團隊。
  而在“海洋石油981”最後的調試過程中,這一個項目就要上100人。
  張偉說,在“海洋石油981”項目中進行高強度鋼焊接的工人,月收入略超1萬元,“成熟的技術工人,過去幾年國內還是很缺乏的。這些年隨著海工裝備的發展,我們自己培養,由老師傅帶著,給他們燒焊,讓他們學習。”
  他說,從技校畢業的新手到可以上臺面對高強度鋼,需要練習過成百上千塊鋼板。
  “海洋裝備的影響太大了。”曾在1958年組建中國第一個海洋物探隊的劉光鼎說,在向西方學習先進技術的同時,重視本國基礎工業的發展,更要註重培養基礎工業人才,“很多高端設備都是手工製造的,我們需要有高端的技術工人。”
  17級颱風中穩定如一
  2010年2月26日,第670天,“海洋石油981”出塢。
  離開船塢是一個極其精細的作業過程:由於體形過於龐大,它與船塢的距離,幾乎是外高橋一號船塢生產過的產品中最小的。
  在垂直方向上,由於重量過大,它在最高潮位時距船塢底,只有0.7米。
  除了以每分鐘10米以下的速度小心翼翼地移動,在“海洋石油981”出塢時,還要在船塢兩岸派專人觀察它與船塢壁之間的距離,一旦出現問題就立刻把隔斷物塞進去,防止直接摩擦。
  為這次出塢,上海外高橋造船有限公司先後專門召開了多次內部論證會,中國海洋石油總公司也召集了國內專家對出塢作業進行了專題審查,包括保險公司、海上拖航、海上安裝等多領域的專家,對出塢作業提出了多項風險防控措施。
  2011年夏天,已經離開船塢一年多的“海洋石油981”,進入最後一個關鍵建造環節:在海面安裝8個大馬力推進器。這也是它在南海風浪中保持穩定的最主要依靠。
  除了錨泊,“海洋石油981”擁有被稱為“DP3”的動力定位系統——由GPS衛星定位、調整系統和可以360度旋轉的推進器組成。
  即使遭遇17級颱風,計算機隨時根據定位,調整推進器的方向和馬力,最終使“海洋石油981”穩定於海面一個點。
  推進器高3米多,無法在外高橋造船有限公司的碼頭安裝,必須拖航到舟山附近30米深的海域才能完成安裝作業。
  這也是中國第一次在海上進行深水半潛式鑽井平臺的推進器水下安裝作業。
  先由浮弔船將推進器弔入水下21.5米處,然後潛水員將推進器上的牽引鋼絲繩拉到浮箱下的提升纜繩上。這樣再用浮箱上的機器通過提升纜繩將推進器拉近,最終對位進去浮箱下的開口。
  陳剛說,在東海的風浪中,這項工作一度因為推進器和開口尺寸問題停滯了兩天。
  他承認,在歷時3年多的建造過程中,“海洋石油981”遭遇了諸多意料之外的挑戰和困難,“但是我們年輕的海工團隊成功借鑒了從‘海洋石油117’中學習來的先進國際海洋工程項目的管理經驗和設計經驗,平穩有序地推進了‘海洋石油981’平臺的設計、建造、調試和海上安裝、聯合調試。”
  儘管這一團隊有60%的人員是2006年至2009年才離開學校的新人,每個崗位的平均年齡較世界領先的韓國現代、三星船廠都有10歲左右的差距,但他們是真正和“海洋石油981”一起成長的人。
  2012年9月,“南海深水油氣勘探開發關鍵技術及裝備”驗收,它的成果集中在深水油氣資源勘探、鑽完井、海洋工程和安全保障三個方面,“海洋石油981”名列首位。
  至此,中國人獲得了在3000米深水進行油氣勘探開發的技術能力,以及4000米深水海洋工程試驗的能力。
  在此基礎上,“十二五”期間“863計劃”在海洋技術領域已啟動“深水油氣勘探開發關鍵技術及裝備”重大項目。
  “以期為維護我國海洋權益,推動我國油氣工業走向深水和海外提供強有力的技術和裝備支撐。”劉光鼎院士在這次驗收會上提出。
  “深水油氣勘探開發與航空航天工業,並稱為21世紀兩大尖端高科技行業。深水鑽井平臺和裝備是流動的國土,是國家綜合實力的象徵,可以以開發行為介入資源保護,作為中國造船的主力軍,我們責無旁貸,時刻準備迎接新的挑戰。”陳剛說,所有的努力就是為了一個結果:提升中國在海洋開發中的話語權。
(原標題:為南海而生——你所不知道的“海洋石油981”)
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