我國(guó)浮式海洋結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)浮式海洋結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

中國(guó)是一個(gè)人口眾多的國(guó)家，土地資源有限。然而，中國(guó)擁有300萬(wàn)多公里的沿海地區(qū)，其中豐富的礦產(chǎn)、能源和生物資源。近年來(lái),以有效利用海上空間和海洋資源開(kāi)發(fā)為目的的各種浮式海洋結(jié)構(gòu)引起了廣泛關(guān)注。浮式海洋結(jié)構(gòu)作為一種海洋技術(shù),機(jī)動(dòng)靈活,造價(jià)較低,對(duì)環(huán)境影響小,特別適用于深水;且可緩解土地資源緊張,具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景?！秶?guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》將海洋技術(shù)列為前沿技術(shù),重視發(fā)展多功能、多參數(shù)和作業(yè)長(zhǎng)期化的海洋綜合開(kāi)發(fā)技術(shù),重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)天然氣水合物勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)和大型海洋工程技術(shù)等。國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十一個(gè)五年規(guī)劃也指出,要開(kāi)發(fā)和保護(hù)海洋資源,積極發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì);加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和前沿技術(shù)研究,在海洋等戰(zhàn)略領(lǐng)域超前部署,集中優(yōu)勢(shì)力量,加大投入力度,增強(qiáng)科技和經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的后勁。我國(guó)海域遼闊,研究發(fā)展浮式海洋結(jié)構(gòu)對(duì)我國(guó)開(kāi)發(fā)海洋資源、增強(qiáng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)和軍事實(shí)力都有非常重要的意義。1天然氣天然氣天然氣我國(guó)海上石油資源初步探明儲(chǔ)量400億t左右,天然氣14萬(wàn)億m3以上,而且擁有豐富的可再生能源。浮式海洋結(jié)構(gòu)在海上油氣開(kāi)采、海洋新能源開(kāi)發(fā)方面具有廣闊的前景。1.1浮式平臺(tái)后加式隨著深海油田的不斷發(fā)現(xiàn)和開(kāi)發(fā),很多國(guó)家都把注意力放在研制浮式結(jié)構(gòu)上,許多新型海上石油生產(chǎn)裝置不斷涌現(xiàn),據(jù)2004年的統(tǒng)計(jì)資料,全世界擁有204座浮式平臺(tái),其中半潛式平臺(tái)42座、張力腿平臺(tái)19座、立柱式平臺(tái)15座、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置128座。浮式平臺(tái)由于是“浮動(dòng)”而不是“固定”,可以從一個(gè)地點(diǎn)移動(dòng)到另一地點(diǎn),適用于深水石油開(kāi)發(fā)。日本于1996年建成的白島海上石油儲(chǔ)備基地,有容量為70萬(wàn)m3的儲(chǔ)油船8艘,設(shè)有防波堤防護(hù)。2007年4月我國(guó)上海外高橋造船有限公司建造了當(dāng)時(shí)中國(guó)噸位最大、造價(jià)最高、技術(shù)最新的30萬(wàn)t海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船,其集海上油氣開(kāi)采、儲(chǔ)運(yùn)、加工于一體。1.2浮式lng接收站美孚和BHP公司曾開(kāi)發(fā)出浮式液化天然氣(LNG)平臺(tái),可以機(jī)動(dòng)地用于多個(gè)油田的開(kāi)發(fā)。近年來(lái)出現(xiàn)的浮式LNG廠,不僅節(jié)約投資,而且還能降低生產(chǎn)成本;即便遭到恐怖襲擊,損害程度也不會(huì)太大。日本石川島播磨公司在澳大利亞附近海面興建了世界第一座浮式LNG廠,其規(guī)模相當(dāng)于一艘30萬(wàn)噸級(jí)油輪,可大批量高效率生產(chǎn)。最近,日本最大的石油生產(chǎn)商日本國(guó)際石油開(kāi)發(fā)株式會(huì)社(Inpex)計(jì)劃在印度尼西亞建造一個(gè)投資196億美元的浮式LNG廠。隨著浮式LNG廠的出現(xiàn),LNG接收站也得到了越來(lái)越多的關(guān)注?？紤]到提高其安全性以及縮短訂貨至交貨的時(shí)間,決策者提出了建設(shè)近海接收站的設(shè)想。意大利船級(jí)社研究認(rèn)為,浮式LNG接收儲(chǔ)存終端是經(jīng)濟(jì)可行的,而且與常規(guī)陸上終端相比有很多優(yōu)點(diǎn),特別適用于環(huán)境敏感地區(qū)和人口稠密地區(qū)。2005年4月,世界上第一個(gè)海上LNG接收氣化裝置開(kāi)始商業(yè)運(yùn)營(yíng),拉開(kāi)了海上浮式LNG接收終端的建設(shè)序幕。1.3漂浮式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組海上風(fēng)速大且比較平穩(wěn),因此具有比陸地更好的風(fēng)力資源開(kāi)發(fā)條件。20世紀(jì)80年代,美國(guó)FloWind公司與Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作開(kāi)發(fā)了一種漂浮式垂直軸風(fēng)機(jī)。由漂浮式垂直軸風(fēng)機(jī)組成的漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng),具有成本低、耐用性強(qiáng)的特點(diǎn),可以有效降低海上風(fēng)電的發(fā)電成本,提高經(jīng)濟(jì)效益。隨著近年來(lái)海上風(fēng)力資源開(kāi)發(fā)步伐的加快,需要研制更先進(jìn)的浮式風(fēng)力發(fā)電裝置。另外,海洋還有豐富的波浪能、潮汐能、溫差能、鹽差能和海流能等,這些新能源的開(kāi)發(fā)均需要各種型式的浮式能量轉(zhuǎn)換裝置,例如基于永磁振子的漂浮式波浪發(fā)電裝置。2港口建設(shè)穩(wěn)健增長(zhǎng)我國(guó)港口正處于高速成長(zhǎng)期,到“十一五”末,港口建設(shè)仍將保持高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。隨著浮式海洋結(jié)構(gòu)在港口方面應(yīng)用增多,港口設(shè)施更新?lián)Q代的不斷加速,將推動(dòng)我國(guó)港口的進(jìn)一步發(fā)展。2.1浮港區(qū)的高度浮碼頭通過(guò)自身浮力和錨索固定使其基本維持在固定位置,特別適用于高潮差復(fù)雜海況的港口工程。我國(guó)青島奧帆中心建成的世界上最大的浮碼頭,在4.5m潮差的情況下始終保持半m高的干舷高度。浮碼頭內(nèi)檔可以安裝浮式消能設(shè)施,有效地控制浮碼頭的橫向位移,保證碼頭設(shè)施的正常使用。隨著集裝箱船舶噸位的快速發(fā)展,地中海的馬耳他港和美國(guó)的佛利波特港都建起了活動(dòng)浮式集裝箱碼頭,它可以非常靈活地定位,在國(guó)際集裝箱運(yùn)輸市場(chǎng)具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。2.2本難以應(yīng)對(duì)的局面港口碼頭的擁堵現(xiàn)象越來(lái)越頻繁發(fā)生,僅僅依靠已經(jīng)沒(méi)有更大生產(chǎn)力的岸邊集裝箱起重機(jī)根本難以應(yīng)付這種局面。鹿特丹港務(wù)當(dāng)局開(kāi)發(fā)的全自動(dòng)浮式集裝箱起重機(jī),靈活機(jī)動(dòng),保養(yǎng)方便,具有較好的應(yīng)用前景。目前深海資源開(kāi)發(fā)、海上工程興建逐漸成為熱潮,大型浮式起重機(jī)在海洋石油開(kāi)發(fā)、大型海上工程、沿海風(fēng)電設(shè)備安裝和海難救助等作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。2.3挪威的大型橋墩跨越海灣或入?？诤佣蔚臉蛄和顿Y和施工難度大,浮橋則有一定優(yōu)勢(shì)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),到2001年為止全世界已建成的大型浮橋有10座之多。隨著北海油田的開(kāi)發(fā),挪威逐漸成為浮橋技術(shù)創(chuàng)新的領(lǐng)航者,于1992年和1994年先后建成兩座大型浮橋——伯格斯薩得橋和諾赫德蘭得橋。由于浮橋具有良好的抗震性能,處于地震多發(fā)區(qū)的日本于2000年在大阪港的通航水道上建起一座活動(dòng)浮橋,主跨280m,全長(zhǎng)410m,采用2個(gè)浮筒作為基礎(chǔ)。3魚(yú)類捕收量我國(guó)可供捕撈生產(chǎn)的漁場(chǎng)面積約281萬(wàn)km2,有2500多種魚(yú)類,在保持生態(tài)平衡的條件下,年可捕魚(yú)量500萬(wàn)t以上。但我國(guó)海洋捕撈資源已過(guò)度開(kāi)發(fā),因此必須在限制捕撈量的基礎(chǔ)上加快發(fā)展海水養(yǎng)殖業(yè),如利用魚(yú)礁和網(wǎng)箱養(yǎng)魚(yú)等。3.1人工魚(yú)礁的投放建設(shè)人工魚(yú)礁是恢復(fù)漁業(yè)資源和修復(fù)海洋生態(tài)環(huán)境的重要措施之一。浮式魚(yú)礁主要是為誘集中上層魚(yú)類而設(shè)計(jì)的人工魚(yú)礁。一般投放于水深25~50m,甚至更深水域,礁體高度3~5m。2003年7月,我國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所對(duì)浮式魚(yú)礁進(jìn)行試驗(yàn)后認(rèn)為,浮礁在集魚(yú)以及保護(hù)幼魚(yú)幼蝦方面效果明顯,而且能改善海域生態(tài)。3.2浮式網(wǎng)箱的品種多近十年來(lái),全球網(wǎng)箱養(yǎng)殖發(fā)展迅速,網(wǎng)箱的結(jié)構(gòu)型式多種多樣,其中浮式網(wǎng)箱的品種最多,占52.9%。浮式網(wǎng)箱主要在開(kāi)放海域進(jìn)行養(yǎng)殖生產(chǎn),日常操作和維護(hù)方便,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,造價(jià)也較低。我國(guó)海南于1998年引進(jìn)全浮式重力網(wǎng)箱,開(kāi)始大型深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖。3.3淡水水域的概念為保障浮礁和網(wǎng)箱等的安全,以及避免風(fēng)浪造成的損失,可采用浮式防波堤進(jìn)行掩護(hù)。近年來(lái),浮式防波堤的應(yīng)用越來(lái)越引起人們的重視,因?yàn)樗哂兄亓枯p、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn),具有不破壞水域的整體性和生態(tài)環(huán)境,不改變水流和泥沙運(yùn)動(dòng)條件的特點(diǎn),特別適合需要消浪的深水水域。浮式防波堤的結(jié)構(gòu)型式很多,常見(jiàn)的有箱式浮堤、板-網(wǎng)式浮堤和筏式浮堤。浮式防波堤還能掩護(hù)船舶卸載、換乘及確保水工建筑物的安全。4超浮式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用浮式海洋結(jié)構(gòu)正朝著巨型化發(fā)展,國(guó)際海洋工程界對(duì)超大型浮式結(jié)構(gòu)已有初步的研究,特別是日本和美國(guó)。超大型浮式結(jié)構(gòu)可以用作移動(dòng)基地等,能顯著增強(qiáng)國(guó)家的軍事實(shí)力。4.1作為飛機(jī)起落架平臺(tái)使用日本于1999年8月在東京灣用6塊380m長(zhǎng)、60m寬的矩形漂浮鋼板拼裝成海上浮動(dòng)機(jī)場(chǎng),這種機(jī)場(chǎng)具有很大的軍事價(jià)值,戰(zhàn)時(shí)可以作為支持作戰(zhàn)飛機(jī)的移動(dòng)基地使用。該機(jī)場(chǎng)于2000年成功進(jìn)行飛機(jī)起降試驗(yàn)后,將其拆除用作浮式捕魚(yú)平臺(tái)和浮式停車場(chǎng)等。美國(guó)超大型浮式結(jié)構(gòu)的研究不亞于日本。美國(guó)Weidlinger設(shè)計(jì)院曾為紐約4號(hào)機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)了FLAIR海上機(jī)場(chǎng)方案,能夠滿足包括B747大型客機(jī)在內(nèi)的每小時(shí)100架次的起降要求。此外,加拿大在范庫(kù)弗峰修建了浮式直升飛機(jī)場(chǎng)。4.2美國(guó)聯(lián)邦海上基地1992年美國(guó)撥出?？钣糜谘芯靠梢苿?dòng)式離岸基地MOB(themobileoffshorebase),以減少對(duì)海外基地的依賴。MOB這一概念設(shè)想建造一個(gè)914.4m長(zhǎng)、152m寬的模塊化海上軍事基地,美國(guó)絕大部分飛機(jī)都能在這種軍事基地上操作。它可以用于飛機(jī)的起降和物品的儲(chǔ)藏,還可以快速向海岸輸送各種資源。伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)后不久,美國(guó)又推出了“聯(lián)合機(jī)動(dòng)式海上基地”(JMOB)計(jì)劃。JMOB是一種依靠自身動(dòng)力裝置可在海上遠(yuǎn)航的超大型機(jī)動(dòng)平臺(tái),由它領(lǐng)銜的兩棲登陸作戰(zhàn)可以直接發(fā)動(dòng)攻擊,作戰(zhàn)速度很快。5其他領(lǐng)域的應(yīng)用5.1海上發(fā)射材料浮式海洋結(jié)構(gòu)不僅是資源開(kāi)發(fā)的平臺(tái),也是空間探測(cè)的得力助手。早在20世紀(jì)80年代后期,前蘇聯(lián)和美國(guó)的科學(xué)家就曾設(shè)想建設(shè)海上衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng),但直到1995年海上衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃才被正式提出。海上衛(wèi)星發(fā)射可使衛(wèi)星進(jìn)入地球同步軌道的角度為“零”,可“節(jié)省”衛(wèi)星變軌時(shí)所需的能量,同時(shí)運(yùn)載火箭還可以最大限度地借助地球自轉(zhuǎn)所帶來(lái)的額外推力,使得海上發(fā)射的價(jià)格比陸地發(fā)射低了20%。另外,從發(fā)射的安全性和靈活性考慮,海上發(fā)射也是很好的選擇。海上發(fā)射眾多的優(yōu)點(diǎn)已引起俄羅斯、美國(guó)、挪威和烏克蘭等國(guó)家的高度重視,于1995年4月成立海上發(fā)射公司這一國(guó)際性的合作組織,還成功地進(jìn)行了一次海上衛(wèi)星發(fā)射。5.2速風(fēng)向漂浮浮標(biāo)vewsd浮標(biāo)是海洋觀測(cè)中十分重要的工具之一。美國(guó)國(guó)家資料浮標(biāo)中心20世紀(jì)90年代中期按照價(jià)值工程原則設(shè)計(jì)的風(fēng)速風(fēng)向漂流浮標(biāo)(VEWSD)能夠測(cè)量風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓、表層水溫和加速度等。我國(guó)緊跟其后,1995年成功研制出僅帶水溫傳感器的表層漂流浮標(biāo)并布放于珠江口。浮標(biāo)還能標(biāo)示航道范圍,指示淺灘或危及航行安全的障礙物。除了用于科學(xué)研究、氣象預(yù)報(bào)和海上交通外,浮標(biāo)也可用于近海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)、環(huán)境保護(hù)和國(guó)防建設(shè)等。5.3替代型住房的建設(shè)荷蘭領(lǐng)土的四分之一低于海平面,圍海造地是荷蘭的一大奇跡?，F(xiàn)在越來(lái)越多的城市在計(jì)劃建造水上住房——不單是開(kāi)發(fā)浮式別墅,還包括完整的水上居住小區(qū)。歐姆斯公司于1999年推出首批“水上住房”。建造水上住房,既能解決荷蘭土地短缺的問(wèn)題,又能迎合市場(chǎng)上人們尋求替代型住房的需求。日本的浮式海洋結(jié)構(gòu)發(fā)展很快,在廣島修建了浮式娛樂(lè)設(shè)施,還在東京、大阪和橫濱分別建立了浮式緊急救援基地。另外,越南、朝鮮和我國(guó)香港還建起了海上旅館[34,35,36,37,38,39,40,41,42]。荷蘭非洲里維埃拉公司也計(jì)劃投資2.23億歐元,在莫桑比克島興建一座水上漂浮式五星級(jí)酒店。該酒店將于2008年年底動(dòng)工,可容納500名客人。除此之外,還可以在海上修建海水淡化廠、核電站、浮式人工島和廢物處理廠等。中國(guó)和俄羅斯簽訂了一項(xiàng)價(jià)值8650萬(wàn)美元的協(xié)議,將共同興建全球第l座漂浮式核電站。漂浮式核電站可以利用海水進(jìn)行冷卻,解決了因防護(hù)需要而占用大量陸地的問(wèn)題。最近,嚴(yán)建軍提出一種耐波性好、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和工業(yè)化程度高、制造難度和造價(jià)低、制造工期短的空間