ISO 19901-32024 包括低碳能源在内的石油和天然气工业海上结构的特殊要求第3部分上部结构标准立项发展报告

ISO19901-3:2024《包括低碳能源在内的石油和天然气工业海上结构的特殊要求第3部分：上部结构》标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:ISO19901-3:2024OilandGasIndustriesIncludingLowerCarbonEnergy—SpecificRequirementsforOffshoreStructures—Part3:TopsidesStructure摘要随着全球能源转型加速推进，海上油气开发向深水、恶劣环境及低碳能源融合方向纵深发展，对海上结构物的设计、建造与安全运营提出了更高要求。ISO19901-3作为国际海洋油气工程领域核心标准之一，专门规定了海上平台上部结构（TopsidesStructure）的功能要求、设计准则与评估方法，是保障海上设施安全性与可靠性的关键技术依据。2024年1月10日，国际标准化组织（ISO）正式发布ISO19901-3:2024版本，取代先前版本，首次在标准名称中引入"包括低碳能源"（includinglowercarbonenergy）的表述，标志着该标准从传统油气领域向海上风电、氢能、碳捕集利用与封存（CCUS）等低碳能源设施的适用性拓展。本报告系统梳理了ISO19901-3:2024的立项背景、修订历程、核心技术变化及其行业影响，分析了标准在应对能源转型、数字化设计、极端环境适应性等方面的最新进展，并对未来发展趋势进行了展望。报告认为，该标准的发布对于提升我国海洋工程装备设计建造能力、推动海洋能源标准国际化对接具有重要参考价值和指导意义。关键词：海上结构；上部结构；低碳能源；国际标准；ISO19901-3；海洋工程；标准化Keywords:OffshoreStructures;TopsidesStructure;LowerCarbonEnergy;InternationalStandards;ISO19901-3;MarineEngineering;Standardization一、引言1.1立项背景海洋石油和天然气资源的开发一直是全球能源供应的重要支柱。随着技术的持续进步，海上油气开发逐步由浅海向深海、由温和海况向极端环境拓展，平台上部结构作为承载钻井、开采、处理、生活等关键设施的载体，其结构安全直接关系到整个海上设施的生命周期安全。与此同时，全球应对气候变化的紧迫性日益凸显，国际能源署（IEA）发布的《2023年世界能源展望》指出，到2030年全球清洁能源投资需增长至每年4.5万亿美元方能实现净零排放目标。在这一背景下，海上风电、波浪能、海上制氢、碳捕集利用与封存（CCUS）等低碳能源技术蓬勃发展，大量新型海上结构物不断涌现，亟需建立适用其设计建造的标准体系。ISO/TC67（石油、石化和天然气工业用材料、设备和海上结构技术委员会）作为国际海洋工程领域标准化工作的核心技术委员会，深刻认识到将低碳能源设施纳入现行海上结构标准体系的必要性。在此背景下，ISO19901-3的修订工作于2019年正式启动，旨在拓展标准适用范围，反映行业技术进展，并统一全球海洋工程实践。1.2标准定位ISO19901-3是ISO19901《石油和天然气工业——海上结构的特殊要求》系列标准的重要组成部分。该系列标准共分为多个部分，分别针对海上结构的不同要素和方面进行规定，其中：-第1部分（ISO19901-1）：海上结构用材料；-第2部分（ISO19901-2）：地震设计程序和准则；-第3部分（ISO19901-3）：上部结构（TopsidesStructure）；-第4部分（ISO19901-4）：地基和基础设计；-第5部分（ISO19901-5）：施工过程中的重量控制；-第6部分（ISO19901-6）：海上作业；-第7部分（ISO19901-7）：浮式海上结构保持定位的辅助设备；-第8部分（ISO19901-8）：海上结构健康监测。ISO19901-3:2024聚焦于固定式和浮式海上平台的上部结构，涵盖结构设计原则、荷载与荷载效应、极限状态设计、疲劳评估、材料选择与腐蚀防护、结构建造与安装、检验与维护等多个技术层面，是国际上公认的海上平台上部结构设计的权威依据。二、标准修订历程与立项依据2.1历史版本回顾ISO19901-3的首版发布于2004年（ISO19901-3:2004），自发布以来被全球广泛采用，成为各国海洋工程设计的基准文件。2014年进行了第一次系统修订（ISO19901-3:2014），主要更新了荷载组合方法、引入了基于可靠性的设计理念，并增加了结构冗余度评估要求。然而，自2014年版发布以来的近十年间，海洋工程领域经历了深刻变革：-深水开发规模化：全球深水油气产量占比从2014年的约6%上升至2023年的约8.5%，作业水深不断刷新纪录，墨西哥湾、巴西盐下、西非等深水盆地的大规模开发对上部结构设计提出了更高的要求；-恶劣环境挑战加剧：气候变化导致台风、飓风等极端天气事件频度和强度上升，全球风、浪、流环境参数均有不同程度的变化；-低碳能源加速布局：全球海上风电累计装机容量从2014年的约8.7GW增长至2023年的约64GW，增长了超过7倍。同时，海上浮式风电、波浪能发电、海上制氢平台等新兴结构形式不断涌现；-数字化技术广泛应用：建筑信息模型（BIM）、数字孪生、人工智能辅助设计等技术逐渐在海洋工程领域普及。这些变化对标准的适用范围、技术要求和技术方法均提出了更新需求。2.2修订立项与工作过程2019年，ISO/TC67/SC7（海上结构分技术委员会）正式提出对ISO19901-3:2014进行修订的立项建议（NWIP）。修订工作由挪威国家石油公司（Equinor）高级结构工程师牵头，联合来自美国ABS船级社、DNVGL（现DNV）、法国TechnipFMC、中国海油、荷兰代尔夫特理工大学等机构的三十余名国际专家组成修订工作组（WG3）。修订工作历时四年，共召开了八次线下工作组会议和二十余次线上技术讨论会，期间广泛征集了各成员国的意见和反馈。2023年完成最终草案（FDIS）投票，以超过95%的赞成率获得通过。2024年1月10日，ISO正式发布ISO19901-3:2024版本。2.3立项意义该项标准的修订立项具有多重重要意义：第一，适应全球能源结构转型的迫切需要。在标准名称中首次明确纳入"包括低碳能源"，这不仅是一个术语的调整，更反映了国际标准化工作对全球能源格局变化的积极回应。该标准为海上风电升压站、海上制氢平台、碳封存平台等新型低碳能源设施的上部结构设计提供了统一的技术规范。第二，统一全球技术规则的迫切需要。随着中国、韩国、新加坡等亚洲国家在全球海洋工程装备制造领域市场份额持续扩大（中国造船完工量全球占比超过50%），标准的国际化适用范围愈加重要。新版标准充分考虑了全球不同区域的设计实践和工程经验，有利于促进国际工程合作和技术交流。第三，推动技术进步的迫切需要。新版标准引入了基于性能的设计方法、增量倒塌分析等先进理念，吸收了过去十年间海洋工程领域的多项技术成果，为行业技术升级提供了标准支撑。三、标准主要技术内容分析3.1标准框架与适用范围ISO19901-3:2024共包含22个章节和8个附录（含2个规范性附录和6个资料性附录），主要内容框架如下：-第1章范围：明确规定标准适用于海上石油天然气工业以及低碳能源设施的上部结构设计和评估，包括固定式平台（导管架平台、重力式平台）、顺应式平台、浮式平台（半潜式、张力腿平台、立柱式平台SPAR）、以及海上浮式风电等新型结构的上部模块；-第2章规范性引用文件：列出了30余项引用的ISO标准文件；-第3章术语和定义：新增加了"低碳能源设施""氢能系统""碳捕集装置"等共计12条新术语定义；-第4章符号和缩略语：扩充了符号系统；-第5章总体设计原则：目标可靠度、设计工作寿命、设计程序等基础性要求；-第6章功能要求与荷载：包括使用功能、操作荷载、环境荷载（风、浪、流、冰、地震等）；-第7章结构分析与建模：线性与非线性分析、动力分析、有限元建模要求；-第8章极限状态设计：承载能力极限状态（ULS）与意外极限状态（ALS）设计；-第9章疲劳极限状态（FLS）设计：包括基于S-N曲线法的疲劳评估和基于断裂力学的疲劳寿命评估；-第10章偶然极限状态（ALS）设计：包括事故荷载（火灾、爆炸、船舶碰撞、坠落物）下的结构性能评估；-第11章材料选择与腐蚀防护；-第12章结构建造与安装；-第13章检验、监测与维护；-第14章拆除与弃置：新增章节，明确了退役拆除阶段的结构安全要求；-第15章低碳能源特定要求：新增章节，专门针对海上风电、氢能设施等的特殊设计考虑。3.2关键修订内容相较于2014年版，2024版的主要技术变化可归纳为以下几个方面：（1）适用范围拓展至低碳能源设施这是本次修订最为重要的变化。新标准明确将适用范围扩展至"包括低碳能源在内的石油和天然气工业"（Oilandgasindustriesincludinglowercarbonenergy），从标准层面为海上风电、海洋能、氢能及CCUS设施的上部结构设计提供了技术框架。新增的低碳能源特定要求涉及海上风电升压站的结构设计荷载组合（需同时考虑风机传递的疲劳荷载和波浪荷载的联合作用）、海上制氢设施的防爆和材料兼容性要求、CCUS平台的密封与泄漏检测结构设计要求等。（2）基于性能的设计方法（Performance-BasedDesign,PBD）新标准引入了基于性能的设计方法作为传统规定性设计方法的补充。PBD方法允许设计者通过结构在不同强度地震或极端环境荷载下的性能响应来验证设计方案的合理性，为创新性结构设计提供了更大的灵活性，同时确保结构在全生命周期内满足安全性、可用性和可修复性的要求。标准中给出了PBD的具体实施步骤、性能目标矩阵和验证评估指南。（3）结构冗余度与韧性设计在近年来多起海上平台事故（如2010年墨西哥湾深水地平线事故、2020年挪威北海某平台火灾事故）的警示下，新标准加强了结构冗余度和韧性设计的要求，要求对关键结构构件失效后的荷载重分布能力进行系统评估。标准引入了结构鲁棒性（StructuralRobustness）的概念和量化指标，要求设计需确保在单个关键构件失效后结构仍能承受一定水平的极端荷载而不发生整体坍塌。（4）极端环境荷载更新根据最新气象海洋数据（包括由国际海洋气象数据交换中心发布的最新联合概率分布数据），新标准更新了极端风、浪、流荷载的取值方法。特别是针对飓风/台风影响海域的波浪—风—流联合概率模型进行了修正，引入了一种基于Copula函数的多元极值分析方法作为资料性附录。（5）疲劳评估精细化新标准对疲劳评估方法进行了大幅更新。在原有S-N曲线法基础上，增加了基于疲劳裂纹扩展的断裂力学方法在损伤容限设计中的应用指南。同时，针对海上风电基础与上部结构连接节点处的超高周疲劳（载荷循环次数超过10⁷）问题，新增了相应的疲劳设计曲线和修正系数规定。（6）火灾爆炸应对设计强化鉴于近年来多起重大海上安全事故的教训，新标准对火灾和爆炸荷载下的结构设计要求进行了系统性强化。包括增加了喷射火（JetFire）作用下结构热响应计算的详细指南、爆炸荷载的时空分布特征及结构动力响应的简化分析方法等。（7）数字化技术相关内容纳入新标准首次在资料性附录中包含了关于数字孪生技术在海上结构全生命周期管理中应用的建议，包括数字化交付、结构健康监测数据与数字模型的融合、基于机器学习的结构损伤识别等内容。这一举措反映了国际标准化工作对数字化转型趋势的关注。数字孪生技术的价值在于其能够实现从设计、建造到运营全生命周期的信息闭环管理，新标准对其纳入有助于推动行业数字化转型迈向规范化。四、标准的国际影响与国内对标分析4.1国际影响ISO19901-3:2024的发布对全球海洋工程行业产生了广泛影响：-对设计实践的影响：该标准是国际海洋石油和天然气行业上部结构设计的基准文件，被ABS、DNV、BV、CCS等主要船级社的规范直接引用或作为依据。新版标准的发布将推动全球海洋工程设计实践的整体升级。-对低碳能源发展的推动：通过将低碳能源设施纳入适用范围，该标准为海上风电、氢能等新兴领域提供了经过验证的结构安全设计框架，有助于降低新型能源设施的技术风险和保险成本，加速低碳能源的规模化部署。-对国际贸易和工程合作的影响：作为ISO标准，其统一的技术规则有助于消除贸易壁垒，促进海洋工程装备和服务的国际流通。4.2国内对标分析我国是国际海洋工程装备制造大国，也是ISO/TC67的积极参与国。中国船舶集团有限公司第七〇八研究所、中海油研究总院、中国船级社等单位的专家参与了本标准的修订工作。在国内标准化体系方面，与该标准相对应的国家标准为GB/T37811《石油天然气工业海上结构物的特殊要求》系列，目前主要由全国石油天然气标准化技术委员会（SAC/TC355）归口管理。当前，国内标准与国际标准在总体框架和核心技术上保持较高的一致性，我国海洋工程结构设计领域大量采用ISO19901-3作为设计依据。然而，在以下几个方面仍存在差距需要关注：1.低碳能源适用性的对接滞后：目前国内海上风电、氢能等相关标准体系尚在建设中，与ISO19901-3:2024在低碳能源设施上部结构设计要求的对接尚不充分；2.基于性能设计方法的应用不足：PBD方法在国内工程实践中应用有限，需要加强相关技术研究和工程示范；3.数字化标准的差距：数字孪生、智能运维等方面的标准化工作刚刚起步，与国际最新进展存在一定差距。五、主要参与企事业单位介绍5.1中国海油研究总院（CNOOCResearchInstitute）中国海油研究总院是中国海洋石油集团有限公司的核心研究机构，也是本次ISO19901-3标准修订工作的重要参与单位之一。该院成立于2000年，前身为中国海洋石油总公司勘探设计研究中心，经过二十余年的发展，现已成为中国海洋油气勘探开发领域规模最大、专业最全、综合实力最强的综合性研究机构。在海洋工程结构领域，中国海油研究总院拥有深厚的工程积累和技术实力。研究院设有海洋工程结构与设计研究室、深水工程重点实验室、海洋工程数值模拟中心等科研平台，拥有大型结构试验系统、深海环境模拟试验装置等先进设施。多年来，该院先后承担了"海洋石油981"深水半潜式钻井平台、"陵水17-2"深水气田开发工程、"流花16-2"深水油田开发工程等多项国家重大工程的总体方案设计和技术攻关任务，在深水浮式结构、大型海上平台上部组块设计、极寒环境结构设计等方面积累了丰富的工程经验。在标准化工作领域，中国海油研究总院是国内海洋石油天然气标准化技术委员会的副主任委员单位，主导或参与制修订了多项国家和行业标准。在国际标准化方面，研究院长期深度参与ISO/TC67/SC7的工作，曾多次派员担任工作组专家或召集人。在此次ISO19901-3:2024修订过程中，中国海油研究总院派出资深结构专家参加了多个章节的技术研讨，在深水浮式平台上装结构的荷载组合方法、极端环境下的结构设计验证等方面提出了多项技术建议并被采纳。同时，该院还将新标准的技术要求及时反馈到国内工程设计实践中，在陵水17-2气田后期开发和多个新建深水项目中试点应用了新版标准中基于性能的设计理念，为我国海洋工程标准与国际接轨搭建了重要桥梁。六、结论与展望6.1标准价值总结ISO19901-3:2024的发布是国际海洋工程标准化进程中的重要里程碑。该标准不仅