深海工程创新实验基地建设

2014-12-25李玉刚

实验技术与管理 2014年9期

李玉刚

（1.大连理工大学深海工程研究中心，辽宁大连 116024；2.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连 116024）

重大的海洋工程结构，诸如海洋资源开发常用的海洋平台、钻井船、水下装备等，以及跨海大桥、海底隧道等海上交通设施，必须能够在复杂恶劣的海洋环境中具备优异的营运功能、安全可靠性和绿色环保等特性［1－2］。为实现这些特性，在设计与建造中存在诸多复杂的科学问题亟待解决［3］。至今，尽管设计学、力学和计算数学以及计算技术已获得充分发展，但在海洋工程的设计中仍需依赖于物理模型实验的支持。未经过可靠实验验证的设计与制造技术，将无法获得运营商的认可和不具备国际竞争力［4－5］。我国虽然已经建立了一些海洋工程实验装置，但无论从数量、规模乃至实验能力等方面都不能满足目前国家开发海洋能源、资源以及拓展战略空间的需求，特别是在深海风浪流等复杂环境下用以新型工程结构与装备模拟的大科学装置尤显不足，这严重制约了我国海洋工程技术与装备的全面发展［6－7］。走向深海，实现我国海洋工程的大发展，已是不可阻挡的趋势，这正如习近平总书记指出的：“建设海洋强国是中国特色社会主义事业的重要组成部分。党的十八大做出了建设海洋强国的重大部署。实施这一重大部署，对推动经济持续健康发展，对维护国家主权、安全、发展利益，对实现全面建成小康社会目标、进而实现中华民族伟大复兴都具有重大而深远的意义。要进一步关心海洋、认识海洋、经略海洋，推动我国海洋强国建设不断取得新成就”［8］。

1 基地建设背景

当前国际竞争日趋激烈，能源、资源短缺和空间不足成为制约各国发展的瓶颈问题。在陆域已被逐渐开发殆尽之后，海洋成为人类最为可行的开发对象，它已不仅仅是贸易和交通的途径，更成为国家能源、资源的储备库和战略纵深拓展的空间。国际能源署（IEA）发布的《世界能源展望2013》报告称，中国将成为世界最大的能源消费国家，将超过美国成为最大的石油消费国［9］。石油需求量的大增以及由此而带来的能源结构性矛盾，已成为我国能源安全所面临的最大难题，这严重制约了我国经济和社会的可持续发展，甚至影响到社会的稳定。

我国深海工程技术的落后，致使我国在海洋石油开采中，主要集中于以渤海湾为主的近海，而这些浅海油田已大多处于后期开发阶段。在水深1 000m以下的深海海床地层蕴藏着占储量90%的油气，尤其在我国南海2 000多m水深以下海床地层中就储藏着大量的油气资源。据估计，南海海域有石油地质储量约在230亿至300亿吨之间，被公认为“第二个波斯湾”。除了油气的开采外，海底矿藏的开发也是深海工程的另一个重要方面。在海底，被称作“黑烟囱”和“大洋锰结核”的堆积物里含有大量的金、铜、锌、铅、汞、锰、银、镍、钴等元素的矿石，对我国矿产资源的开发也有决定性的意义。而另一方面，南海现在却面临着严峻的挑战，因利益驱使，各国纷纷踏足，蓄意侵扰我南海主权。为掌控话语权，主导南海问题，我国不仅必须拥有强大的深海资源开发实力，而且还必须拥有在南海各岛礁建立常驻基地和开发旅游资源的实力。

2 国家政策导向

（1）《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》共有9处直接论及深海工程创新实验基地建设项目的科研领域。该纲要的“指导目标”和“总体部署”中非常明确地将“能源、资源领域”和“海洋技术”列为优先发展的领域和前沿学科。而深海工程创新实验基地建设项目的着眼点就是我国的海洋水动力科学、深海工程技术、海洋能源开发及其他相关的海洋科技，具体涉及到该纲要中所列的“能源”、“水和矿产资源”、“制造业”、“交通运输业”等4个方面重点发展领域和作为前沿技术的“海洋技术”［10］。

（2）《国家“十二五”海洋科学和技术发展规划纲要》明确指出：“十二五”期间海洋科技对海洋经济的贡献率要由“十一五”时期的54.5%上升到60%；海洋科技将从“十一五”时期支撑海洋经济和海洋事业发展为主，转向引领和支撑海洋经济和海洋事业科学发展；以打造自主技术与装备为重点，努力推动我国深海科技发展迈出关键性步伐［11］。

（3）《国家船舶工业“十二五”发展规划》主要目标是“具备主要高新技术船舶和深水海洋工程装备的设计能力，全面突破高技术船舶的关键技术，海洋工程装备设计制造能力进入世界前列”。主要任务是“依托重大创新项目，建设高技术船舶及重点海洋工程装备的研发试验设施”［12］。

（4）《辽宁省海洋经济发展“十二五”规划》列出辽宁省海洋经济发展的重点是“建设海洋工程装备制造基地，充分发挥修船造船的传统优势，提高船舶配套和海洋工程装备制造水平。重点突破半潜式钻井平台、FPSO、铺管起重船、大型原油运输船（VLCC）、万箱级以上集装箱船、液化天然气（LNG）船等高技术、高附加值装备的核心技术，增强海洋工程装备自主设计创新能力；建设海洋新能源基地。充分利用海洋资源，加快建立低碳新型海洋经济体系。依托现有海上风电项目，发挥自然条件优势，响应国家节能减排的大政方针，搞好技术开发和基础设施配套，加速海上风电的开发和布局，以此为模式，加快推进一批重大海上风电及其他海洋再生能源基地建设”［13］。

3 深海工程创新实验基地概述

大连理工大学是由中共中央、国务院直管、教育部直属的全国重点大学，首批“211工程”、“985工程”重点建设高校，辽宁省“领军型大学建设工程”高校。大连理工大学科研实力雄厚，尤其是相关的港口、海岸和近海工程、船舶与海洋结构物设计制造、结构工程专业，均为国家重点专业，拥有“海岸和近海工程国家重点实验室”、“工业装备结构分析国家重点实验室”和“船舶制造国家工程研究中心”，并有两院院士、长江学者等知名学者领导的学科和科研团队。

随着科学技术的发展，现代工程技术领域各学科相互渗透、相互影响，大连理工大学在学科建设方面，审时度势，有意识地促进各相近学科间的交流、协调，在注重各自专业特色、保持各自专业优势的基础上，积极进行学科之间的融合、资源的整合，创建学科群，于2007年成立了“深海工程研究中心”，使港口、海洋、结构、船舶等各学科在互通、交流、融合中，提高研究水平，拓宽科研领域，形成整体优势，深入剖析海洋工程中前沿和复杂的跨学科难题，真正形成大连理工大学在深海工程领域学科建设和科学研究的优势。

深海工程创新实验基地依托于“深海工程研究中心”，该基地于2009年10月通过教育部可行性论证，国家财政部、教育部、地方政府和企业共同投资建设，由中国工程院院士欧进萍和长江学者滕斌教授等领衔规划和设计，目前已经进入施工的关键阶段。

深水池（见图1）两边装有L型不规则造波机，造波机可以实现入射波的主动吸收功能；深水池上部建有上下循环风洞，应用不同几何尺寸以及间距的尖塔和粗糙元调节部分位置边界层风速分布，应用可改变角度的格栅调整近入口地区风向，可开展不同尺度的模型试验和现场调配，对比不同的整流方式，提高风场品质。深水池造流方案采用大截面回流廊道，以降低回流速度和能耗，应用推流器矩阵和导流片来调节水流均匀性，达到进一步提高水流质量的目的。水池深水试验段下部采用浮式池底，便于调节水深，以及试验模型的安装和固定。

图1 深水池效果图

4 基地主要功能与科学目标

本基地建设项目面向海洋资源开发和海上交通等重大工程，可开展海洋能源、海底资源、海洋空间开发、海洋装备研发等科学研究中涉及到的水动力学和结构力学试验工作，主要用途如下：

（1）海洋灾害环境重现。深海环境下灾害多样复杂，非线性大波、畸形波等的发生会对海洋工程结构造成巨大破坏，在深水水池中可以开展这些自然现象的重现实验，研究水质点速度和水体中压强的分布规律等。

（2）深海平台等结构物动力响应实验。深海开发中常采用立柱式平台、半潜式平台、张力腿平台、FPSO等浮式结构物，这些结构物及其系泊系统和采油立管系统都受到浪、流和风等环境荷载的作用而发生动力响应。在深水水池的功能设立方面，应考虑表面波浪、表面水流的生成，以及风和水体内部水流的生成。由于海洋平台的采油立管从水面平台延伸到海底井口，会在水平方向上延伸出很大距离，因此水池的水平尺度应足够大。然后，还可开展采油立管受到水流作用而产生的涡激振动实验，以评估涡激振动的强度和立管的疲劳寿命。

（3）海底隧道建设技术实验。交通是国民经济的命脉，其中海底隧道建设难度高、投入大，是一项高风险的工程，其设计与施工面临诸多难点，本实验基地可以有效地模拟海底水动力特性，模拟深水急流复杂的海洋环境条件下沉管沉放过程以及管段的沉放定位和稳定性控制等，提高海底隧道施工的探水和治水技术等。

（4）跨海大桥工程建设关键技术实验。东海大桥、杭州湾大桥、青岛海湾大桥、舟山连岛大桥的建设承载了无数建桥人的梦想，见证了新中国造桥史上的辉煌。随着我国国力的进一步加强，更多大跨度跨海大桥将不断涌现。跨海大桥下部桥墩受到波浪、水流的冲击，上部巨大的桥身受到强风的作用，本身的稳定和耐久寿命是人们关心的问题。本实验水池将成为目前唯一的可模拟海上灾害环境与跨海大桥作用的实验水池。

（5）深海工作站实验。在恶劣的海洋环境中长期驻留和定位作业是开发海洋资源的前提，深海工作站的开发应用了顺应式张力腿平台技术，突破非线性水动力性能分析、结构可靠性、系统定位和可搬迁使用技术等，是目前实用性较强的开发方向。深水水池实验可研究深海工作站的水动力学、机构的运动和结构之间的连接。

（6）海底资源开发技术实验。海底矿藏的开发是海洋工程中的重要方面。一般的开采方式包括水面船体、输送立管和带有动力驱动的海底采矿设备，涉及到矿物的采集技术，海底采矿设备在海底沉积物中、海山上的行走和控制，作业过程的动力模拟，海底矿物的输运等。整个系统以一定的速度向前行进时，受到波浪、水流、风的作用。在实验中，模型的行进速度可以通过深水水池中的拖车系统实现，从而方便地开展海底矿藏开采的模拟实验。

（7）海洋装备开发实验。为了勘察和开发深海资源，开展深海科学研究，深海装备的开发和实验研究是必不可少的。深海装备包括深海遥控潜水器、水下机器人、载人潜水器等。在深海工程实验水池中可开展设备抗压、水下推进、收放过程、动力与信息传输技术等方面的研究工作。

（8）海上风电场模拟实验。目前海上风电是海洋新能源利用与开发的最重要形式，英国、德国、丹麦等西方发达国家在海上风电场的建设方面占有领先地位。在世界海上风电已进入大规模开发的背景下，我国海上风电场建设必须要紧跟而上，但我国尚缺乏海上风电建设经验，亦亟须建立海上风电建设技术规范体系。对于海上风电场的模拟，要求水池中同时产生高品质的风、浪、流，本综合水池不仅可以模拟浅海固定式风电机，还可以模拟深海浮式风电机，将成为国内外第一个高品质海上风电场实验模拟基地。

5 结束语

深海工程创新实验基地的建设必然增强我国深海工程的实力，加快我国海洋工程技术的发展，保证其开展研究、设计和制造的前瞻性、先进性，使我国抓住时机，加快深海开发的力度与速度，用实力说话，在他国肆意侵占我南海主权的问题上，以积极主动的姿态掌握相关争端问题的话语权，主导争端的解决，这将极为有力地打破我国在南海问题上所面临的困境，拓展我国的战略空间，维护国家主权。

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［1］刘淮.国外深海技术发展研究（一）［J］.船艇，2006（10）：6－18.

［2］刘淮.国外深海技术发展研究（二）［J］.船艇，2006（11）：18－23.

［3］周国平.海洋工程装备关键技术和支撑技术分析［J］.船舶与海洋工程［J］.2012（1）：15－20，37.

［4］高艳波，李慧青，柴玉萍，等.深海高技术发展现状及趋势［J］.海洋技术学报，2010，29（3）：119－124.

［5］王颖，韩光，张英香.深海海洋工程装备技术发展现状及趋势［J］.舰船科学技术，2010，32（10）：108－113，124.

［6］国家发改委，科技部，工业和信息部，等.海洋工程装备产业创新发展战略（2011－2020）［Z］.2011.

［7］田天.海洋结构物环境适应性物理模拟研究［D］.大连：大连理工大学，2004.

［8］习近平.进一步关心海洋认识海洋经略海洋，推动海洋强国建设不断取得新成就［N］.人民日报，2013－08－01（01）.

［9］国际能源署（IEA）.世界能源展望［Z］.2013.2013.

［10］中华人民共和国国务院.国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020）［Z］.2006.