全天24小时守护！哈工程海面、海下全方位“警卫员”上岗！

近日，我国深水油气开发关键技术装备研制取得重大突破，我国自主研发的首套深水水下生产系统正式在我国南海东方气田乐东块开发项目中投入使用。对比国外同类装备，哈工程“智”造为这套系统提供了更强有力的安全保障，系统装备了学校科研团队为其“量身打造”的“千里眼”和“顺风耳”两套装备，担任水下生产系统水面和水下的 “警卫员”，形成立体安全监测网。

此前，我国水下生产系统依赖进口，设备应用面临采办周期长、采购价格高、维修保养难等问题，制约着深海油气资源开发。东方气田乐东块开发项目主要生产设施包括2套水下生产系统、2条油气混输海管和2条复合脐带缆，计划投产4口开发井，高峰日产天然气超120万立方米，将进一步增强环海南岛海洋天然气生产集群的能源保障能力。

中国工程院院士、中国海油首席科学家谢玉洪表示，水下生产系统要在超过500米水深的海底稳定生产超过20年，对装备的设计能力和建造工艺要求极高。研发团队经过长期技术攻关，成功掌握了水下生产系统的总体设计、核心零部件国产化制造、装配工艺及海上安装等多项核心技术，该项成果对带动海洋油气装备相关产业发展具有积极意义。

深海油气田水下生产系统要在低温高压的深海环境中工作，并且系统庞杂，主要由水下井口、水下采油树、水下控制系统、水下多功能管汇等多种复杂水下结构物组成。

水下生产系统示意图

水面过往的各类船只，水下潜器、海洋生物等误闯海洋油气“生产重地”都会干扰影响生产系统的正常运行。哈工程机电学院水下作业技术与装备团队和水声学院水中目标特性测试与控制团队在杨德森院士的统筹指导下，联合攻关、各展所长，为该系统成功研发了国内首个水下油气生产环境长期监视系统和国际首创的水下声矢量监测系统，实现了全天24小时海面与海下的实时安全监测。

水下“千里眼”，可以工作15年

据水下作业技术与装备团队研发人员贾鹏教授介绍，针对水下生产系统运行状况，传统的监视方式是通过海上巡检船下放水下作业机器人进行巡检，这种监视方式具有随机性和滞后性，而且存在监视盲区。针对这一弊端，团队创新思路，成功为该系统装上视力超群的“眼睛”——水下生产监视系统，可长期实时监视水下生产系统运行状况，不仅能准确定位故障区域，而且可实现全天候实时监视。

水下生产系统监视系统装置总体结构

摄像机镜头试验对比效果

看得久——为摄像舱镀“眼膜”和“杀菌”

该监视系统主要由照明舱、摄像舱、控制舱、电机舱组成，可以对水下采油树以及周围环境进行全覆盖视频监视。该装备已通过中国船级社ccs认证。  

贾鹏教授介绍，摄像机入水几天后，镜头表面就会附着海洋微生物。随着时间累积，镜头表面的大量附着物会导致摄像机画面逐渐模糊，直至“失明”。为了达到水下监视15年的目标，并长久保持监视系统清洁，团队研发了水下摄像机镜头镀膜技术，光滑的镀膜可以使海洋微生物在海水流动的作用下顺利脱离镜头表面。团队还对海洋生物污损生长机理进行了研究，研发了海洋污损防护装置，通过紫外线灭杀手段解决了微生物附着的难题。

在杭州千岛湖湖安江水电站进行湖试试验

看得清——找到摄像舱和照明舱之间的最佳距离

“在水下，摄像机看得要比人眼还清晰”，为解决水中各类悬浮微小颗粒光散射造成的成像失真难题，团队对摄像舱和照明舱进行了半年的建模和仿真分析。经过理论分析和试验验证，摄像舱和照明舱最佳距离保持1米左右，成像效果最佳，可以达到人眼的1.1倍，可以清晰监测到目标设备运行情况。

为确保设备可以从水下回收、修复和重复安装，团队还特别设计了对接锁紧结构，可以在发生意外时，将设备从水下顺利回收和水下安装，大大提高了经济效益。

海上故障诊断平台

2022年9月14日，在水下机器人（rov）的帮助下，水下生产系统监视系统顺利安装到南海东方1-1气田水下管汇上，正式投入使用。从水下拍摄传输到海上故障诊断平台的实时监视画面上，可以清晰看到水下管汇等设备的运行状况。

项目负责人王立权教授指出，水下生产系统监视系统所提供的水下环境监测数据，为进一步实现水下油气生产系统的故障诊断、健康安全分析和可靠性评估奠定了基础，对大幅降低油田故障损失将发挥重要作用。

水下“顺风耳”，攻克国际性难题

据水声学院水中目标特性测试与控制团队莫世奇教授介绍，相较于传统雷达仅能监测水面以上目标，水下声矢量监测系统能做到一天24小时实时对水面以及水下同时进行目标监测，有效弥补了深水水下生产系统的监测盲区，并且在超出使用年限后可以进行回收利用，符合当前的绿色发展理念。

八月末的南海，酷暑难耐，阳光在湛蓝的海面上反射出刺眼的光芒……负责指导协助水下声矢量监测系统安装的哈工程水声学院水中目标特性测试与控制团队研究生肖想、郑凯伦顾不上海面平台的炎热，目不转睛地盯着缓缓布放下沉到深海的有缆水下机器人的一举一动。

“历经4年的科研攻关，成败在此一举！”肖想心中难免忐忑不安，团队师生为这套我国自主研发的首套深水水下生产系统量身打造的水下声矢量监测系统，正由水下机器人的机械手操纵安装到90米水深的深水水下生产系统上。经历了一个下午，确认系统安装成功并正常运转，肖想悬着的心终于踏实，并第一时间向导师莫世奇报喜。

水下声矢量监测系统的研发，攻克了水下石油管汇发出复杂噪声干扰声矢量系统正常工作和监测精确度的世界性难题。团队通过理论层面的算法研究与优化，根据矢量声纳的应用特性，采用国际先进的降噪技术，有效抑制了石油管汇噪声的干扰，实现了水面水下目标的远距离探测和识别。另外，科研团队为了实现对监测目标的实时监测，将系统算法的精确度提高了数倍。

在深水水下生产系统中，水下声矢量系统就像一个尽职尽责的“警卫员”。每当有鱼群、渔船、科考船等“无关人员”进入监测范围内，系统就会对目标进行监测，将目标实时显示在预警界面上，精准地判断出哪些情况存在入侵危险，哪些属系统正常运转。

整套系统的研发经历了理论研究、算法建模、原理样机研发实验、陆上联调直至生产应用、海试验收全过程。在团队杨德森院士、莫世奇教授的带领下，团队师生紧扣国民经济领域与行业的需求，攻坚克难、协同攻关，创新拓展技术应用，将矢量声纳首次应用于我国深水油气生产系统，填补了我国水下生产系统安全监测和预警的空白。

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撰文 | 刘涛 王艺儒

排版 | 朴立坤  刘梓滢

编辑、责编 | 霍萍

审核 | 吕冬诗 金声