海洋论坛▏国内外海洋工程技术的现状及发展趋势
组稿/溪流
海洋工程技术是造船界关注的技术领域之一，世界上现代化的一流船厂都把高新技术船舶与大型海洋工程结构物作为其纲领性产品。海洋工程技术涉及的领域很广，包括海洋发电技术、海洋钻探技术、海水淡化技术、海洋油矿开采技术、海岸风力发电技术、海层探测技术、海洋物质分离技术、海水提炼技术、海洋建筑设计等。海洋发电技术包括：海水发电、海洋风力发电、潮汐发电、温差发电等。海洋钻探技术包括：海洋油井开发、海洋矿石开采等、海水淡化技术包括：太阳能净水、工业净水等。海洋物质分离技术包括：海水金属分离、轻水物质提炼等。能源开发、资源开采等领域。海洋工程技术数目众多，未来人类利用和保护海洋是个新新话题。
随着近年来海洋开发“热”的升温，特别是专属经济区资源勘探和开发的实施，海洋工程技术得到了迅猛发展。作为开发海洋资源的一种活动，海洋空间利用已有相当长的历史，最早利用海面空间是两千多年前的海上交通运输。然而直到20世纪60年代，由于海洋工程等技术的逐步提高，以及城市化、工业化的迅速发展，导致陆上用地日趋紧张，使人们更加重视海洋空间的利用。海洋空间资源的开发利用可分为几个方面。第一、生活和生产空间；第二、海洋交通运输；第三、储藏和倾废空间；第四、海底军事基地。解决海洋空间利用的工程技术问题也是近年来海洋工程界研究的热点。
一、国外海洋工程技术研究现状
⒈ 超大型浮式海洋结构的研究
在这方面，目前进行最广泛和深入的是日本和美国。日本于1999年8月4日在神奈川县横须贺港海面上建成—个海上浮动机场。这个浮动机场于1995年开始研制，它由6块长380米、宽60米、厚3米的箱型结构焊接而成，上有一条1000米长，最大宽度达120米的飞机起降跑道。这种机场具有很大的军事价值，战时可以作为支持作战飞机的移动基地使用。美国Weidlinger设计院曾为纽约4号机场设计了FLAIR海上机场方案，面积达6平方公里(3600米×1680米)，包括滑行跑道2条，飞行跑道4条，能够满足包括13747大型客机在内的每小时100架次的起降要求。
⒉ 海底军事基地
海洋空间利用的一个重要方面就是海底军事基地的建造，其中包括海底导弹和卫星发射基地、反潜基地、作战指挥中心和水下武器试验场等等。目前，世界上海底军事基地最多的要数美国和前苏联。美国从上世纪60年代就开始制定一系列建立海底军事基地计划，并逐个完成了“海底威慑计划”，“深潜系统计划”、“海床计划”、“深海技术计划”等等。譬如，美国设计的陀螺型“水下居住站”可供5人小分队在2000米深的海底完成持续20天的任务；建在佛罗里达的迈阿密东南50海里海底的“大西洋水下试验与评价中心”可供潜艇和水下武器试验使用。
⒊ 国外海洋石油工程装置
国外海洋石油工程装置大致是由10～25m水深的驳船式、坐底式钻井平台，发展到自升式、顺应式桩塔(CPT)、张力腿平台(TLP)、半潜式平台浮式生产储油装置、张力腿平台、竖筒式平台(SPAR)、水下井口和柔性立管生产系统(SPS)等的过程，水深已达2500m以上。其中，半潜式平台、张力腿平台和SPAR平台，由于抗风浪能力强，甲板面和装载量较大，特别是离岸越远、水深越大，越显示其优越性。至2004年底，国外已建成约25座世界上最先进的第五代半潜式钻井平台，钻井的最大水深已超过3 000m。张力腿平台、SPAR平台在国外已广泛应用于深海油气田开发。各种产品已逐渐形成系列，如半潜式平台的“BINGO"系列、“GVA”系列等，张力腿平台的“Seastar”系列、自升式平台的“JU2000”系列(美国Friede&G0ldman公司)和“CJ50”系列(荷兰GUSTOMSC公司)等。
20世纪80年代，中型自升式平台的升降桩腿，已采用三角形、四方形截面的混凝土结构制成，能用于水深超过60 m，并可减少波浪、潮流等外载荷的作用。继自升式平台之后又出现了半潜式钻井平台。近年来FPSO进一步向LPGFPS0、LNGFPS0、FSRU、FPDSO等形式发展。
⒋ 深海作业平台
随着海上油气资源的开发不断向深海发展以及其他深海资源开发的兴起，深海作业平台成为海洋工程界的热点之一。即将投入使用的URSA 张力腿平台的工作水深将达1250米，然而这些深水平台技术复杂，造价十分昂贵。因此，当前世界各国都致力于开发新型的深水平台，以降低造价。这方面的研究工作，美国处于前列。例如，美国提出一种“新一代移动式海上钻井装置——带可回收重力基础的浮力腿平台”的设计方案。该方案将甲板及上部设备支撑在一个很长的单圆柱浮力腿上。浮力腿则由八组系索固定于靠压载控制的可回收的重力上。当一口井钻井完毕后，重力基础可用排除压载的方法回收，整个结构可方便地移至另—个井位。该结构具有良好的运动特性，建造简单，移动性好，兼具柱型浮标(SPAR)与张力腿平台的优点。该平台工作水深为915米的方案不包括上部设备的总造价为7500万～8500万美元，远低于同样功能的其他形式的平台。中船重工集团公司第七。二研究所、上海交通大学等单位对适用于深水的张力腿平台和轻型张力腿平台进行了理论分析和模型试验，为深海平台研究打下了一定的基础，但研究工作远未深入。
目前的油气资源开发主要是在100多米水深的大陆架地区，随着向深海的发展，深海作业平台必须提到议事日程上。各种海洋结构物由于在海洋环境中进行施工，将给海上施工技术带来极大的难度和特殊性。这里仅以海底沉管隧道的施工为例：目前世界上已建造沉管隧道110条以上(含海底和江底)，其中最长沉管隧道是美国旧金山海湾地区快速交通隧道，全长5825米，由58节管段组成。它是工程船舶技术、激光测量技术、电子定位技术、超声波技术、高精度传感器技术和信息控制技术的综合。
二、国内海洋工程技术研究现状
1．我国海洋石油工程装置
自上世纪70年代后期开始，我国海洋油气工程装备研制取得了不少成果。改革开放20余年来，我国综合国力大大增强，开发并利用了许多形式及各种用途的海洋工程装备，为我国能源建设起了重要的作用。当然，我国海洋石油工程装置的历史，在世界上还算是很年轻的。近海石油勘探还只是从50年代末期才开始的。物探普查发现我国近海海域的一系列沉积盆地，总面积达近百万平方公里，具有丰富的油气资源。主要集中于渤海、南黄海、东海、珠江口、莺歌海、北部湾六个大型含油、气的地质盆地。
据《中国产经新闻》2004年3月2日报道：中国南海石油储量在230～300亿吨油当量，占我国总资源的三分之一，有“第二个中东海湾”之称。所以，我国是世界上海底油气资源非常丰富的国家之一。值得指出的是：我国仍然缺少必要的深海钻探及开发装备，至今对南中国海油气资源的物探和开发处于空白状态。我国南海周边地区的国家，如菲律宾、马来西亚、泰国、印度尼西亚、越南与文莱等，早在我国南中国海开采海上油气田，每年取走4000万吨海上石油(我国目前海上油气年产量为2400万吨，到2008年才达到4000万吨海上石油)和380亿m3的天然气(相当于西气东输的两倍)。
中国海洋石油有限公司是我国最有国际竞争力的海上石油公司，可以看到，我国海洋石油工程装置的研制走过了从无到有、从小到大、从近海到远海，从海况良好到海况恶劣的过程，在世界这一领域还是占有一席之地，特别是我国FPSO的数量与研制技术走在世界前列，但其他海洋石油工程装置还是落后于世界先进水平20多年。
“海洋石油981”于2008年4月28日开工建造，是中国首座自主设计、建造的第六代深水半潜式钻井平台，由中国海洋石油总公司全额投资建造，整合了全球一流的设计理念和一流的装备，是世界上首次按照南海恶劣海况设计的，能抵御200年一遇的台风；选用DP3动力定位系统，1500米水深内锚泊定位，入级CCS（中国船级社）和ABS（美国船级社）双船级。整个项目按照中国海洋石油总公司的需求和设计理念引领完成，中国海油拥有该船型自主知识产权。该平台的建成，标志着中国在海洋工程装备领域已经具备了自主研发能力和国际竞争能力。
2 海洋军事基地
我国虽然在小型载人潜水器和无人遥控潜水器等方面已开展了一系列研究，并取得了相关的科研成果，但以军事为目的，能在复杂的水下环境下隐蔽工作，并能完成多种作战功能的海底军事基地的研究仍处于空白。然而，作为海洋空间利用的—个重要方面，海底军事基地的开发将会提到议事日程，它不仅能提高我国军事力量和军事威慑力量，而且也会带来其他配套科学、技术的发展，其价值是不可估量的。
三、当前海洋工程技术研究的热点发展趋势
⒈ 潜水器技术
由于载人潜水器不仅在海洋资源勘探开发，而且在水下作业乃至军事方面都有着无人潜水器不可替代的作用，因此世界上许多发达的海洋国家均投人大量人力、物力和财力开发载人潜水器。我国无论从海洋开发角度出发，还是从赶超和接近世界先进水平出发，都有必要进行载人潜水器的研制。中国载人潜水器“蛟龙”号2012年6月24日在西太平洋的马里亚纳海沟试验海域成功创造了载人深潜新的历史记录，首次突破7000米，最深达到7020米海底。这意味着“蛟龙”号已经成为世界上下潜能力最深的作业型载人潜水器，可在占世界海洋面积99.8%的广阔海域自由行动。
目前中国正在研制万米级载人深潜器“彩虹鱼”平台，它由一条5000吨级科考母船、一台万米级全海深载人潜水器、一台万米级全海深无人潜水器、三台全海深着陆器组成，计划于2016年开展无人探测马里亚纳海沟，2019年进行载人深海科考。载人潜水器因其所处的作业环境和作业功能的特殊要求决定了它在材料、结构、动力、推进、控制、信息采集和传输、水声、生命支持系统等方面都包含诸多高新技术内容。其主要关键技术为：
⑴大容量高性能能源研究：包括闭式循环柴油机系统，热气机动力系统，大容量高性能电池的研制等。
⑵轻型高强度材料的研究：包括石墨复合材料和陶瓷材料，钛合金以及高强度、低比重的浮力材料等。
⑶深水控制技术：包括高可靠性，高性能的操纵控制技术，高性能运动姿态测量和导引技术，智能控制技术等。
⑷特种装置技术：如特种推进系统，深海液压系统，水下作业技术，深海应急自救生命支持系统等；
⑸水下成像和水下图像信息传输技术
⒉ 海底管线检测与维修教术
目前我国已有石油天然气管线超过2.1万公里，这些管线的检测和维修费用每年高达几百万甚至几千万美元，由于管线损坏造成的停产损失更无法估计。海底管线检测和维修的主要关键技术是：
⑴水下管线泄漏检测技术：重点是高灵敏度水听器和信噪分离技术及放大处理技术。
⑵水下检测管线系统运载技术：主要是特种遥控潜水器，要求该潜水器具有低噪声，强推进的动力系统，低磁性的结构形式和可以自动跟踪管线的操纵控制技术。
⑶水下维修装置的精确定位技术
⑷水下管线的提升和清泥技术：需研究大功率液压提升装置，大深度水下喷射式清泥装置。
⑸水下工作舱技术：重点是解决水下工作舱的生命支持系统，管线接口密封技术。
⑹水下作业机械：解决水下切割和焊接问题。
⒊ 大型浮式生产系统研究
海上浮式生产系统不仅应用于海上边际油田的开发，而且也用于大型海上油田。其作业水深也逐步由浅水向深水发展，然而还有不少技术问题有待解决：
⑴系统的动力特性与运动响应分析；⑵细长柔性构件(如系泊链、隔水管等)的涡激诱导振动及疲劳分析；⑶生产储油船的极限强度及疲劳问题；⑷高海况下快速解脱与快速回接问题；⑸深水情况下材料的使用，包括设计、检验和防腐等。
⒋ 深海平台研究
当前，海洋工程技术比较先进的国家，如美国、挪威及英国等都十分重视深海平台的研究，探索综合利用深水张力腿平台技术、单圆柱平台(SPAR)技术以及桶形基础技术等开发出新的平台形式。据报道，作为概念研究，平台的作业水深已超过1500米(所谓极深水)，有望达到8000英尺。深海平台的关键技术主要是：
⑴平台结构形式研究：使平台具有良好的运动性能，同时又有较低的造价。
⑵平台的非线性动力响应：尤其是长周期漫漂运动，以及高频响应中所产生的二阶和频力和高阶脉冲力。
⑶平台张力腿系统的研究：尤其是张力腿的极界承载能力。疲劳断裂可靠性以及维修问题。
⑷桶形基础研究：主要是基础土壤破坏机理研究(土壤在负压下的膨胀，渗流和失稳等)，负压控制技术(基础在负压下沉时的速度和姿态控制)，基础承载能力(上拨力，侧向力)的计算与实验研究。
⒌ 超大型浮式结构物(超大型浮体)的研究
超大型浮体的特征是平面尺度(与波长比)巨大，相对来说垂直尺度则甚小。所处的海洋环境又极其复杂，来波或来流的方向和大小在整个建筑物的范围内可能都不一样，同时超大型浮体是具有永久性或非永久性的海上建筑物。作为军事用途时，还要具有一定的抗暴、抗冲击的能力。因此给超大型浮体带来了特殊的技术问题，主要是：
⑴海洋环境非均匀性对超大型浮体流体动力特性的影响；⑵超大型浮体的系泊定位系统的动力特性和可靠性研究；⑶多模块超大型浮体的水弹性响应研究；⑷超大型浮体各模块间柔性连接的方案设计，材料选择和连接结构的强度与可靠性分析；⑸超大型浮体的模型试验理论与试验方法研究；
⒍ 海上施工技术的研究
海上施工技术涉及的面很广，但亦有其最基本的和具有共性的关键技术，主要是：
⑴超重大件在浮动状态下的精确沉放技术：例如，海底沉管隧道的大型管段重达5万吨，在浮动隋况下精确沉放具有极高难度。
⑵水下地基基础处理技术：包括铺石、平整或打桩、灌浆。例如对沉管隧道，要求地基铺石后的平整度不大于5厘米。
⑶水下测量与控制技术：主要是利用超声波技术、高精度传感器技术和信息控制技术进行水下结构物的定位测量与控制。
四、总结
随着科技的发展，人类对资源的需求日益增加，然而地面资源也在不断的消耗枯竭。所以21世纪人类将全面步人海洋经济时代，海洋开发和利用需要先进的海洋工程技术和各种海洋工程结构物的支撑。大型海洋工程结构物一般都具有较大的宽度，如一般的半潜式平台的宽度就在70米左右，大型的全潜式重大件运输船的宽度要超过60米。世界上一流的船厂日本三菱重工造船、韩国现代重工造船均利用大型干船坞建造海洋工程结构物。同时，国内外的海洋油气开发与利用对海洋工程结构物有着巨大的需求。
我国在渤海等海域发现了大型油田，需要大型的浮式生产系统(FPSO)和各种平台。国际上继墨西哥和欧洲北海之后，在巴西和非洲西部海域均发现了丰富的油气资源。此外，海洋工程结构物高技术和高附加值的特点对造船企业来说既是挑战又具有很大的吸引力。为此，建议国内大型造船企业如上海外高桥造船有限公司在未来发展中应将大型海洋工程结构物作为其纲领性产品之一，并关注海洋工程技术的发展，有计划、有步骤地与有关高校、院所合作开展有关的研究，形成一定的技术储备和海洋工程结构物建造能力，为造船工业的发展，为海洋资源的开发、利用和保卫蓝色国土作出新的贡献。
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