海洋技术▏深海海工装备技术发展状况

海洋工程装备制造业已成为为海洋开发及国防建设提供技术装备支持的战略性产业， 发展海洋工程装备是国家海洋开发的首要任务与战略重点。当前，世界海洋石油装备技术正向深水、大型化、集约化、智能化、清洁化和水下生产体系发展，我国在海洋工程技术方面特别是深海装备领域与世界先进国家仍存在一定差距，密切跟踪国际深海海洋工程装备技术的发展现状及趋势是我国大力发展海洋开发事业必须先期进行的工作。本文将针对水下工程装备、深海运载与作业装备、超大型海洋浮式结构物这三类海洋工程装备进行系统介绍。

一、水下工程装备

海洋石油水下工程装备主要包括钻井隔水管系统、井口井控设备、采油树、水下管汇系统、水下基盘、控制系统、增压系统及水下处理系统等。海洋石油水下装备最早于20世纪60年代在北海油田开始应用。目前，世界各大石油公司在深海领域的投资不断增加，各国对水下工程装备的需求迅速上升。从技术现状来看，欧美等发达国家经过50余年的发展， 拥有长期的研制经验和专利技术，实现了专业化分工生产。随着水深的增加，对海洋石油水下装备的要求也越来越高，各种新技术层出不穷，特别是控制技术已逐步发展为全部电控，大大简化了控制系统。总的来说，水下工程装备的发展趋势主要表现在以下六个方面：

⑴向模块化和标准化方向发展；

⑵随着水深增加，高温、高压深水项目越来越多；

⑶故障自动恢复智能控制系统；

⑷水下设备水面远程操作控制；

⑸水下发电和传输技术将得到应用

⑹水下处理和压缩系统将逐步得到推广。

对于水下工程装备来说，关键技术问题主要在于水下系统的安装与维修技术。水下生产系统的安装难度大，费用高，技术性强。需要开发深海安装与维修作业潜器及工具，进一步提高深海设施安装作业技术。

二、深海运载与作业装备

深海运载与作业装备主要包括深潜器和深海空间站等。深潜技术是进行海洋开发的必要手段，世界海洋油气资源勘探、深海科学考察主要依赖水面船与各类海洋平台，操纵各类潜器完成。如缆控无人探测器(ROV)、深海拖曳测绘系统(TMS)、无人无缆自制深潜器(AUV)和载人深潜器(HOV)等。深海开发的大量采样、勘探和作业等任务，须由携带各种装置、设备和科技人员到达深海复杂环境的各类深海运载器完成。

⑴缆控潜器ROV可长时间大功率作业。目前我国已具备全海域深度ROV研制能力， 当今主要任务是提高元器件与材料的国产化率， 提高其可靠性，研制并提供功能配套的水下作业工具。如图1所示。

图1  缆控潜器ROV发现号

⑵自制式无人潜器AUV自身携带能源，具备相当的智能。适用于各类大深度、远距离的军民海洋探测、侦察作业等，如图2所示。

图2  无人潜器AUV海马号 

⑶载人深潜器HOV由技术人员驾驶进入海洋深处，在现场直接观察、分析、评估和捕捉实际信息，及时判断决策，有效操作机械手高效作业。主要用于勘探、测绘、采样、水下补给、系统及装置的安装与检修等。我国自主研发的蛟龙号如图3所示。

图3  载人深潜器HOV蛟龙号 

⑷深海载人空间站由主体模块和功能模块2部分组成。由于不受海面风浪影响，可发挥如下作用：深海探测平台，水下研究试验平台，水下作业与控制中心，水下综合保障基地等。图4为正在研发的深海空间站模型图。

图4   我国深海空间站模型图 

三、超大型海洋浮式结构物技术发展现状与趋势

面对地球人口急剧膨胀，陆上资源供应已趋极限这一形势，人类活动开始向广阔的海洋延伸，由此，国际海洋工程界掀起了研究超大型浮式结构物(VLFS)的热潮。所谓超大型浮式结构物(VLFS，如图5所示)是指那些尺度以千米计的浮式海洋结构物，以区别于目前尺度以百米计的船舶和海洋工程结构物，如海洋平台等。VLFS具有综合性、多用途的功能特征，它的出现将对某一区域的社会、经济活动乃至政治、军事格局产生决定性的影响。

图5   超大型浮式结构物(VLFS)设想图 

根据超大型海洋浮式结构物的特点以及国外的研究经验，在开发VLFS的过程中需要解决一系列的理论问题和工程实际问题。其关键技术问题及发展趋势如下：

⒈ 选型和概念设计

选型问题是决策问题，需要全面考虑各种因素。一般来说，选型时需要考虑的因素有：用途；对性能的要求；全寿命期内的经济成本；国内的工业基础；对环境和生态的影响。

⒉ 动力特性预报

根据VLFS的特点，其动力特性的预报方法与一般的海洋结构物有很大的区别，从而决定了动力特性预报是VLFS研发过程中需要解决的1个关键技术问题。具体来说，VLFS动力特性的预报需要解决如下几个方面的问题：①VLFS的水弹性响应；②VLFS的非均匀海洋环境激励；③VLFS连接构件上的载荷；④VLFS系泊装置的动力响应计算；⑤带半潜式消波堤的VLFS的动力特性分析；⑥VLFS在海啸/孤立波作用下的动力响应分析；⑦快速高效的VLFS动力特性数值计算方法；⑧VLFS动力特性的模型试验技术。

⒊ 设计和建造

目前，VLFS的设计还没有完整的规范可以遵循，主要是根据功能的要求先进行设计，然后采用直接计算法或模型试验法对结构的安全性进行评估。如何建立相应的设计规范、开发快速方便的设计软件一直是研究的重点。

在近海建造VLFS过程中的连接操作可能在露天条件下进行，必须采用严格的技术进行水密及真空处理。水下连接技术对于VLFS的维修保养非常重要，因此需要在考虑成本和可靠性的前提下研究更适合的水下连接方法。

⒋ 可服役性、耐久性和可维性

最近对VLFS在波浪中的弹性变形研究表明，VLFS边缘的垂向位移大于其他部位，这一点对可服役性来说是个重要问题。目前通常采用的减小边缘垂向位移的方法主要有：在其四周建造消波堤，在底部悬挂浸入水中的阻尼板，在边缘安装浸入水中的墙，以及系泊系统的主动控制等。VLFS也可能发生由潮汐引起的垂向位移，可通过GPS测量，采用补偿位移的主动控制系统进行补偿。

当VLFS用作浮动机场时，其形态控制十分重要。特别是半潜式VLFS在拼装或单元替代过程中，必须采用适当方法进行形态恢复和形态控制。

耐久性对VLFS来说是十分重要的。与常规的海洋钻井平台相比，VLFS要求的寿命极长， 有的甚至要超过100年，因此入水部分的防腐性能非常重要。有些VLFS的设计采用了钛合金衬层，浸水区的防腐涂层和阴极保护也可提高其耐久性。

VLFS的维护包括保持结构和功能的安全性，需要在其生命周期的每一环节内明确维护目的、制定维护策略，建立相关的数据库。必须对其结构部件进行经常性的监测和检查，在整个服役期内是否适合于继续服役需要不断地进行评估。

除此以外，对于VLFS来说，超长期耐用技术的研究除了其本身材料的选用、防腐保护材料和维护系统以外，在综合考虑这些因素的基础上进行结构动力响应的计算和安全性评估也是十分必要的。如果再考虑到在局部受到破坏的情况下生存，其问题就更加复杂。

⒌ 事故载荷及风险评估

VLFS是基础设施的重要部分，紧急情况下的安全性需要得到保证，对于VLFS来说，重大事故主要有来自飞机的撞击及与船舶的碰撞。另外，由疲劳裂纹引起的浸水、浸水所产生的结构应力、甲板上局部结构的屈曲以及随后的逐渐破坏也是需要引起重视的问题。

事故情况下的载荷一般来说是很大的，是否将结构设计成具备抵抗事故的能力，需要从经济性和社会影响2个方面综合考虑；需考虑事故发生的概率和后果，这就是风险分析的内容。因此，对VLFS进行风险评估也是十分重要的研究方向。

⒍ 环境及生态影响

VLFS在设计和建造过程中需要考虑的另一个重要问题就是环境及生态问题，包括对周围海洋物理条件的影响、对环境质量的影响、对海洋和近岸生态的影响以及美观性考虑等。

四、结语

国际海洋工程装备的总体发展趋势可归结为以下几点：一是深水化，向深海领域发展是大势所趋；二是大型化，海上装备向大型化发展，以提高运营经济性、安全性和可靠性；三是环保化，在海洋工程装备制造中大量使用环保新材料、新技术；四是自动化，随着科技的发展，设备趋于集成化和智能化。

■本文来自《舰船科学技术》，作者王颖、韩光、张英香，中国船舶重工集团公司第七一四研究所。原文标题“深海海洋工程装备技术发展现状及趋势”，编发时选取了其中的部分内容，标题与个别内容也进行了修改，图片来自网络，参考文献略，版权归作者所有，用于学习与交流。

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