深海工程創新實驗基地建設

李玉剛

（1.大連理工大學 深海工程研究中心，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024）

重大的海洋工程結構，諸如海洋資源開發常用的海洋平臺、鉆井船、水下裝備等，以及跨海大橋、海底隧道等海上交通設施，必須能夠在復雜惡劣的海洋環境中具備優異的營運功能、安全可靠性和綠色環保等特性［1－2］。為實現這些特性，在設計與建造中存在諸多復雜的科學問題亟待解決［3］。至今，盡管設計學、力學和計算數學以及計算技術已獲得充分發展，但在海洋工程的設計中仍需依賴于物理模型實驗的支持。未經過可靠實驗驗證的設計與制造技術，將無法獲得運營商的認可和不具備國際競爭力［4－5］。我國雖然已經建立了一些海洋工程實驗裝置，但無論從數量、規模乃至實驗能力等方面都不能滿足目前國家開發海洋能源、資源以及拓展戰略空間的需求，特別是在深海風浪流等復雜環境下用以新型工程結構與裝備模擬的大科學裝置尤顯不足，這嚴重制約了我國海洋工程技術與裝備的全面發展［6－7］。走向深海，實現我國海洋工程的大發展，已是不可阻擋的趨勢，這正如習近平總書記指出的：“建設海洋強國是中國特色社會主義事業的重要組成部分。黨的十八大做出了建設海洋強國的重大部署。實施這一重大部署，對推動經濟持續健康發展，對維護國家主權、安全、發展利益，對實現全面建成小康社會目標、進而實現中華民族偉大復興都具有重大而深遠的意義。要進一步關心海洋、認識海洋、經略海洋，推動我國海洋強國建設不斷取得新成就”［8］。

1 基地建設背景

當前國際競爭日趨激烈，能源、資源短缺和空間不足成為制約各國發展的瓶頸問題。在陸域已被逐漸開發殆盡之后，海洋成為人類最為可行的開發對象，它已不僅僅是貿易和交通的途徑，更成為國家能源、資源的儲備庫和戰略縱深拓展的空間。國際能源署（IEA）發布的《世界能源展望2013》報告稱，中國將成為世界最大的能源消費國家，將超過美國成為最大的石油消費國［9］。石油需求量的大增以及由此而帶來的能源結構性矛盾，已成為我國能源安全所面臨的最大難題，這嚴重制約了我國經濟和社會的可持續發展，甚至影響到社會的穩定。

我國深海工程技術的落后，致使我國在海洋石油開采中，主要集中于以渤海灣為主的近海，而這些淺海油田已大多處于后期開發階段。在水深1 000m以下的深海海床地層蘊藏著占儲量90%的油氣，尤其在我國南海2 000多m水深以下海床地層中就儲藏著大量的油氣資源。據估計，南海海域有石油地質儲量約在230億至300億噸之間，被公認為“第二個波斯灣”。除了油氣的開采外，海底礦藏的開發也是深海工程的另一個重要方面。在海底，被稱作“黑煙囪”和“大洋錳結核”的堆積物里含有大量的金、銅、鋅、鉛、汞、錳、銀、鎳、鈷等元素的礦石，對我國礦產資源的開發也有決定性的意義。而另一方面，南海現在卻面臨著嚴峻的挑戰，因利益驅使，各國紛紛踏足，蓄意侵擾我南海主權。為掌控話語權，主導南海問題，我國不僅必須擁有強大的深海資源開發實力，而且還必須擁有在南海各島礁建立常駐基地和開發旅游資源的實力。

2 國家政策導向

（1）《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》共有9處直接論及深海工程創新實驗基地建設項目的科研領域。該綱要的“指導目標”和“總體部署”中非常明確地將“能源、資源領域”和“海洋技術”列為優先發展的領域和前沿學科。而深海工程創新實驗基地建設項目的著眼點就是我國的海洋水動力科學、深海工程技術、海洋能源開發及其他相關的海洋科技，具體涉及到該綱要中所列的“能源”、“水和礦產資源”、“制造業”、“交通運輸業”等4個方面重點發展領域和作為前沿技術的“海洋技術”［10］。

（2）《國家“十二五”海洋科學和技術發展規劃綱要》明確指出：“十二五”期間海洋科技對海洋經濟的貢獻率要由“十一五”時期的54.5%上升到60%；海洋科技將從“十一五”時期支撐海洋經濟和海洋事業發展為主，轉向引領和支撐海洋經濟和海洋事業科學發展；以打造自主技術與裝備為重點，努力推動我國深海科技發展邁出關鍵性步伐［11］。

（3）《國家船舶工業“十二五”發展規劃》主要目標是“具備主要高新技術船舶和深水海洋工程裝備的設計能力，全面突破高技術船舶的關鍵技術，海洋工程裝備設計制造能力進入世界前列”。主要任務是“依托重大創新項目，建設高技術船舶及重點海洋工程裝備的研發試驗設施”［12］。

（4）《遼寧省海洋經濟發展“十二五”規劃》列出遼寧省海洋經濟發展的重點是“建設海洋工程裝備制造基地，充分發揮修船造船的傳統優勢，提高船舶配套和海洋工程裝備制造水平。重點突破半潛式鉆井平臺、FPSO、鋪管起重船、大型原油運輸船（VLCC）、萬箱級以上集裝箱船、液化天然氣（LNG）船等高技術、高附加值裝備的核心技術，增強海洋工程裝備自主設計創新能力；建設海洋新能源基地。充分利用海洋資源，加快建立低碳新型海洋經濟體系。依托現有海上風電項目，發揮自然條件優勢，響應國家節能減排的大政方針，搞好技術開發和基礎設施配套，加速海上風電的開發和布局，以此為模式，加快推進一批重大海上風電及其他海洋再生能源基地建設”［13］。

3 深海工程創新實驗基地概述

大連理工大學是由中共中央、國務院直管、教育部直屬的全國重點大學，首批“211工程”、“985工程”重點建設高校，遼寧省“領軍型大學建設工程”高校。大連理工大學科研實力雄厚，尤其是相關的港口、海岸和近海工程、船舶與海洋結構物設計制造、結構工程專業，均為國家重點專業，擁有“海岸和近海工程國家重點實驗室”、“工業裝備結構分析國家重點實驗室”和“船舶制造國家工程研究中心”，并有兩院院士、長江學者等知名學者領導的學科和科研團隊。

隨著科學技術的發展，現代工程技術領域各學科相互滲透、相互影響，大連理工大學在學科建設方面，審時度勢，有意識地促進各相近學科間的交流、協調，在注重各自專業特色、保持各自專業優勢的基礎上，積極進行學科之間的融合、資源的整合，創建學科群，于2007年成立了“深海工程研究中心”，使港口、海洋、結構、船舶等各學科在互通、交流、融合中，提高研究水平，拓寬科研領域，形成整體優勢，深入剖析海洋工程中前沿和復雜的跨學科難題，真正形成大連理工大學在深海工程領域學科建設和科學研究的優勢。

深海工程創新實驗基地依托于“深海工程研究中心”，該基地于2009年10月通過教育部可行性論證，國家財政部、教育部、地方政府和企業共同投資建設，由中國工程院院士歐進萍和長江學者滕斌教授等領銜規劃和設計，目前已經進入施工的關鍵階段。

深水池（見圖1）兩邊裝有L型不規則造波機，造波機可以實現入射波的主動吸收功能；深水池上部建有上下循環風洞，應用不同幾何尺寸以及間距的尖塔和粗糙元調節部分位置邊界層風速分布，應用可改變角度的格柵調整近入口地區風向，可開展不同尺度的模型試驗和現場調配，對比不同的整流方式，提高風場品質。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，應用推流器矩陣和導流片來調節水流均勻性，達到進一步提高水流質量的目的。水池深水試驗段下部采用浮式池底，便于調節水深，以及試驗模型的安裝和固定。

圖1 深水池效果圖

4 基地主要功能與科學目標

本基地建設項目面向海洋資源開發和海上交通等重大工程，可開展海洋能源、海底資源、海洋空間開發、海洋裝備研發等科學研究中涉及到的水動力學和結構力學試驗工作，主要用途如下：

（1）海洋災害環境重現。深海環境下災害多樣復雜，非線性大波、畸形波等的發生會對海洋工程結構造成巨大破壞，在深水水池中可以開展這些自然現象的重現實驗，研究水質點速度和水體中壓強的分布規律等。

（2）深海平臺等結構物動力響應實驗。深海開發中常采用立柱式平臺、半潛式平臺、張力腿平臺、FPSO等浮式結構物，這些結構物及其系泊系統和采油立管系統都受到浪、流和風等環境荷載的作用而發生動力響應。在深水水池的功能設立方面，應考慮表面波浪、表面水流的生成，以及風和水體內部水流的生成。由于海洋平臺的采油立管從水面平臺延伸到海底井口，會在水平方向上延伸出很大距離，因此水池的水平尺度應足夠大。然后，還可開展采油立管受到水流作用而產生的渦激振動實驗，以評估渦激振動的強度和立管的疲勞壽命。

（3）海底隧道建設技術實驗。交通是國民經濟的命脈，其中海底隧道建設難度高、投入大，是一項高風險的工程，其設計與施工面臨諸多難點，本實驗基地可以有效地模擬海底水動力特性，模擬深水急流復雜的海洋環境條件下沉管沉放過程以及管段的沉放定位和穩定性控制等，提高海底隧道施工的探水和治水技術等。

（4）跨海大橋工程建設關鍵技術實驗。東海大橋、杭州灣大橋、青島海灣大橋、舟山連島大橋的建設承載了無數建橋人的夢想，見證了新中國造橋史上的輝煌。隨著我國國力的進一步加強，更多大跨度跨海大橋將不斷涌現。跨海大橋下部橋墩受到波浪、水流的沖擊，上部巨大的橋身受到強風的作用，本身的穩定和耐久壽命是人們關心的問題。本實驗水池將成為目前唯一的可模擬海上災害環境與跨海大橋作用的實驗水池。

（5）深海工作站實驗。在惡劣的海洋環境中長期駐留和定位作業是開發海洋資源的前提，深海工作站的開發應用了順應式張力腿平臺技術，突破非線性水動力性能分析、結構可靠性、系統定位和可搬遷使用技術等，是目前實用性較強的開發方向。深水水池實驗可研究深海工作站的水動力學、機構的運動和結構之間的連接。

（6）海底資源開發技術實驗。海底礦藏的開發是海洋工程中的重要方面。一般的開采方式包括水面船體、輸送立管和帶有動力驅動的海底采礦設備，涉及到礦物的采集技術，海底采礦設備在海底沉積物中、海山上的行走和控制，作業過程的動力模擬，海底礦物的輸運等。整個系統以一定的速度向前行進時，受到波浪、水流、風的作用。在實驗中，模型的行進速度可以通過深水水池中的拖車系統實現，從而方便地開展海底礦藏開采的模擬實驗。

（7）海洋裝備開發實驗。為了勘察和開發深海資源，開展深海科學研究，深海裝備的開發和實驗研究是必不可少的。深海裝備包括深海遙控潛水器、水下機器人、載人潛水器等。在深海工程實驗水池中可開展設備抗壓、水下推進、收放過程、動力與信息傳輸技術等方面的研究工作。

（8）海上風電場模擬實驗。目前海上風電是海洋新能源利用與開發的最重要形式，英國、德國、丹麥等西方發達國家在海上風電場的建設方面占有領先地位。在世界海上風電已進入大規模開發的背景下，我國海上風電場建設必須要緊跟而上，但我國尚缺乏海上風電建設經驗，亦亟須建立海上風電建設技術規范體系。對于海上風電場的模擬，要求水池中同時產生高品質的風、浪、流，本綜合水池不僅可以模擬淺海固定式風電機，還可以模擬深海浮式風電機，將成為國內外第一個高品質海上風電場實驗模擬基地。

5 結束語

深海工程創新實驗基地的建設必然增強我國深海工程的實力，加快我國海洋工程技術的發展，保證其開展研究、設計和制造的前瞻性、先進性，使我國抓住時機，加快深海開發的力度與速度，用實力說話，在他國肆意侵占我南海主權的問題上，以積極主動的姿態掌握相關爭端問題的話語權，主導爭端的解決，這將極為有力地打破我國在南海問題上所面臨的困境，拓展我國的戰略空間，維護國家主權。

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［1］劉淮.國外深海技術發展研究（一）［J］.船艇，2006（10）：6－18.

［2］劉淮.國外深海技術發展研究（二）［J］.船艇，2006（11）：18－23.

［3］周國平.海洋工程裝備關鍵技術和支撐技術分析［J］.船舶與海洋工程［J］.2012（1）：15－20，37.

［4］高艷波，李慧青，柴玉萍，等.深海高技術發展現狀及趨勢［J］.海洋技術學報，2010，29（3）：119－124.

［5］王穎，韓光，張英香.深海海洋工程裝備技術發展現狀及趨勢［J］.艦船科學技術，2010，32（10）：108－113，124.

［6］國家發改委，科技部，工業和信息部，等.海洋工程裝備產業創新發展戰略（2011－2020）［Z］.2011.

［7］田天.海洋結構物環境適應性物理模擬研究［D］.大連：大連理工大學，2004.

［8］習近平.進一步關心海洋認識海洋經略海洋，推動海洋強國建設不斷取得新成就［N］.人民日報，2013－08－01（01）.

［9］國際能源署（IEA）.世界能源展望［Z］.2013.2013.

［10］中華人民共和國國務院.國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020）［Z］.2006.

［11］國家海洋局，科技部，教育部，等.國家“十二五”海洋科學和技術發展規劃綱要［Z］.2011.

［12］工業和信息化部.國家船舶工業“十二五”發展規劃［Z］.2012.

［13］遼寧省人民政府.遼寧省海洋經濟發展“十二五”規劃［Z］.2011.