深耕海洋能源高端裝備抗疲勞制造培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才
——記廣東工業(yè)大學(xué)教授、機(jī)電工程學(xué)院院長(zhǎng)張永康

吳應(yīng)清

從2007年起，廣東工業(yè)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師張永康帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與包括南通中遠(yuǎn)海運(yùn)船務(wù)工程有限公司、啟東中遠(yuǎn)海運(yùn)海洋工程有限公司、廣東中遠(yuǎn)海運(yùn)海洋工程有限公司、中鐵建港務(wù)局集團(tuán)有限公司、中天科技股份有限公司、武漢船用機(jī)械有限公司、招商局重工（江蘇）有限公司等在內(nèi)的多個(gè)國(guó)內(nèi)相關(guān)知名企業(yè)，以及包括大連理工大學(xué)、浙江大學(xué)、武漢理工大學(xué)等在內(nèi)的多所高校科研院所開(kāi)展跨區(qū)域跨行業(yè)的產(chǎn)學(xué)研用深度融合與合作，逐步形成了由張永康、李榮、仇明、高航、朱嶸華、王振剛、霍小劍、薛池、吳平平、金曄、吳承恩、Arne Smedal、郭曉東、張笛、鄭和輝、顏建軍、宋健、蔡舒鵬等人組成的核心技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)。通過(guò)多年聯(lián)合攻關(guān)，張永康團(tuán)隊(duì)在深海石油鉆探平臺(tái)、超大型自升自航式海上風(fēng)電安裝平臺(tái)/船、深遠(yuǎn)海原油轉(zhuǎn)駁裝備、激光鍛造增材制造與再制造等方面取得了系列創(chuàng)新成果。他們的目標(biāo)明確、信心滿滿，堅(jiān)定地走在推動(dòng)行業(yè)裝備升級(jí)、實(shí)現(xiàn)行業(yè)階段性發(fā)展的路上。

張永康團(tuán)隊(duì)參加國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)大賽合影

著力攻克三大難題再現(xiàn)“中國(guó)制造”榮光

隨著能源需求的持續(xù)增長(zhǎng)和環(huán)境問(wèn)題的日益突出，海上風(fēng)電作為再生清潔能源之一，受到世界各國(guó)高度重視和大力推進(jìn)。據(jù)國(guó)際能源署報(bào)道：全球累計(jì)裝機(jī)將從2018年的23GW加速發(fā)展到2050年的1000GW，未來(lái)將形成萬(wàn)億級(jí)新興產(chǎn)業(yè)。隨著我國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電迎來(lái)快速發(fā)展的重要時(shí)期，2018年、2019年、2020年連續(xù)3年新增裝機(jī)容量均為世界第一，2021年總裝機(jī)容量也已超過(guò)英國(guó)成為世界第一。

為了降低成本，風(fēng)機(jī)大型化、風(fēng)電場(chǎng)深水遠(yuǎn)岸化和風(fēng)電場(chǎng)大型規(guī)模化是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。水深大于35米的深水遠(yuǎn)岸區(qū)范圍廣、風(fēng)能資源豐富，全球未來(lái)新增裝機(jī)的主戰(zhàn)場(chǎng)也將集中在深水遠(yuǎn)岸區(qū)。由此，我國(guó)相關(guān)規(guī)劃明確鼓勵(lì)相關(guān)研究者及從業(yè)者積極參與海上風(fēng)電深水遠(yuǎn)岸戰(zhàn)略布局，而這也正是張永康團(tuán)隊(duì)著力攻堅(jiān)的“主戰(zhàn)場(chǎng)”。

在風(fēng)大、浪高、水深、遠(yuǎn)海和海況復(fù)雜等惡劣環(huán)境中，高效率、低成本、高安全地安裝超大風(fēng)電裝備和鋪設(shè)海底超長(zhǎng)電纜的難度越來(lái)越大，張永康團(tuán)隊(duì)面臨三大世界性技術(shù)難題：超大型自升式安裝平臺(tái)站立易傾覆“失穩(wěn)”、高空巨型葉片大風(fēng)吊裝精準(zhǔn)對(duì)位易“失準(zhǔn)”、海底超高壓電纜連接易疲勞破壞“失效”。為此，張永康團(tuán)隊(duì)著眼實(shí)際，逐一提出了有針對(duì)性的解決方案：

其一，通過(guò)超大型自航自升式安裝平臺(tái)設(shè)計(jì)制造創(chuàng)新，解決深遠(yuǎn)海惡劣環(huán)境下平臺(tái)站立“失穩(wěn)”的世界性技術(shù)難題，形成穩(wěn)定的風(fēng)機(jī)安裝作業(yè)平臺(tái)。

安裝平臺(tái)是系統(tǒng)復(fù)雜的巨型海洋專業(yè)工程特種船舶，是海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的核心關(guān)鍵裝備，具有運(yùn)載航行、船體平臺(tái)升降、起重作業(yè)等綜合功能。其核心功能是自升站立形成穩(wěn)定的安裝作業(yè)平臺(tái)。但是，受風(fēng)面積大、重心高、甲板載荷大、海底地質(zhì)復(fù)雜、風(fēng)浪流惡劣等因素影響，安裝平臺(tái)容易站立“失穩(wěn)”，從而導(dǎo)致平臺(tái)傾翻災(zāi)難性事故發(fā)生。對(duì)于長(zhǎng)度達(dá)140米、總重量超2萬(wàn)噸的自升自航式安裝平臺(tái)，在作業(yè)水深達(dá)80米的深水區(qū)，巨型樁腿及樁靴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造變形控制是影響“失穩(wěn)”的最主要因素。

基于上述問(wèn)題，張永康團(tuán)隊(duì)提出了超大型自航自升式安裝平臺(tái)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)多目標(biāo)多約束漸進(jìn)拓?fù)鋬?yōu)化方法，突破了復(fù)雜服役環(huán)境下超大型安裝平臺(tái)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)減重、疲勞、變形的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)瓶頸；建立了巨樁腿分段焊接預(yù)熱數(shù)學(xué)模型和精確加熱方法，減少了焊接應(yīng)力和變形，形成了樁腿成套建造技術(shù)工藝與裝備；提出了多樁腿軸套交替升降裝置與控制方法，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)在復(fù)雜海底連續(xù)精準(zhǔn)可靠升降；首創(chuàng)非均勻分布載荷柔性低剛度風(fēng)電安裝平臺(tái)的平地?zé)o余量數(shù)字化建造技術(shù)與塢內(nèi)整船插樁試驗(yàn)方法，研制了八邊形、圓形和桁架型3種樁腿樁靴系統(tǒng)，研發(fā)并建造出系列世界領(lǐng)先的安裝平臺(tái)，并形成國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)4項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品2個(gè)。

其二，通過(guò)高空巨型葉片高效精準(zhǔn)安裝運(yùn)動(dòng)控制創(chuàng)新，解決高空大風(fēng)中巨型葉片吊裝時(shí)百余個(gè)螺栓同時(shí)精準(zhǔn)對(duì)位易“失準(zhǔn)”的行業(yè)核心難題。

海洋氣象環(huán)境復(fù)雜，船體會(huì)受到風(fēng)浪載荷作用，葉片在吊裝過(guò)程中也會(huì)受到湍流風(fēng)載荷作用。隨著風(fēng)機(jī)容量增大，葉片越重越長(zhǎng)吊裝高度越高，葉片高空中精準(zhǔn)對(duì)孔安裝的難度越大。例如，即將大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的世界最大的風(fēng)力渦輪機(jī)14兆瓦風(fēng)機(jī)，高252米，轉(zhuǎn)子直徑222米。如果葉片吊裝過(guò)程中由于重心不穩(wěn)而發(fā)生傾覆，則會(huì)嚴(yán)重影響到安裝進(jìn)程；在葉片和輪轂的安裝對(duì)接過(guò)程中可能出現(xiàn)巨大的振動(dòng)和沖擊力，并導(dǎo)致根部連接處的結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞。因此，如何實(shí)現(xiàn)吊裝系統(tǒng)及安裝系統(tǒng)在多種耦合外載荷作用下的精準(zhǔn)、快速響應(yīng)，并給出反饋控制以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，是海上自航自升式風(fēng)電安裝船單葉片安裝過(guò)程亟須解決的行業(yè)共性核心技術(shù)難題。

為此，張永康團(tuán)隊(duì)建立了受湍流風(fēng)載荷作用的葉片吊裝運(yùn)動(dòng)多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)力學(xué)準(zhǔn)靜態(tài)平衡方程組，根據(jù)實(shí)時(shí)外載荷參數(shù)數(shù)據(jù)伺服控制葉片吊裝速度和姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)了吊裝過(guò)程的動(dòng)態(tài)控制和可視化；建立了風(fēng)-浪-力載荷作用的葉片螺栓群對(duì)孔多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)智能搜索算法及最佳海洋氣象環(huán)境快速確定多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)所受的最大外載荷及對(duì)應(yīng)的參數(shù)，提升單葉片對(duì)接安裝效率和提高安全系數(shù)；并獨(dú)創(chuàng)預(yù)緊恒張力防轉(zhuǎn)動(dòng)、隨動(dòng)水平防擺動(dòng)的控制方法；發(fā)明了角度可調(diào)式高空吊裝穩(wěn)定系統(tǒng)、繞樁連續(xù)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，研發(fā)了系列海洋工程起重機(jī)，同時(shí)形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)4項(xiàng)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)3項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品1個(gè)。

其三，通過(guò)海底超高電壓電纜軟接頭設(shè)計(jì)制造創(chuàng)新，解決海底遠(yuǎn)距離連接易疲勞破壞“失效”的世界性技術(shù)難題。

海底電纜是電力輸送的根本保障，隨著海上風(fēng)電場(chǎng)容量越來(lái)越大，輸電容量不斷增大，輸電距離不斷加長(zhǎng)，原220kV及以下的海纜線路已不能滿足需求。由于生產(chǎn)設(shè)備連續(xù)開(kāi)機(jī)時(shí)間、生產(chǎn)流轉(zhuǎn)和儲(chǔ)纜裝置承重等多因素的影響，單根海電纜的生產(chǎn)長(zhǎng)度受到限制。為滿足大長(zhǎng)度海纜需要，只有通過(guò)軟接頭（工廠接頭）的方式將電纜連接起來(lái)。在具體的海洋環(huán)境中，電纜受到各種復(fù)雜的隨機(jī)動(dòng)態(tài)載荷十分惡劣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的故障90%是由于海底電纜引起的，軟接頭是最容易產(chǎn)生疲勞破壞的薄弱環(huán)節(jié)。可以說(shuō)海纜軟接頭是實(shí)現(xiàn)海纜超大長(zhǎng)度生產(chǎn)的核心工藝技術(shù)，其疲勞特性及壽命預(yù)測(cè)模型是關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

針對(duì)這一“軟肋”，張永康團(tuán)隊(duì)建立了海域中海纜軟接頭靜態(tài)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)模型、絕緣體溫度控制模型，掌握了超高壓絕緣海底光電纜服役周期內(nèi)（20年）的疲勞破壞規(guī)律，形成了全生命周期內(nèi)的疲勞壽命評(píng)估方法；提出了分層錯(cuò)位氬弧焊接方法、接頭絕緣注入及硫化工藝、屏蔽恢復(fù)工藝、接頭絕緣交聯(lián)度一致性工藝，實(shí)現(xiàn)了軟接頭大截面銅導(dǎo)體的高精高強(qiáng)焊接和絕緣層的耐高壓高溫融合，成功研發(fā)世界最高電壓等級(jí)500kV XLPE軟接頭系統(tǒng)，確保了電能的長(zhǎng)距離高可靠輸送，并形成國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)8項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品3個(gè)。

目前，張永康團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新成果已在我國(guó)、英國(guó)、丹麥、德國(guó)等國(guó)內(nèi)外著名海上風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)展大規(guī)模應(yīng)用，例如我國(guó)單體容量最大的海上風(fēng)電場(chǎng)啟東H3（800MW）、緯度最高氣候最寒冷的大連莊河海上風(fēng)電場(chǎng)、亞洲規(guī)模最大的海上風(fēng)電集群“國(guó)家電投鹽城陣列”、有“風(fēng)柜”之稱的南澳勒門(mén)海上風(fēng)電場(chǎng)。團(tuán)隊(duì)還中標(biāo)中廣核汕尾海上風(fēng)電（1400MW）電纜總承包，簽訂全球最先進(jìn)海上風(fēng)電安裝船建造合同（可運(yùn)輸安裝7套完整15MW風(fēng)機(jī)）等，榮獲全國(guó)風(fēng)電行業(yè)首個(gè)“國(guó)家優(yōu)質(zhì)工程金質(zhì)獎(jiǎng)”，開(kāi)發(fā)并應(yīng)用了全球首例大長(zhǎng)度交流500kV交聯(lián)聚乙烯絕緣光纖復(fù)合海底電力電纜系統(tǒng)，使中國(guó)成為世界首個(gè)掌握該項(xiàng)技術(shù)并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的國(guó)家。

同時(shí)，相關(guān)成果產(chǎn)生的巨大國(guó)際影響力也同樣令人矚目。其中，超大型自航自升式安裝平臺(tái)被國(guó)際海上工程領(lǐng)頭羊比利時(shí)DEME等公司評(píng)價(jià)為世界上最先進(jìn)的海上風(fēng)電安裝船；在英國(guó)成功安裝首批32臺(tái)世界最大的商用8MW風(fēng)機(jī)，成功解決了全球最大海上風(fēng)電場(chǎng)“倫敦陣列”海況惡劣環(huán)境下風(fēng)機(jī)安裝的難題，被國(guó)際船舶網(wǎng)報(bào)道為“標(biāo)志著海上風(fēng)電進(jìn)入8MW時(shí)代”，并作為“改變地球面貌的偉大工程”入選央視和英國(guó)BBC聯(lián)合攝制的大型紀(jì)錄片《改變地球的一代人》，在中央一臺(tái)、英國(guó)廣播公司（BBC）、德國(guó)ZDFneo、香港電臺(tái)（RTHK）等世界知名媒體多年連續(xù)播放，由此，張永康團(tuán)隊(duì)的相關(guān)成果已成為“中國(guó)制造”新名片的重要組成部分。

深耕多年，張永康及其團(tuán)隊(duì)獲授權(quán)主要發(fā)明專利300多件、國(guó)際專利20多件；形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)4項(xiàng)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)15項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品6項(xiàng)；獲得省部級(jí)科技獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)5項(xiàng)，中國(guó)好設(shè)計(jì)金獎(jiǎng)、中國(guó)市場(chǎng)技術(shù)金橋獎(jiǎng)、日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明展“特別嘉許金獎(jiǎng)”、國(guó)際發(fā)明展覽會(huì)金獎(jiǎng)各1項(xiàng)，并榮獲全球首個(gè)“海洋可再生能源獎(jiǎng)”。此外，他們還取得了國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)優(yōu)勢(shì)企業(yè)、國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)示范企業(yè)、國(guó)家認(rèn)定企業(yè)技術(shù)中心、國(guó)家創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等榮譽(yù)稱號(hào)。項(xiàng)目成果引領(lǐng)了全球海上風(fēng)電安裝平臺(tái)高端裝備制造業(yè)的技術(shù)發(fā)展，對(duì)我國(guó)占據(jù)行業(yè)制高點(diǎn)、推動(dòng)我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、生態(tài)環(huán)境改善和海洋經(jīng)濟(jì)建設(shè)等目標(biāo)具有極為重大的戰(zhàn)略意義。從這個(gè)意義出發(fā)，張永康及其團(tuán)隊(duì)交出的“中國(guó)方案”，正在為世界減排和構(gòu)建人類命運(yùn)共同體作出“中國(guó)貢獻(xiàn)”。

探秘深海石油鉆探領(lǐng)域解決深海石油開(kāi)采難題

中國(guó)是貧油國(guó)家，石油進(jìn)口量逐年增加，預(yù)計(jì)2030年我國(guó)石油需求6.44億噸，進(jìn)口石油依存度將達(dá)到82%。而我國(guó)約有70%未探明油氣集中于深水區(qū)，其中我國(guó)南海（主要在深海）資源為石油280億噸、天然氣266億立方米，有“第二個(gè)波斯灣”之稱。為解決我國(guó)貧油現(xiàn)狀、提升國(guó)家資源自主性，深海石油的開(kāi)發(fā)刻不容緩，國(guó)家也早已將深海石油開(kāi)發(fā)提升到事關(guān)國(guó)家安全的戰(zhàn)略高度。然而，由于鉆井設(shè)備的承載能力小、作業(yè)水深淺、抗風(fēng)浪能力差，我國(guó)油氣資源開(kāi)發(fā)長(zhǎng)期集中在500米以內(nèi)的近海海域，掌握深海鉆井平臺(tái)重大裝備的先進(jìn)技術(shù)與制造技術(shù)，是一代代裝備制造科學(xué)家們的夢(mèng)想與心愿。

如何從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)鉆井平臺(tái)的鉆探和儲(chǔ)油一體化？這是海工裝備研究領(lǐng)域一直關(guān)注的重點(diǎn)，而如何提高平臺(tái)穩(wěn)定性、抗風(fēng)浪和破損能力，更是從業(yè)者最為關(guān)注的安全性問(wèn)題。對(duì)于達(dá)到3000米海深作業(yè)的環(huán)境，鉆井平臺(tái)定位系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)和定位精度，是亟待解決的技術(shù)難題。針對(duì)這些深海鉆井平臺(tái)重大裝備的瓶頸問(wèn)題，張永康團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)與工藝、全功能集成制造、抗風(fēng)浪能力設(shè)計(jì)及動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面研究，獲得了創(chuàng)新性成果。2009年，他們成功制造出國(guó)際首座具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的圓筒型深海鉆井儲(chǔ)油平臺(tái)，作業(yè)水深達(dá)到3050米，最高可達(dá)3600米，鉆井深度達(dá)1200米，儲(chǔ)油量可達(dá)15萬(wàn)桶，可以適應(yīng)各種最惡劣的海域作業(yè)環(huán)境，甚至可以在12級(jí)臺(tái)風(fēng)下實(shí)現(xiàn)安全作業(yè)，整體技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

據(jù)張永康介紹，這一設(shè)計(jì)突破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，借由嶄新的圓筒結(jié)構(gòu)所具有的穩(wěn)定性好、抗風(fēng)浪能力強(qiáng)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，確保機(jī)構(gòu)強(qiáng)度更大的同時(shí)使得設(shè)備疲勞應(yīng)力處于相對(duì)較低的水平，極大地提高了抗破損能力，從而保證了平臺(tái)的壽命，大大增強(qiáng)了其安全性和可靠性。“這個(gè)設(shè)計(jì)可以保證平臺(tái)完工交付后，25年不需進(jìn)塢維修，可以最大限度地保證結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性。”張永康說(shuō)。與此同時(shí)，技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)結(jié)合“數(shù)字化造船”理念，成功實(shí)現(xiàn)了圓形曲面和曲面構(gòu)件的建模，有效生成了外板板縫、外板型材和曲面板架，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了模塊的參數(shù)化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化以及機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)格式的批量化轉(zhuǎn)換，最終在海洋工程中實(shí)現(xiàn)了100%無(wú)余量建造，這一技術(shù)同樣達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。

此外，張永康團(tuán)隊(duì)還在安全層面不斷加碼，面對(duì)自重28000多噸的平臺(tái)如何保證動(dòng)力定位系統(tǒng)安全性的問(wèn)題，技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)深思熟慮，最終采用了多冗余系統(tǒng)控制技術(shù)，將平臺(tái)定位和復(fù)位通過(guò)GPS和8個(gè)推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)，并研發(fā)了圓筒型海工平臺(tái)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)定位和復(fù)位方法，完全摒棄了復(fù)雜的拋錨工序，達(dá)到可以不受工作水深和錨泊的限制，具有定位準(zhǔn)確、快速、精度高的優(yōu)點(diǎn)，完美解決了海工平臺(tái)漂移量大的難題。不僅如此，他們還首創(chuàng)了圓筒平臺(tái)數(shù)字化模擬技術(shù)和浮態(tài)建造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“殼、舾、涂”一體化無(wú)余量模塊化建造的全新模式，極大地降低了建造成本。在此基礎(chǔ)上研制成功的首臺(tái)SEVAN DRILLER也不負(fù)眾望。它歷時(shí)3個(gè)月自航，歷經(jīng)東海、臺(tái)灣海峽、新加坡、馬六甲海峽、印度洋和南非開(kāi)普敦后，安全到達(dá)巴西里約熱內(nèi)盧進(jìn)行鉆井作業(yè)。

世界首座圓筒型深海石油鉆探平臺(tái)的成功研發(fā)，標(biāo)志著我國(guó)深海鉆探成套裝備制造水平的成功突破，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)國(guó)家深海能源開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略和國(guó)家能源安全戰(zhàn)略有著深遠(yuǎn)的影響。早在2009年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)對(duì)外發(fā)布的中國(guó)重大科學(xué)、技術(shù)與工程進(jìn)展中，世界首座圓筒型深海石油鉆探平臺(tái)SEVAN DRILLER即與“天河一號(hào)”、磁懸浮列車等共同入選十大科技進(jìn)展，時(shí)任國(guó)務(wù)院總理溫家寶還專門(mén)聽(tīng)取了該項(xiàng)目的專題匯報(bào)，并給予了充分肯定。研究成果“深海高穩(wěn)性圓筒型鉆探儲(chǔ)油平臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)與制造技術(shù)”也為張永康團(tuán)隊(duì)贏得了“2011年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)”（張永康教授排名第二）的殊榮。

以深遠(yuǎn)海三浮體原油轉(zhuǎn)駁輸送系統(tǒng) 突破遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)駁輸送極限難題

深遠(yuǎn)海原油開(kāi)采，是以海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船（FPSO）為主，如何將FPSO上的原油直接轉(zhuǎn)移到常規(guī)油輪（VLCC），而無(wú)需陸地儲(chǔ)油基地中轉(zhuǎn)，一直是業(yè)內(nèi)亟待解決的世界性難題，也是制約我國(guó)南海油氣資源開(kāi)發(fā)的主要瓶頸之一。在解決了開(kāi)采難題后，張永康團(tuán)隊(duì)又將目光投向原油“運(yùn)送”的環(huán)節(jié)，并首次提出、設(shè)計(jì)和研制了全球首艘原油轉(zhuǎn)駁輸送裝備/船（CTV）和首個(gè)“FPSO+CTV+VLCC”三浮體原油轉(zhuǎn)駁輸送系統(tǒng)，從而解決了CTV零航速和低航速轉(zhuǎn)駁的“浮態(tài)穩(wěn)定性”、小空間復(fù)雜結(jié)構(gòu)建造的“變形控制”和三浮體系統(tǒng)的“水動(dòng)力干擾”三大技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了原油通過(guò)CTV直接過(guò)駁到常規(guī)油輪，并獲得了一系列創(chuàng)新成果。

系列超大型海上風(fēng)電安裝平臺(tái)

團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種集成大馬力拖帶、滿載VLCC定位、應(yīng)急回收與救援、油田守護(hù)等多功能于一體的結(jié)構(gòu)緊湊的全球首艘原油轉(zhuǎn)駁輸送裝備/船（CTV）；建立了CTV船體舭龍骨水動(dòng)力載荷力學(xué)模型，揭示了惡劣海況下舭龍骨變形、應(yīng)力分布及疲勞性能規(guī)律，獲得了高穩(wěn)定性的船體箱形舭龍骨結(jié)構(gòu)，解決了惡劣海況下CTV零航速和低航速時(shí)“浮態(tài)穩(wěn)定性”的世界性技術(shù)難題。

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)建立了CTV復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接變形力學(xué)模型，提出了復(fù)雜構(gòu)件的分段焊接變形補(bǔ)償、船臺(tái)合攏縫焊接變形補(bǔ)償、基于焊接變形大數(shù)據(jù)的變形補(bǔ)償?shù)确椒ǎ纬闪朔侄螣o(wú)余量建造、模塊化建造、低應(yīng)力焊接和推進(jìn)器托架滑移提升安裝技術(shù)，解決了“變形控制”的行業(yè)技術(shù)難題，降低了焊接殘余拉應(yīng)力，提高了抗疲勞性能，實(shí)現(xiàn)了CTV船體的高精度低應(yīng)力無(wú)余量建造。

此外，團(tuán)隊(duì)還提出了“FPSO+CTV+常規(guī)油輪”三浮體原油轉(zhuǎn)駁系統(tǒng)，建立了柔性鏈接的三浮體水動(dòng)力干擾及偶合運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，獲得了不同海況條件下三浮體系統(tǒng)海上作業(yè)的極限能力，發(fā)明了五連桿快速釋放機(jī)構(gòu)的大纜系泊裝置；研發(fā)了基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)浪流及系泊力變化來(lái)調(diào)整主側(cè)推力的定位系統(tǒng)，解決了多浮體“水動(dòng)力干擾”的世界性技術(shù)難題，保持了三浮體轉(zhuǎn)駁系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡。

基于上述成果，團(tuán)隊(duì)主要發(fā)明獲得授權(quán)專利50多件，并取得國(guó)際首件CTV專利，世界首批2艘CTV已在水深2200米的巴西海上油田應(yīng)用，使原油轉(zhuǎn)駁速度達(dá)到8000m3/h@10bar，比常規(guī)設(shè)備提升50%。與“穿梭油輪+陸地儲(chǔ)油+油輪”模式相比，每艘CTV能降低綜合成本52%、一年節(jié)約費(fèi)用約1億美元、減少二氧化碳排放18.8萬(wàn)噸。研究成果獲得省部級(jí)科技獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，中央電視臺(tái)CCTV2將之評(píng)價(jià)為“中國(guó)國(guó)之重器，填補(bǔ)了國(guó)際空白”。這一項(xiàng)目成果開(kāi)創(chuàng)了全新的海洋油田原油轉(zhuǎn)駁方式，帶動(dòng)了深海石油開(kāi)發(fā)領(lǐng)域裝備制造技術(shù)的發(fā)展，也標(biāo)志著中國(guó)海工產(chǎn)品從中國(guó)制造邁向了中國(guó)創(chuàng)造。

積極引領(lǐng)技術(shù)創(chuàng)新百煉成鋼上下求索

據(jù)了解，巨型海工設(shè)備在建造與服役過(guò)程中容易產(chǎn)生局部疲勞損傷，如應(yīng)力集中導(dǎo)致的疲勞裂紋，焊縫過(guò)程中也容易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷。如何消除應(yīng)力，控制變形，提升設(shè)備的疲勞壽命，是張永康數(shù)十年科研過(guò)程中始終在研究的基礎(chǔ)問(wèn)題。而最早發(fā)源于美國(guó)，又被稱為“航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵制造技術(shù)之一”的激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)，成為張永康的“破局之處”。在激光沖擊強(qiáng)化抗疲勞研究的基礎(chǔ)上，張永康通過(guò)不斷的自主創(chuàng)新，提出了激光鍛造抗疲勞增材制造與再制造的新方法。

據(jù)張永康解釋，激光鍛造復(fù)合增材制造的原理是兩束不同功能的激光束同時(shí)且相互協(xié)同制造金屬零件的過(guò)程。通過(guò)激光熔敷3D成形零件和短脈沖激光直接作用在高溫激光熔敷金屬表面，利用脈沖激光誘導(dǎo)的沖擊波進(jìn)行沖擊鍛打，細(xì)化晶粒，消除熔敷層氣孔等內(nèi)部缺陷，重構(gòu)殘余應(yīng)力，最終提高金屬零件的內(nèi)部質(zhì)量和機(jī)械力學(xué)綜合性能、提高抗疲勞性能，并有效控制宏觀變形與開(kāi)裂問(wèn)題、降低生產(chǎn)成本。基于這一成果的先進(jìn)性、開(kāi)拓性及其在高端海工裝備、海洋結(jié)構(gòu)物、飛機(jī)場(chǎng)外修理、巨型機(jī)械裝備現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)、抗疲勞金屬3D打印等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力，這一成果先后獲得了中國(guó)和美國(guó)的發(fā)明專利，并成功申請(qǐng)到我國(guó)第一個(gè)國(guó)家自然科學(xué)基金。

據(jù)張永康回憶，他從1992年起就已經(jīng)開(kāi)始研究激光沖擊強(qiáng)化這一專業(yè)領(lǐng)域，承擔(dān)了中國(guó)第一個(gè)激光沖擊強(qiáng)化項(xiàng)目，發(fā)明了國(guó)內(nèi)首臺(tái)脈沖激光器，于1996年獲得了中國(guó)第一個(gè)激光沖擊強(qiáng)化科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)，但我國(guó)相關(guān)研究、特別是高端設(shè)備的長(zhǎng)期“缺位”，始終是橫亙?cè)谒刂械男慕Y(jié)。而張永康與廣東工業(yè)大學(xué)的“結(jié)緣”，也由此而來(lái)。廣東工業(yè)大學(xué)是廣東省高水平建設(shè)大學(xué)，是唯一一所被美國(guó)列入實(shí)體清單的地方性院校。廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院擁有國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家工程訓(xùn)練中心、教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等多個(gè)科研教學(xué)平臺(tái)，擁有機(jī)械工程學(xué)術(shù)博士點(diǎn)和機(jī)械專業(yè)博士點(diǎn)，機(jī)械工程學(xué)科全國(guó)2021年軟科排名第20位，進(jìn)入全國(guó)前10%。現(xiàn)有學(xué)生4500余人、教師200余人。其中最吸引張永康的是，在廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，有一臺(tái)總價(jià)值約2000萬(wàn)元的激光噴丸設(shè)備，出自美國(guó)LSPT公司，在中國(guó)眾多高校中，廣東工業(yè)大學(xué)是唯一擁有這一設(shè)備的大學(xué)。張永康從東南大學(xué)來(lái)到廣東工業(yè)大學(xué)任教，其中一個(gè)原因就是奔著這臺(tái)機(jī)器而來(lái)。盡管這臺(tái)設(shè)備從美國(guó)到中國(guó)的過(guò)程曲折頗多，并缺乏相關(guān)核心軟件程序，但這依舊為張永康打開(kāi)了一扇對(duì)當(dāng)時(shí)最高端設(shè)備研究的窗戶。通過(guò)反復(fù)的研究和揣摩，張永康及其團(tuán)隊(duì)終于成功研制出我國(guó)第一臺(tái)大能量變脈沖寬度單縱模固體激光器，該設(shè)備具有雙屏顯示功能，10J、10Hz、脈沖寬度可變范圍為15ns～26ns（該數(shù)據(jù)優(yōu)于美國(guó)LSPT公司），在2021年4月被中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)技術(shù)鑒定為“國(guó)內(nèi)首次”。

科研之外，張永康同樣看重自己身為高校教師的責(zé)任。在師承著名特種加工專家、南京航天航空大學(xué)老校長(zhǎng)余承業(yè)教授和中國(guó)科學(xué)院朱荻院士的他看來(lái)，學(xué)生在博士階段是否能夠做出成果，一方面在于其創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，另一方面要求其必須有扎實(shí)寬廣的專業(yè)知識(shí)。作為廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院院長(zhǎng)，張永康以本為本，扎根于教學(xué)和科研一線，在創(chuàng)新能力和專業(yè)知識(shí)這兩個(gè)層面著重發(fā)力，帶領(lǐng)學(xué)生走好科研道路的每一步。“知識(shí)面要寬，專業(yè)要專。”張永康至今記得，當(dāng)年他在南京航天航空大學(xué)讀博士的時(shí)候，余承業(yè)老校長(zhǎng)給他們講述了博士生跟導(dǎo)師之間的關(guān)系：“他說(shuō)，導(dǎo)師的作用一方面是要把你帶到前沿陣地，給你指明方向；另一方面則要給你提供子彈，讓你有足夠的彈藥。兩方面都做到了，剩下的就要看博士生自己了。”與此同時(shí)，以國(guó)家重大需求為牽引，張永康積極與企業(yè)合作產(chǎn)學(xué)研用深度融合，培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才。目前，張永康已經(jīng)培養(yǎng)出博士20多名，其中2名獲批教育部長(zhǎng)江特聘教授（1名為協(xié)助導(dǎo)師培養(yǎng)的博士生）、2名博士研究生分別獲得上銀優(yōu)秀機(jī)械博士論文獎(jiǎng)銅獎(jiǎng)和優(yōu)秀獎(jiǎng)，他指導(dǎo)的本科生、研究生創(chuàng)新小組，也先后榮獲2021“互聯(lián)網(wǎng)+”大賽國(guó)賽銀獎(jiǎng)、廣東省金獎(jiǎng)。

我國(guó)提出的“力爭(zhēng)2030年前碳達(dá)峰、努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”目標(biāo)，事關(guān)中華民族永續(xù)發(fā)展，事關(guān)構(gòu)建人類命運(yùn)共同體。面向國(guó)家重大需求和大灣區(qū)率先實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)對(duì)高端裝備制造專業(yè)人才培養(yǎng)要求，張永康與清華大學(xué)出版社共同策劃了“碳中和·海洋能源高端裝備制造叢書(shū)”。該套叢書(shū)以廣東工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、中山大學(xué)、廣州航海學(xué)院等大灣區(qū)院校為代表，聯(lián)合挪威Cefront AS公司、中國(guó)石油集團(tuán)、啟東中遠(yuǎn)海運(yùn)海洋工程有限公司等國(guó)內(nèi)外知名企業(yè)，依托大灣區(qū)并推及全國(guó)其他省市各高等院校和科研院所，以海洋能源高端裝備制造為主線，以作者的科研成果為基礎(chǔ)，融合新能源、新材料、綠色環(huán)保等多學(xué)科，形成一套系統(tǒng)理論完善、多維度、高水平、高層次、高質(zhì)量的系列技術(shù)叢書(shū)。這套叢書(shū)將以作者多年的研究成果為主編寫(xiě)而成，具有鮮明的創(chuàng)新性和科研的前沿性，既是高水平的專著，又是新工科教材，充分體現(xiàn)了科研反哺教學(xué)的特色。“我期待著這套叢書(shū)早日出版。”張永康說(shuō)。

“3D打印的原理其實(shí)很簡(jiǎn)單，將固態(tài)材料加溫融化成液態(tài)，再一層層澆筑成型，這個(gè)過(guò)程的本質(zhì)跟2000年之前的春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代做青銅器的工藝是一樣的，兩者的本質(zhì)都是一種鑄造工藝。”張永康說(shuō)，“就像秦始皇兵馬俑中的青銅寶劍，是通過(guò)反復(fù)加溫，不斷敲打、去除雜質(zhì)，百煉成鋼，最終形成高強(qiáng)度的青銅寶劍。對(duì)于我們這個(gè)行業(yè)來(lái)說(shuō)，也是一樣，無(wú)論是設(shè)備、還是人才，都要經(jīng)過(guò)‘百煉成鋼’的過(guò)程，方能展現(xiàn)出真正的風(fēng)采。而能夠參與到這個(gè)過(guò)程中，我感到十分榮幸。”