海洋工程现状与发展趋势

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1、海洋工程现状与发展趋势 前言 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。 一般认为海洋工程的主要内容可分资源开发技术与装备设施技术两大部分。其中，资源开 发技术主要包括：深海矿物勘探、开采、储运技术；海底石油、天然气钻探、开采、储运 技术；海水资源与能源利用技术，包括淡化、提炼、潮汐、波力、温差等；海洋生物养殖、 捕捞技术；海底地形地貌的研究等。而装备设施技术主要包括：海洋探测装备技术，包括 海洋各种科学数据的采集、结果分析，各种海况下的救助、潜水技术；海洋建设技术，包 括港口、海洋平台、海岸及海底建筑；海洋运载器工程技术，包括水面(各

2、种船舶)、半潜 (半潜平台)、潜水(潜器)、水下(水下工作站、采油装置、军用设施等)设备技术等。 二，海洋工程现状 1. 在海洋石油工程装置方面。1887 年 HL威廉斯在加利福尼亚州海边完成了第一口井， 拉开世界近海石油工业的序幕起，至今已经历了整整一个世纪，已研制了多种多样的海洋 石油工程装置以及特种工程船舶(地球物理勘探船、供应船、拖船、起重船、打捞救助船、 特种工程船、海底电缆布设船、铺管船及深潜器母船等)。 国外海洋石油工程装置大致是由 1025m 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(SemlSubmersmle Pl

3、atform 简称 Semi FPS)、浮式生产储油装置(Folating Production Storage and Offloading 简称 FPSC)、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 2 500m 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

4、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。 值得指出的是：海洋石油工程装置中 FPSO 是十分引人注目的，尽管它的开发历史较短， 数量也较少，但这种外型类似油船的海洋工程装置在甲板上密布了各种生产设备和管路， 并与井口平台的管、线连接，并设有特殊的系泊系统、火炬塔等复杂设备，整船技术复杂， 价格远远高出同吨位油船。它具有强的抗风浪能力、投资也低、见效快、可以转移重复使 用等优点外，它的储油能力大，并可以将采集的

5、油气进行油水气分离，处理含油污水、发 电、供热、原油产品的储存和外输，被誉为“海上加工厂” ，已成为当今海上石油开发的主 流方式。2.在潜水器技术方面。目前世界上建造的载人潜水器超过 160 艘，无人潜水器超过 1000 艘。 日本继 1989 年建成深海 6500 米载人潜水器“SHINKAI6500”以后，于 1993 年又建成了 世界上第一艘潜深 10000 米的无人潜水器，用于深海矿产资源和海洋生物资源的调查研究。 经过“七五”和“八五”的工作，我国的潜水器技术有了很大的发展。在无人潜水器方面， 某些项目已经达到国际水平；在载人潜水器方面，潜深 600 米的“7 1 03”深潜救生艇是

6、我 国第一艘载人潜水器，还有 300 米工作水深的“QSZII 型双功能单人常压潜水装具系统” 、 潜深 150 米的鱼鹰 I 号和双功能的鱼鹰 II。综合国内从事潜水器开发的各院校、研究院和 研究所的力量，我国已具有开发深海载人潜水器的技术能力。3.在海底管线埋设、检测和维修技术方面。我国海底电缆的铺设已有几十年的历史，第一 条国际通讯电缆于 1976 年完成，1993 年成功研制出 MG 一 1 型海缆埋设犁，并于同年成功完成中日光缆的埋设任务。上世纪 80 年代开始，英国 SMD(Soil Machine Dynamics Ltd)公司和 Land& Marine Eng公司建造了不少拖

7、曳式埋设系统。而美国的海洋系统工 程公司为 AT&T 研制的 SCA- B 号埋设机是一种 ROV 型(水中航行型)的埋设机。可在 1850 米深用喷水的方式埋设电缆至地下 06 米，可以取出埋深在 12 米以内的电缆，埋设电 缆直径为 300 毫米。履带爬行自走式、带有不同功能挖掘机构的埋设机是海底管道及电缆 的埋设技术的发展趋势。在这种履带车载体上通过更换不同的挖沟机械，装备各种探测设 备后，既能在沙泥底中进行埋设作业，也能在软岩底中进行埋设作业；既能铺设又能跟踪、 挖掘、检修、复埋；既能在水下，也能在浅滩或滩涂工作。目前，这种自走式埋设机已有 20 多台。 4. 在海上施工技术方面，各种

8、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。最宽的沉管隧道是比利时亚珀尔隧道，管段宽达 531 米，全长 336 米，单节管段最长的隧道是荷兰海姆斯普尔隧道，最长一节管段为 268 米， 宽 215 米，重 5 万吨。在施工中必须解决超重大管段在浮动状态下的精确沉放问题；水 下地基基础处理，通常要求平整度10 厘米；水下测量与控制问题。因此，它是工程船舶 技术、激光测量技术、电

9、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。我国沿江、沿海城市正纷纷筹划建造沉管隧道。例如，上海已决定在吴淞口建造黄 浦江沉管隧道。其由 8 根长为 110 米、宽为 48 米、高为 10 米的管段组成，每根管段重 5 万吨，最大作业水深 29 米。建成后为 8 车道。该沉管隧道已在上海交通大学海洋工程国家 重点试验室完成管段水上运输、定位、沉放试验，现在正进行施工设备的方案设计研究。 由于沉管隧道比盾构隧道有车道多、投资省等特点，随着我国越海、越江交通事业的发展， 可以预料沉管隧道的施工建造将会形成一个产业。我国台湾省、香港特区借助国外先进技 术先后建成了沉管隧道。我国自

10、行设计施工的第条沉管隧道广州珠江隧道已于 1993 年通车。此外，宁波甬江隧道也已建成。但总的来说，我国目前沉管隧道设计与施工技术 还处于积累经验阶段，在施工技术与设备上仍有待进一步研究与开发。三海洋工程的发展趋势 1. 深海平台技术的研究目前已探明的世界海洋石油储量的 80% 以上在水深 500m 以内, 而全部海洋面积的 90% 以上水深在 200 6000m 之间, 因而大量的海域面积有待探明。此外, 世界上除了少 数海域以外, 大部分地区的近海油气资源已日趋减少, 向深海发展已成必然趋势, 深海平台 技术已成为国际海洋工程界的一个热点,进行了大量的研究, 新的深海平台结构不断涌现。 我

11、国拥有 300 万 km2 的海疆, 深海油气资源十分丰富。然而, 目前油气资源开发主要是在 200m 水深以下的海域, 深海平台技术的研究尚处于起步阶段, 在面临世界各国对人类共同 拥有的深海资源激烈竞争的形势下, 须高度重视对深海平台技术的研究。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

12、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。我国海洋工业开始于 60 年代末期，最早的海洋石油开发起步于渤海湾地区， 该地区典型水深约为 20 米。到了 80 年代末期，在南中国海的联合勘探和生产开始在水深 100 米左右水深的范围内进行。目前我国的油气勘探和开发还没有突破 400 米水深。现在

13、 我国也准备加快南中国海油气资源的勘探开发，但这一海域水深在 500 米到 2000 米，而我 国目前还不具备在这一海域进行油气勘探和生产的技术，因此迫切需要发展深海油气勘探 和开发技术。随着向深海的发展，深海作业平台必须提到议事日程上。 2. 海底军事基地的研究 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

14、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。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。 3. 超大型浮式海洋结

15、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。 在我国，对超大型浮体结构的研究工作几近空白，但这并不是说我国的科学工作者对这方 面的国际发展趋势和动态缺乏了解，而是对在我国进行超大型浮体结构的应用前景及研制 的必要性和战略意义缺乏认识，在研究经费上缺乏支撑。 三结语 2 1 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。中正面临着一个重大的技术变革、发展时期，要发挥中国的后 发优势、把握这一时期的重大技术流国海洋工程界向、跟上世界海洋工程的技术发展。