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H．L．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(SemlSubmersmle Platform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19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”深潜救生艇是我国第一艘载人潜水器，还有300米工作水深的“QSZ—II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0．6米，可以取出埋深在1．2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53．1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21．5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。我国省、特区借助国外先进技术先后建成了沉管隧道。我国自行设计施工的第—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。