以科研創新為帆共圓“海洋強國夢”

劉巖松 馬玲 舒鵬

世界海洋油氣資源開發的持續提速推動著海洋工程裝備市場的發展和擴大。據權威機構預計，2013年至2018年全球海洋油氣開發的年均投資在3270億美元以上，如果按占比20%至25%估算，海工裝備市場年需求在650億美元至810億美元之間。水下設備市場，包括水下管匯、立管、油管等，預計將在今后4年增長50%，2015年的投入可達300億美元。由此，海洋油氣資源開發裝備未來發展依然大有可為。

而在推進海洋深水油氣開發裝備創新開發的道路上，有一個人不得不提，他是國內進行深水研究最早的學者之一；是海洋深水油氣開發裝備的設計研發及其動力學理論與分析方法研究的堅守者；是多項國家海洋深水油氣開發裝備發明專利的獲得者；是堅定目標后，就不輕言放棄，始終堅守在科研第一線的開拓者。他就是中國海洋大學海洋工程系教授、博士生導師黃維平。

特殊時代的上下求索

1954年3月出生的黃維平，經歷了文化大革命的洗禮，也在煉油廠做過工人，但勤奮好學的他始終沒有放棄對知識的追求。直到1977年恢復高考，他的人生軌跡從此發生了巨大轉變。通過刻苦努力的學習，他如愿考取了大慶石油學院石油礦場機械專業，也就是現在的東北石油大學。

在學校，黃維平如同海綿般吸取著專業知識，大學畢業后，他又回到了熟悉的煉油廠，但這次是從事設備研究工作，為了實現自己科研報國的夢想，他在四年后又考取了大連理工大學工程力學專業研究生，畢業后留校工作，主要從事結構振動、結構抗震和試驗力學的教學和科研工作。同時，他還完成了結構工程專業的博士研究生學習，隨后進入西南交通大學從事博士后研究，研究方向為結構振動控制技術。1998年至今在中國海洋大學工作，主要從事海洋工程結構振動控制與健康監測、深海浮式結構/立管/系泊系統的動力分析理論研究。2005年至2006年在美國Texas A&M University作訪問研究，主要從事深水立管的動力分析研究。

回憶起在學校學習時期的點點滴滴，黃維平說道，他總是十分珍惜每一個來之不易的學習機會，他沒有因為比別人年長而妄自菲薄，而是用自己的實力說話，最終憑借著豐富的閱歷選擇從事了與所學專業看似毫不相關的海洋工程工作，對此，他說“結構本身是相通的，只是荷載和用途不同”，意思是只要基礎扎實，觸類旁通便不是問題。他還說“本科的石油專業背景給了我科研和教學的知識支撐。研究生的力學和結構專業基礎給了我科研和教學的理論支撐，使我能夠在海洋工程領域游刃有余，而中國海洋大學給了我施展才能的舞臺，我深深地感謝這些培養和支持我的母校。”

而正是憑借著扎實的基礎和對科研的熱愛，黃維平在深水油氣開發技術與裝備研究領域取得了斐然的成績。先后主持和參加多項國家自然科學基金、863計劃項目和企業委托項目；獲得多項國家級和省市級科技進步獎。近十多年，他的研究主要聚焦深水浮式平臺和立管系統的設計研發及其水動力性能研究，設計研發了新型Spar平臺和張力腿平臺，在海洋工程渦激振動與渦激運動研究領域取得了一些創新性的研究成果，獲國家發明專利31項，發表學術論文120余篇，完成學術專著2部、教材1部。在促進海洋油氣產業發展的同時，也使自己的價值得到無限放大。

創新時代的開拓進取

科技進步和創新是重要的驅動力，國家提出建設海洋強國的戰略部署和海洋經濟的快速發展，作為海洋經濟的支柱產業，海洋油氣更是進入大發展期，這將為我國船舶工業和海洋工程裝備拓展發展空間帶來大機遇。如何努力突破制約海洋經濟發展和深水油氣開發的科技瓶頸，成為當前和未來海洋經濟面臨的重要挑戰，關鍵要在深水、綠色、安全的海洋高技術領域取得突破，尤其要推進海洋經濟轉型過程中急需的核心技術和關鍵性技術的研究開發。

其實，我國早在2005年便開始了大規模的深水油氣開發技術與裝備研究，經過“十一五”和“十二五”的發展，現已取得了明顯的進步，很多技術與裝備可謂是從無到有。黃維平在海洋工程領域探索了十余載，不僅能冷靜的審視我國在海洋工程領域的發展，同時也為其創新發展貢獻著自己的力量。

黃維平介紹說，由于新能源的開發利用尚未實現大規模的商業化應用，石油作為主要能源仍然是一個國家的經濟命脈。全球大多數沿海產油國的陸地探明油氣資源已開采殆盡，尚無有工業開采價值的新發現，而海洋油氣特別是深水油氣發現卻屢屢見諸報端。據資料顯示，世界海洋石油資源量占全球石油資源總量的34%，約1000多億噸。其中已探明的儲量約為380億噸。目前，全球已有100多個國家在進行海上石油勘探。其中，有50多個國家已經開展了深水油氣勘探，我國也位居其中。南海的深水油氣儲量令世界矚目，也令一些國家垂涎三尺，已經有我國的三大國有石油公司和受邀的國外石油公司在南海開展深水油氣勘探。

然而，由于我國目前尚不能完成獨立自主地開發深水油氣田，為了保障能源安全和國家資源不被蠶食，我們只能采取與國外合作開發的方式來加速南海的深水油氣開發。殊不知，合作開發的代價是出讓部分油氣資源，這意味著我們用油氣資源換取了部分先進技術。在新能源沒有完全取代傳統能源的條件下，油氣資源的不可再生性使得這個代價略顯昂貴。“所以，我國應加快自主開發深水油氣田的步伐，盡早建立試驗工程”，黃維平表示。

黃維平在一次試驗中的偶然發現，讓他將學術研究聚焦到了深水浮式平臺和立管系統的設計研發及其水動力性能研究，以及海洋工程渦激振動與渦激運動。渦激振動是個傳統的學術問題，雖然已有比較成熟的理論和大量的研究成果，但深水油氣開發裝備的出現仍然使它應對不暇。大長細比的彈性結構和剛性或彈性柱群渦激振（蕩）動都是傳統渦激振動研究不曾涉及的范圍。其最大的區別在于流固耦合的強弱。經過十余年的研究，終于設計研發了新型Spar平臺和張力腿平臺，在海洋工程渦激振動與渦激運動研究領域取得了一些創新性的研究成果。

1、建立了鋼懸鏈式立管的大撓度曲線梁模型及其流線段的彈性基礎梁模型、建立了鋼懸鏈式立管與浮式平臺的系統結構模型，提出了考慮剛體擺動的鋼懸鏈式立管出平面運動模型，并建立了相應的水動力學分析方法，獲國家發明專利3項（ZL200910225764.X/ZL2011102807 79.3/ZL201110291378.8）。

該項成果更準確地描述了鋼懸鏈式立管彎曲變形特征、與浮式平臺同步運動特征和出平面運動的動力學性質，以及與海床土相互作用的分布特征，解決了目前鋼懸鏈式立管設計分析中只能采用歐拉梁或集中質量模型分析問題、不能考慮慣性耦合和剛體擺動問題，以及與海床土相互作用的分布作用問題。基于該模型開發出了鋼懸鏈式立管分析程序，如果該程序商業化，則可填補國內空白。

2、提出了考慮大位移流固耦合的深水頂張式立管渦激振動的非線性渦激力模型和參激與渦激耦合振動的分析模型，建立了深水頂張式立管渦激振動非線性時域分析方法，獲國家發明專利6項（ZL201110290806.5/ZL201110291358.0/ZL201110291359.5/ZL20111029136 1.2/ZL201110161221.3/ZL201110161089.6）。

該項成果更準確地描述了深水頂張式立管渦激振動的大位移流固耦合以及與參激振動耦合的特征，解決了大柔性圓柱體渦激振動以及與參激振動耦合振動的數值模擬問題。基于該模型開發出了頂張式立管渦激振動分析軟件和Spar平臺渦激運動分析程序，如果該程序商業化，則可填補國內空白。

3、提出了圓柱體渦激振動和渦激運動的試驗方法，發明了相應的試驗裝置，獲國家發明專利4項（ZL201110161115.5/ZL201110161125.9/ZL201110380046.7/ZL201210478551.X）。

該項成果提出的試驗方法可完成渦激振動相似性試驗，解決了用模型試驗研究原型渦激振動性能的問題。

4、提出了尾流圓柱體渦激振動的分析模型和試驗方法，建立了尾流圓柱體渦激振動分析方法，獲國家發明專利4項（ZL201110291371.6/ZL201110291373.5/ZL201210107704.X/ZL2012 10107718.1）。

該項成果用數學方法描述了串列圓柱體的渦激振動和渦激運動性質，解決了深水立管系統中下游立管的渦激振動和多立柱浮式平臺的渦激運動分析問題。

5、開發了多款新型深水浮式平臺和海上風電場基礎結構，獲國家發明專利4項、實用新型專利3項（ZL200910001662.X/ZL200910136581/ZL200910136582.5/ZL200910148339.5/ZL2009 20270923.3/ZL200920270922.9/ZL200920270921.4）。

該項成果開發的深水浮式平臺打破了國外專利封鎖，解決了我國自行設計建造開發南海深水油氣資源裝備的問題。

逐夢時期的輝煌成就

任何事物都有其兩面性，黃維平先生總能從宏觀角度看待問題。例如，近幾年低迷的油價時期，讓當時的海洋油氣開發特別是深水油氣的勘探開發就像進入了寒冷的冬季，海洋工程也面臨嚴冬的考驗。而他卻能從另一個方向考慮問題，他說，低迷的油價在另一種意義上也給了我國海洋工程行業難得的發展機遇，因為工程項目的減少給了海洋科技工作者更多的研發時間，讓我國能夠借此契機加快深水油氣開發裝備的自主研發進程。這也是黃維平多年來始終追逐的夢想。

通過不斷的研究積累，黃維平提出，當設計全新結構或提高結構性能較為困難時（現有的幾大類浮式平臺都已經歷了兩個高油價時期的大密度、高強度研發）。可以從降低結構或建造以及海上安裝成本出發來開發新結構，從而達到自主設計建造的目標，降低結構成本是通過優化設計來降低結構自身重量，從而提高結構的承載比，降低建造成本則是通過結構優化設計來簡化結構的建造工藝，從而縮短建造周期，降低海上安裝成本主要是將上部組塊和下部殼體的集成規劃在碼頭完成。從而避免海上安裝時使用大型起重安裝船并縮短海上作業時間。正是基于這些理念，他提出了S-Spar、Tri-Truss Spar和S-Cell Spar三種新型Spar平臺以及新型延展式張力腿平臺的概念。并且在已經獲得的31項發明專利中，有近2/3是這兩個領域的創新成果。

黃維平把這些歸功于這個時代——深水油氣開發和計算機技術的進步，創新的靈感來自于深水油氣開發，創新的成果依托先進的計算機及其計算技術。同時，他和科研團隊謹慎而持續地進行理論和試驗驗證，以確保研究成果經得住時間的考驗，保證專利的真實可靠性。提到專利，他認為這是影響我國自主開發深水油氣田以及深水油氣開發裝備發展道路上的一個不利因素，要規避專利的封鎖，創新是關鍵，特別是結構的創新，它可以帶動其他裝備技術的發展。

傳道授業解惑的師者

作為中國海洋大學海洋工程系教授、博士生導師，黃維平還承擔著學校本科生的《專業概論》、《結構動力學》、《船舶與海洋工程結構建造與施工》、《海洋工程結構動力分析》等課程的教學，以及研究生的《有限元方法》、《結構動力學》和《深水工程》等課程的教學，如今已經培養了50余名研究生。

作為一位傳道授業解惑的師者，黃維平始終堅信下一代象征著希望，他們肩負著發展我國海洋裝備技術的使命，而他有責任和義務做好這些學生的引路人。除了在學習上教會學生知識，更要在生活中教學生如何做事做人。做研究的時候，黃維平喜歡讓學生在學術討論中反駁自己，因為這樣能夠激發他深入地思考。他還經常對學生說：“不要只學習知識，要培養運用掌握的知識認知和解決工程問題的能力，這才能稱得上的合格的學生”。他就是這樣通過言傳身教，讓每一個從自己這里走出去的學生都能夠為祖國的“創新強國夢”貢獻一份力量。

雖然黃維平教授數十年的人生之路并不平坦，但他始終堅守在自己的科研領域，并用自己的智慧和執著為眾多莘莘學子筑夢，未來，他將繼續跋涉在學科研究與探索領域，傾灑著心血和汗水，以科技創新為帆，共圓“海洋強國夢”！