以科研创新为帆共圆“海洋强国梦”

刘岩松 马玲 舒鹏

世界海洋油气资源开发的持续提速推动着海洋工程装备市场的发展和扩大。据权威机构预计，2013年至2018年全球海洋油气开发的年均投资在3270亿美元以上，如果按占比20%至25%估算，海工装备市场年需求在650亿美元至810亿美元之间。水下设备市场，包括水下管汇、立管、油管等，预计将在今后4年增长50%，2015年的投入可达300亿美元。由此，海洋油气资源开发装备未来发展依然大有可为。

而在推进海洋深水油气开发装备创新开发的道路上，有一个人不得不提，他是国内进行深水研究最早的学者之一；是海洋深水油气开发装备的设计研发及其动力学理论与分析方法研究的坚守者；是多项国家海洋深水油气开发装备发明专利的获得者；是坚定目标后，就不轻言放弃，始终坚守在科研第一线的开拓者。他就是中国海洋大学海洋工程系教授、博士生导师黄维平。

特殊时代的上下求索

1954年3月出生的黄维平，经历了文化大革命的洗礼，也在炼油厂做过工人，但勤奋好学的他始终没有放弃对知识的追求。直到1977年恢复高考，他的人生轨迹从此发生了巨大转变。通过刻苦努力的学习，他如愿考取了大庆石油学院石油矿场机械专业，也就是现在的东北石油大学。

在学校，黄维平如同海绵般吸取着专业知识，大学毕业后，他又回到了熟悉的炼油厂，但这次是从事设备研究工作，为了实现自己科研报国的梦想，他在四年后又考取了大连理工大学工程力学专业研究生，毕业后留校工作，主要从事结构振动、结构抗震和试验力学的教学和科研工作。同时，他还完成了结构工程专业的博士研究生学习，随后进入西南交通大学从事博士后研究，研究方向为结构振动控制技术。1998年至今在中国海洋大学工作，主要从事海洋工程结构振动控制与健康监测、深海浮式结构/立管/系泊系统的动力分析理论研究。2005年至2006年在美国Texas A&M University作訪问研究，主要从事深水立管的动力分析研究。

回忆起在学校学习时期的点点滴滴，黄维平说道，他总是十分珍惜每一个来之不易的学习机会，他没有因为比别人年长而妄自菲薄，而是用自己的实力说话，最终凭借着丰富的阅历选择从事了与所学专业看似毫不相关的海洋工程工作，对此，他说“结构本身是相通的，只是荷载和用途不同”，意思是只要基础扎实，触类旁通便不是问题。他还说“本科的石油专业背景给了我科研和教学的知识支撑。研究生的力学和结构专业基础给了我科研和教学的理论支撑，使我能够在海洋工程领域游刃有余，而中国海洋大学给了我施展才能的舞台，我深深地感谢这些培养和支持我的母校。”

而正是凭借着扎实的基础和对科研的热爱，黄维平在深水油气开发技术与装备研究领域取得了斐然的成绩。先后主持和参加多项国家自然科学基金、863计划项目和企业委托项目；获得多项国家级和省市级科技进步奖。近十多年，他的研究主要聚焦深水浮式平台和立管系统的设计研发及其水动力性能研究，设计研发了新型Spar平台和张力腿平台，在海洋工程涡激振动与涡激运动研究领域取得了一些创新性的研究成果，获国家发明专利31项，发表学术论文120余篇，完成学术专著2部、教材1部。在促进海洋油气产业发展的同时，也使自己的价值得到无限放大。

创新时代的开拓进取

科技进步和创新是重要的驱动力，国家提出建设海洋强国的战略部署和海洋经济的快速发展，作为海洋经济的支柱产业，海洋油气更是进入大发展期，这将为我国船舶工业和海洋工程装备拓展发展空间带来大机遇。如何努力突破制约海洋经济发展和深水油气开发的科技瓶颈，成为当前和未来海洋经济面临的重要挑战，关键要在深水、绿色、安全的海洋高技术领域取得突破，尤其要推进海洋经济转型过程中急需的核心技术和关键性技术的研究开发。

其实，我国早在2005年便开始了大规模的深水油气开发技术与装备研究，经过“十一五”和“十二五”的发展，现已取得了明显的进步，很多技术与装备可谓是从无到有。黄维平在海洋工程领域探索了十余载，不仅能冷静的审视我国在海洋工程领域的发展，同时也为其创新发展贡献着自己的力量。

黄维平介绍说，由于新能源的开发利用尚未实现大规模的商业化应用，石油作为主要能源仍然是一个国家的经济命脉。全球大多数沿海产油国的陆地探明油气资源已开采殆尽，尚无有工业开采价值的新发现，而海洋油气特别是深水油气发现却屡屡见诸报端。据资料显示，世界海洋石油资源量占全球石油资源总量的34%，约1000多亿吨。其中已探明的储量约为380亿吨。目前，全球已有100多个国家在进行海上石油勘探。其中，有50多个国家已经开展了深水油气勘探，我国也位居其中。南海的深水油气储量令世界瞩目，也令一些国家垂涎三尺，已经有我国的三大国有石油公司和受邀的国外石油公司在南海开展深水油气勘探。

然而，由于我国目前尚不能完成独立自主地开发深水油气田，为了保障能源安全和国家资源不被蚕食，我们只能采取与国外合作开发的方式来加速南海的深水油气开发。殊不知，合作开发的代价是出让部分油气资源，这意味着我们用油气资源换取了部分先进技术。在新能源没有完全取代传统能源的条件下，油气资源的不可再生性使得这个代价略显昂贵。“所以，我国应加快自主开发深水油气田的步伐，尽早建立试验工程”，黄维平表示。

黄维平在一次试验中的偶然发现，让他将学术研究聚焦到了深水浮式平台和立管系统的设计研发及其水动力性能研究，以及海洋工程涡激振动与涡激运动。涡激振动是个传统的学术问题，虽然已有比较成熟的理论和大量的研究成果，但深水油气开发装备的出现仍然使它应对不暇。大长细比的弹性结构和刚性或弹性柱群涡激振（荡）动都是传统涡激振动研究不曾涉及的范围。其最大的区别在于流固耦合的强弱。经过十余年的研究，终于设计研发了新型Spar平台和张力腿平台，在海洋工程涡激振动与涡激运动研究领域取得了一些创新性的研究成果。

1、建立了钢悬链式立管的大挠度曲线梁模型及其流线段的弹性基础梁模型、建立了钢悬链式立管与浮式平台的系统结构模型，提出了考虑刚体摆动的钢悬链式立管出平面运动模型，并建立了相应的水动力学分析方法，获国家发明专利3项（ZL200910225764.X/ZL2011102807 79.3/ZL201110291378.8）。

该项成果更准确地描述了钢悬链式立管弯曲变形特征、与浮式平台同步运动特征和出平面运动的动力学性质，以及与海床土相互作用的分布特征，解决了目前钢悬链式立管设计分析中只能采用欧拉梁或集中质量模型分析问题、不能考虑惯性耦合和刚体摆动问题，以及与海床土相互作用的分布作用问题。基于该模型开发出了钢悬链式立管分析程序，如果该程序商业化，则可填补国内空白。

2、提出了考虑大位移流固耦合的深水顶张式立管涡激振动的非线性涡激力模型和参激与涡激耦合振动的分析模型，建立了深水顶张式立管涡激振动非线性时域分析方法，获国家发明专利6项（ZL201110290806.5/ZL201110291358.0/ZL201110291359.5/ZL20111029136 1.2/ZL201110161221.3/ZL201110161089.6）。

该项成果更准确地描述了深水顶张式立管涡激振动的大位移流固耦合以及与参激振动耦合的特征，解决了大柔性圆柱体涡激振动以及与参激振动耦合振动的数值模拟问题。基于该模型开发出了顶张式立管涡激振动分析软件和Spar平台涡激运动分析程序，如果该程序商业化，则可填补国内空白。

3、提出了圆柱体涡激振动和涡激运动的试验方法，发明了相应的试验装置，获国家发明专利4项（ZL201110161115.5/ZL201110161125.9/ZL201110380046.7/ZL201210478551.X）。

该项成果提出的试验方法可完成涡激振动相似性试验，解决了用模型试验研究原型涡激振动性能的问题。

4、提出了尾流圆柱体涡激振动的分析模型和试验方法，建立了尾流圆柱体涡激振动分析方法，获国家发明专利4项（ZL201110291371.6/ZL201110291373.5/ZL201210107704.X/ZL2012 10107718.1）。

该项成果用数学方法描述了串列圆柱体的涡激振动和涡激运动性质，解决了深水立管系统中下游立管的涡激振动和多立柱浮式平台的涡激运动分析问题。

5、开发了多款新型深水浮式平台和海上风电场基础结构，获国家发明专利4项、实用新型专利3项（ZL200910001662.X/ZL200910136581/ZL200910136582.5/ZL200910148339.5/ZL2009 20270923.3/ZL200920270922.9/ZL200920270921.4）。

该项成果开发的深水浮式平台打破了国外专利封锁，解决了我国自行设计建造开发南海深水油气资源装备的问题。

逐梦时期的辉煌成就

任何事物都有其两面性，黄维平先生总能从宏观角度看待问题。例如，近几年低迷的油价时期，让当时的海洋油气开发特别是深水油气的勘探开发就像进入了寒冷的冬季，海洋工程也面临严冬的考验。而他却能从另一个方向考虑问题，他说，低迷的油价在另一种意义上也给了我国海洋工程行业难得的发展机遇，因为工程项目的减少给了海洋科技工作者更多的研发时间，让我国能够借此契机加快深水油气开发装备的自主研发进程。这也是黄维平多年来始终追逐的梦想。

通过不断的研究积累，黄维平提出，当设计全新结构或提高结构性能较为困难时（现有的几大类浮式平台都已经历了两个高油价时期的大密度、高强度研发）。可以从降低结构或建造以及海上安装成本出发来开发新结构，从而达到自主设计建造的目标，降低结构成本是通过优化设计来降低结构自身重量，从而提高结构的承载比，降低建造成本则是通过结构优化设计来简化结构的建造工艺，从而缩短建造周期，降低海上安装成本主要是将上部组块和下部壳体的集成规划在码头完成。从而避免海上安装时使用大型起重安装船并缩短海上作业时间。正是基于这些理念，他提出了S-Spar、Tri-Truss Spar和S-Cell Spar三种新型Spar平台以及新型延展式张力腿平台的概念。并且在已经获得的31项发明专利中，有近2/3是这两个领域的创新成果。

黄维平把这些归功于这个时代——深水油气开发和计算机技术的进步，创新的灵感来自于深水油气开发，创新的成果依托先进的计算机及其计算技术。同时，他和科研团队谨慎而持续地进行理论和试验验证，以确保研究成果经得住时间的考验，保證专利的真实可靠性。提到专利，他认为这是影响我国自主开发深水油气田以及深水油气开发装备发展道路上的一个不利因素，要规避专利的封锁，创新是关键，特别是结构的创新，它可以带动其他装备技术的发展。

传道授业解惑的师者

作为中国海洋大学海洋工程系教授、博士生导师，黄维平还承担着学校本科生的《专业概论》、《结构动力学》、《船舶与海洋工程结构建造与施工》、《海洋工程结构动力分析》等课程的教学，以及研究生的《有限元方法》、《结构动力学》和《深水工程》等课程的教学，如今已经培养了50余名研究生。

作为一位传道授业解惑的师者，黄维平始终坚信下一代象征着希望，他们肩负着发展我国海洋装备技术的使命，而他有责任和义务做好这些学生的引路人。除了在学习上教会学生知识，更要在生活中教学生如何做事做人。做研究的时候，黄维平喜欢让学生在学术讨论中反驳自己，因为这样能够激发他深入地思考。他还经常对学生说：“不要只学习知识，要培养运用掌握的知识认知和解决工程问题的能力，这才能称得上的合格的学生”。他就是这样通过言传身教，让每一个从自己这里走出去的学生都能够为祖国的“创新强国梦”贡献一份力量。

虽然黄维平教授数十年的人生之路并不平坦，但他始终坚守在自己的科研领域，并用自己的智慧和执着为众多莘莘学子筑梦，未来，他将继续跋涉在学科研究与探索领域，倾洒着心血和汗水，以科技创新为帆，共圆“海洋强国梦”！