以科研創(chuàng)新為帆共圓“海洋強(qiáng)國夢”

劉巖松 馬玲 舒鵬

世界海洋油氣資源開發(fā)的持續(xù)提速推動著海洋工程裝備市場的發(fā)展和擴(kuò)大。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)，2013年至2018年全球海洋油氣開發(fā)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(shè)備市場，包括水下管匯、立管、油管等，預(yù)計(jì)將在今后4年增長50%，2015年的投入可達(dá)300億美元。由此，海洋油氣資源開發(fā)裝備未來發(fā)展依然大有可為。

而在推進(jìn)海洋深水油氣開發(fā)裝備創(chuàng)新開發(fā)的道路上，有一個人不得不提，他是國內(nèi)進(jìn)行深水研究最早的學(xué)者之一；是海洋深水油氣開發(fā)裝備的設(shè)計(jì)研發(fā)及其動力學(xué)理論與分析方法研究的堅(jiān)守者；是多項(xiàng)國家海洋深水油氣開發(fā)裝備發(fā)明專利的獲得者；是堅(jiān)定目標(biāo)后，就不輕言放棄，始終堅(jiān)守在科研第一線的開拓者。他就是中國海洋大學(xué)海洋工程系教授、博士生導(dǎo)師黃維平。

特殊時代的上下求索

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

在學(xué)校，黃維平如同海綿般吸取著專業(yè)知識，大學(xué)畢業(yè)后，他又回到了熟悉的煉油廠，但這次是從事設(shè)備研究工作，為了實(shí)現(xiàn)自己科研報國的夢想，他在四年后又考取了大連理工大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)研究生，畢業(yè)后留校工作，主要從事結(jié)構(gòu)振動、結(jié)構(gòu)抗震和試驗(yàn)力學(xué)的教學(xué)和科研工作。同時，他還完成了結(jié)構(gòu)工程專業(yè)的博士研究生學(xué)習(xí)，隨后進(jìn)入西南交通大學(xué)從事博士后研究，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)。1998年至今在中國海洋大學(xué)工作，主要從事海洋工程結(jié)構(gòu)振動控制與健康監(jiān)測、深海浮式結(jié)構(gòu)/立管/系泊系統(tǒng)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(xué)校學(xué)習(xí)時期的點(diǎn)點(diǎn)滴滴，黃維平說道，他總是十分珍惜每一個來之不易的學(xué)習(xí)機(jī)會，他沒有因?yàn)楸葎e人年長而妄自菲薄，而是用自己的實(shí)力說話，最終憑借著豐富的閱歷選擇從事了與所學(xué)專業(yè)看似毫不相關(guān)的海洋工程工作，對此，他說“結(jié)構(gòu)本身是相通的，只是荷載和用途不同”，意思是只要基礎(chǔ)扎實(shí)，觸類旁通便不是問題。他還說“本科的石油專業(yè)背景給了我科研和教學(xué)的知識支撐。研究生的力學(xué)和結(jié)構(gòu)專業(yè)基礎(chǔ)給了我科研和教學(xué)的理論支撐，使我能夠在海洋工程領(lǐng)域游刃有余，而中國海洋大學(xué)給了我施展才能的舞臺，我深深地感謝這些培養(yǎng)和支持我的母校。”

而正是憑借著扎實(shí)的基礎(chǔ)和對科研的熱愛，黃維平在深水油氣開發(fā)技術(shù)與裝備研究領(lǐng)域取得了斐然的成績。先后主持和參加多項(xiàng)國家自然科學(xué)基金、863計(jì)劃項(xiàng)目和企業(yè)委托項(xiàng)目；獲得多項(xiàng)國家級和省市級科技進(jìn)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(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)及其水動力性能研究，設(shè)計(jì)研發(fā)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(yùn)動研究領(lǐng)域取得了一些創(chuàng)新性的研究成果，獲國家發(fā)明專利31項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文120余篇，完成學(xué)術(shù)專著2部、教材1部。在促進(jìn)海洋油氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時，也使自己的價值得到無限放大。

創(chuàng)新時代的開拓進(jìn)取

科技進(jìn)步和創(chuàng)新是重要的驅(qū)動力，國家提出建設(shè)海洋強(qiáng)國的戰(zhàn)略部署和海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，作為海洋經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，海洋油氣更是進(jìn)入大發(fā)展期，這將為我國船舶工業(yè)和海洋工程裝備拓展發(fā)展空間帶來大機(jī)遇。如何努力突破制約海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展和深水油氣開發(fā)的科技瓶頸，成為當(dāng)前和未來海洋經(jīng)濟(jì)面臨的重要挑戰(zhàn)，關(guān)鍵要在深水、綠色、安全的海洋高技術(shù)領(lǐng)域取得突破，尤其要推進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型過程中急需的核心技術(shù)和關(guān)鍵性技術(shù)的研究開發(fā)。

其實(shí)，我國早在2005年便開始了大規(guī)模的深水油氣開發(fā)技術(shù)與裝備研究，經(jīng)過“十一五”和“十二五”的發(fā)展，現(xiàn)已取得了明顯的進(jìn)步，很多技術(shù)與裝備可謂是從無到有。黃維平在海洋工程領(lǐng)域探索了十余載，不僅能冷靜的審視我國在海洋工程領(lǐng)域的發(fā)展，同時也為其創(chuàng)新發(fā)展貢獻(xiàn)著自己的力量。

黃維平介紹說，由于新能源的開發(fā)利用尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用，石油作為主要能源仍然是一個國家的經(jīng)濟(jì)命脈。全球大多數(shù)沿海產(chǎn)油國的陸地探明油氣資源已開采殆盡，尚無有工業(yè)開采價值的新發(fā)現(xiàn)，而海洋油氣特別是深水油氣發(fā)現(xiàn)卻屢屢見諸報端。據(jù)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(jìn)行海上石油勘探。其中，有50多個國家已經(jīng)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(jīng)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(dú)立自主地開發(fā)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(fā)的方式來加速南海的深水油氣開發(fā)。殊不知，合作開發(fā)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(jìn)技術(shù)。在新能源沒有完全取代傳統(tǒng)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?！八?，我國應(yīng)加快自主開發(fā)深水油氣田的步伐，盡早建立試驗(yàn)工程”，黃維平表示。

黃維平在一次試驗(yàn)中的偶然發(fā)現(xiàn)，讓他將學(xué)術(shù)研究聚焦到了深水浮式平臺和立管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)及其水動力性能研究，以及海洋工程渦激振動與渦激運(yùn)動。渦激振動是個傳統(tǒng)的學(xué)術(shù)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(fā)裝備的出現(xiàn)仍然使它應(yīng)對不暇。大長細(xì)比的彈性結(jié)構(gòu)和剛性或彈性柱群渦激振（蕩）動都是傳統(tǒng)渦激振動研究不曾涉及的范圍。其最大的區(qū)別在于流固耦合的強(qiáng)弱。經(jīng)過十余年的研究，終于設(shè)計(jì)研發(fā)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(yùn)動研究領(lǐng)域取得了一些創(chuàng)新性的研究成果。

1、建立了鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐艿拇髶隙惹€梁模型及其流線段的彈性基礎(chǔ)梁模型、建立了鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐芘c浮式平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，提出了考慮剛體擺動的鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐艹銎矫孢\(yùn)動模型，并建立了相應(yīng)的水動力學(xué)分析方法，獲國家發(fā)明專利3項(xiàng)（ZL200910225764.X/ZL2011102807 79.3/ZL201110291378.8）。

該項(xiàng)成果更準(zhǔn)確地描述了鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐軓澢冃翁卣?、與浮式平臺同步運(yùn)動特征和出平面運(yùn)動的動力學(xué)性質(zhì)，以及與海床土相互作用的分布特征，解決了目前鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐茉O(shè)計(jì)分析中只能采用歐拉梁或集中質(zhì)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?；谠撃Ｐ烷_發(fā)出了鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐芊治龀绦?，如果該程序商業(yè)化，則可填補(bǔ)國內(nèi)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(fā)明專利6項(xiàng)（ZL201110290806.5/ZL201110291358.0/ZL201110291359.5/ZL20111029136 1.2/ZL201110161221.3/ZL201110161089.6）。

該項(xiàng)成果更準(zhǔn)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(shù)值模擬問題?；谠撃Ｐ烷_發(fā)出了頂張式立管渦激振動分析軟件和Spar平臺渦激運(yùn)動分析程序，如果該程序商業(yè)化，則可填補(bǔ)國內(nèi)空白。

3、提出了圓柱體渦激振動和渦激運(yùn)動的試驗(yàn)方法，發(fā)明了相應(yīng)的試驗(yàn)裝置，獲國家發(fā)明專利4項(xiàng)（ZL201110161115.5/ZL201110161125.9/ZL201110380046.7/ZL201210478551.X）。

該項(xiàng)成果提出的試驗(yàn)方法可完成渦激振動相似性試驗(yàn)，解決了用模型試驗(yàn)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(yàn)方法，建立了尾流圓柱體渦激振動分析方法，獲國家發(fā)明專利4項(xiàng)（ZL201110291371.6/ZL201110291373.5/ZL201210107704.X/ZL2012 10107718.1）。

該項(xiàng)成果用數(shù)學(xué)方法描述了串列圓柱體的渦激振動和渦激運(yùn)動性質(zhì)，解決了深水立管系統(tǒng)中下游立管的渦激振動和多立柱浮式平臺的渦激運(yùn)動分析問題。

5、開發(fā)了多款新型深水浮式平臺和海上風(fēng)電場基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，獲國家發(fā)明專利4項(xiàng)、實(shí)用新型專利3項(xiàng)（ZL200910001662.X/ZL200910136581/ZL200910136582.5/ZL200910148339.5/ZL2009 20270923.3/ZL200920270922.9/ZL200920270921.4）。

該項(xiàng)成果開發(fā)的深水浮式平臺打破了國外專利封鎖，解決了我國自行設(shè)計(jì)建造開發(fā)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(dāng)時的海洋油氣開發(fā)特別是深水油氣的勘探開發(fā)就像進(jìn)入了寒冷的冬季，海洋工程也面臨嚴(yán)冬的考驗(yàn)。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(yè)難得的發(fā)展機(jī)遇，因?yàn)楣こ添?xiàng)目的減少給了海洋科技工作者更多的研發(fā)時間，讓我國能夠借此契機(jī)加快深水油氣開發(fā)裝備的自主研發(fā)進(jìn)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(dāng)設(shè)計(jì)全新結(jié)構(gòu)或提高結(jié)構(gòu)性能較為困難時（現(xiàn)有的幾大類浮式平臺都已經(jīng)歷了兩個高油價時期的大密度、高強(qiáng)度研發(fā)）。可以從降低結(jié)構(gòu)或建造以及海上安裝成本出發(fā)來開發(fā)新結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到自主設(shè)計(jì)建造的目標(biāo)，降低結(jié)構(gòu)成本是通過優(yōu)化設(shè)計(jì)來降低結(jié)構(gòu)自身重量，從而提高結(jié)構(gòu)的承載比，降低建造成本則是通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)來簡化結(jié)構(gòu)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(guī)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(yè)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(jīng)獲得的31項(xiàng)發(fā)明專利中，有近2/3是這兩個領(lǐng)域的創(chuàng)新成果。

黃維平把這些歸功于這個時代——深水油氣開發(fā)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，創(chuàng)新的靈感來自于深水油氣開發(fā)，創(chuàng)新的成果依托先進(jìn)的計(jì)算機(jī)及其計(jì)算技術(shù)。同時，他和科研團(tuán)隊(duì)謹(jǐn)慎而持續(xù)地進(jìn)行理論和試驗(yàn)驗(yàn)證，以確保研究成果經(jīng)得住時間的考驗(yàn)，保證專利的真實(shí)可靠性。提到專利，他認(rèn)為這是影響我國自主開發(fā)深水油氣田以及深水油氣開發(fā)裝備發(fā)展道路上的一個不利因素，要規(guī)避專利的封鎖，創(chuàng)新是關(guān)鍵，特別是結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，它可以帶動其他裝備技術(shù)的發(fā)展。

傳道授業(yè)解惑的師者

作為中國海洋大學(xué)海洋工程系教授、博士生導(dǎo)師，黃維平還承擔(dān)著學(xué)校本科生的《專業(yè)概論》、《結(jié)構(gòu)動力學(xué)》、《船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)建造與施工》、《海洋工程結(jié)構(gòu)動力分析》等課程的教學(xué)，以及研究生的《有限元方法》、《結(jié)構(gòu)動力學(xué)》和《深水工程》等課程的教學(xué)，如今已經(jīng)培養(yǎng)了50余名研究生。

作為一位傳道授業(yè)解惑的師者，黃維平始終堅(jiān)信下一代象征著希望，他們肩負(fù)著發(fā)展我國海洋裝備技術(shù)的使命，而他有責(zé)任和義務(wù)做好這些學(xué)生的引路人。除了在學(xué)習(xí)上教會學(xué)生知識，更要在生活中教學(xué)生如何做事做人。做研究的時候，黃維平喜歡讓學(xué)生在學(xué)術(shù)討論中反駁自己，因?yàn)檫@樣能夠激發(fā)他深入地思考。他還經(jīng)常對學(xué)生說：“不要只學(xué)習(xí)知識，要培養(yǎng)運(yùn)用掌握的知識認(rèn)知和解決工程問題的能力，這才能稱得上的合格的學(xué)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(xué)生都能夠?yàn)樽鎳摹皠?chuàng)新強(qiáng)國夢”貢獻(xiàn)一份力量。

雖然黃維平教授數(shù)十年的人生之路并不平坦，但他始終堅(jiān)守在自己的科研領(lǐng)域，并用自己的智慧和執(zhí)著為眾多莘莘學(xué)子筑夢，未來，他將繼續(xù)跋涉在學(xué)科研究與探索領(lǐng)域，傾灑著心血和汗水，以科技創(chuàng)新為帆，共圓“海洋強(qiáng)國夢”！