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攻克南海岛礁浮式海洋装备关键技术 打通南海岛礁开发利用“最后一公里”——“岛礁中型浮式结构物关键技术研究”项目取得重大进展

2021-04-16

 

浮式海洋装备技术作为我国推进建设海洋强国的重要技术支撑之一,拓展应用于近岛礁海域可有效提高深远海综合保障能力,且具有施工周期短、成本低、可移动、按需定制满足不同应用需求、对周边生态环境影响小、便于应对各种干扰和适应形势变化等优点。国内外关于海洋浮式装备的研究成果无法直接应用到我国南海岛礁复杂环境下浮式结构物的设计和评估,更无类似的工程应用实例,开展相关研究的南海岛礁海域基础数据和环境参数也十分匮乏。为此,国家《海洋工程装备科研项目指南(2012年)》明确提出了“岛礁中型(总长300米级)浮式结构物关键技术研究”的立项要求。
在国家高技术船舶科研项目重大工程与专项的支持下,“岛礁中型浮式结构物关键技术研究”项目组历经多年的技术攻关,针对我国南海岛礁开发建设的紧迫需求,突破了近岛礁环境下浮式结构物分析与设计关键技术瓶颈,重点解决了南海中北部台风多发、波流非均匀受岛制约、礁盘浅水波演化多变、海底珊瑚礁锚系特殊、高强温湿盐防腐艰难等南海岛礁特点和特殊保障功能要求带来的技术难题,创建了岛礁环境实测数据库与预报方法、岛礁环境下浮体三维水弹性理论、严酷环境长效防腐技术、近岛礁浮式结构物集成系统设计技术等,形成了系列化创新成果,总体技术水平国际领跑。“岛礁中型浮式平台”已被列入《中国禁止出口限制出口技术目录》。
该项目由中国船舶重工集团公司第七〇二研究所、大连理工大学、大连船舶重工集团有限公司、中国船舶重工集团公司第七二五研究所、上海交通大学、中国人民解放军陆军工程大学、江苏科技大学、哈尔滨工程大学、中国船级社9家单位共同完成。项目获得授权发明专利20件(横向下浮体半潜式平台,ZL201310148536.3;一种含柔性结构的浮式防波堤,ZL201310151731.1等),获软件著作权11项,发表论文102篇,编制科技报告258篇,形成设计图纸23套,制定安全标准及指导性文件3套。研究成果已转化为南海“岛礁建设浮式平台”和“科学试验平台”等工程应用项目,并成功应用于多个大型海上渔业养殖平台工程。项目取得的系列研究成果取得了国内外关于岛礁复杂环境下浮式结构物研究的新突破,为南海岛礁多功能浮式保障平台的工程应用奠定了技术基础。
 
1 主要研究内容
针对南海岛礁特点和特殊保障功能要求带来的技术难题,项目组开展了5方面研究。
1.1 以功能需求为导向开展岛礁中型浮式结构物需求与技术指标论证
项目组多次赴三沙市调研国家战略与政府规划、现实问题与需求,归纳了岛礁建设与维权对中型浮式结构物的功能要求;以西沙建设需求为背景,进行岛礁建设、生产生活等多种功能浮式结构物集成系统技术指标的论证,提出了满足相应功能需求的浮式结构物技术要求,建立了浮式结构物平台主体、连岸栈桥、浮式防波堤等系统的技术指标。依据不同的浮式结构物设计要求和性能指标,构建了多型浮式结构物目标图像,并提出了合理的近岛礁布置方案(图1)。
1.2 建立典型岛礁海域海洋环境立体观测站并形成长期实测数据库和预报方法
通过西沙海域环境资料调研,获得了西沙开阔海域环境长期统计数据;经实地测量,掌握了典型岛礁周边地形地质特点;研制了细部波流环境长期立体观测系统,建设了岛礁海洋环境立体观测站(图2),通过连续5年不间断测量,获得了宝贵的典型岛礁海域细部风浪流环境实测数据,形成了数据库。据此,研究给出了岛礁海域细部波流统计特征受海底地形与岛礁绕流影响的规律,提出了以西沙大尺度环境波流为输入条件的岛礁海域细部波浪时空演化计算方法和描写其特征的有理分式波谱,解决了如何确定岛礁海域浮式结构物遭遇的波浪环境条件的技术难题。
1.3 完成适用于南海岛礁复杂环境的特种浮式结构物的设计
以南海典型岛礁生产、生活为需求背景,完成了可抗百年一遇海况的岛礁建设平台和生活平台两型岛礁中型浮式结构物的设计与评估;研发出顺应岛礁波浪特点的横向下浮筒新构型;给出适用于工作和抗台模式的单双缆可快速切换的系泊方案,双点系泊时适合内外侧各种船舶停靠及平台与栈桥连接,单点系泊时可提高抗台等级,满足南海极端环境下的安全性要求;通过了中国船级社的审图,实现我国岛礁中型浮式结构物设计从无到有的突破。南海岛礁复杂环境的特种浮式结构物设计如图3所示。
1.4 发展南海高温、高湿、高盐、高日照环境下的长效防腐技术和新型材料应用技术
通过大规模长周期海上投样,系统研究了浮式结构物典型材料在西沙海域的环境适应性,优先获取了环境效应数据;突破了牺牲阳极复合活化技术,研制了适用于南海高温环境及浮式结构物压载舱干湿交替环境的新型牺牲阳极材料;通过金属涂层和高耐候聚氨酯面漆抗老化涂层的集成应用,建立了南海严酷腐蚀环境长效防腐涂层配套体系,可满足防腐期效20年的指标要求;提出了复合材料在浮式结构物加固修复中的应用技术方案和复合材料上层建筑设计方法,为南海“四高”苛刻腐蚀环境下浮式结构物的耐久性设计提供了重要技术保障。西沙海域挂片试验如图4所示。
1.5 研制了岛礁中型浮式结构物集成系统安全技术标准
针对南海岛礁环境特点和中型浮式结构物集成系统使用要求,开展了相应的设计环境条件、总布置、稳性、水密与完整性、载荷与运动、系泊定位、结构、舾装、腐蚀控制、运输和安装、防波设施和浮式栈桥等安全技术标准研究,形成了中国船级社的岛礁中型浮式结构物集成系统的安全技术标准建议稿,并用于我国南海岛礁建设浮式平台的安全评估。
 
2 重点创新成果
项目组发展了复杂岛礁环境条件下中型浮式结构物集成系统的一系列关键技术,形成了一批卓有成效的创新性研究成果,从而为岛礁中型浮式结构物集成系统的优化设计和安全评估提供了重要技术支撑。
2.1 发展了近岛礁浮式结构物三维水弹性响应评估方法
在我国南海海域,浮式结构物所处的环境条件具有“泻湖内外岛礁旁、波流分布不均匀、海底条件变水深、台风多发风浪大”四大特点。当浮式结构物部署在近岛礁环境时,由变水深海底地形、岛礁遮蔽效应所带来的波流环境不均匀性与传统开阔海域完全不同,这将对浮式结构物的运动和载荷带来重要影响,而目前国际上主要商用软件仅能计算均匀水深状态下浮式平台的运动和载荷响应,无法考虑近岛礁实际的复杂地形环境。因此,发展计及复杂海底地形影响的三维水弹性响应分析方法,是近岛礁浮式结构物的总体设计和结构安全性保障的关键。考虑近岛礁复杂环境条件和海底地形影响的三维浮体水弹性力学理论与分析方法(图5),突破了不同构型岛礁浮式结构物和系泊系统在近岛礁复杂环境下的波浪载荷、运动性能、结构安全性预报与评估的核心技术。
 
2.2 建立了复杂岛礁环境条件下浮式结构物多系统耦合的模型试验技术
融合“海岸工程波浪环境模拟”和“海洋工程浮式平台水动力性能”水池试验技术,突破了岛礁地形下不均匀波浪模拟和多系统耦合试验设计等技术难点,建立了近岛礁浮式结构物多系统耦合模型试验方法(图6),为掌握近岛礁复杂环境条件下浮式结构物集成系统的动响应规律、验证新理论方法、考核岛礁海域浮式结构物的设计方案奠定了基础。
2.3 突破了消减较长周期波浪的浮式消波关键技术
当前浮动式防波堤构型发展了多种形式,各种形式消波机理不同,消波特性也不同。针对南海岛礁环境的波浪特性,分析提出有效预防长周期波浪的防波堤构型,是该研究的一项关键内容。依据我国南海岛礁的水深、基床、海况条件、船舶航道及进出要求、消波效果要求,参考现有的工程实例和浮式防波堤的理论和模型试验研究成果,采用防波堤模块消波数值模拟、单元模型实验研究等多种手段,开展了浮式防波堤构型设计,从防波堤水面消波结构构型设计、防波堤水下消波结构构型设计多个角度开展防波堤构型设计,综合利用波浪反射、能量耗散等多种原理提出有效的消减长周期波浪的防波堤构型(图7)。
2.4 搭建了连通中型浮式结构物与岛礁的浮式栈桥新思路
突破了桥节间连接、浅水礁盘锚碇、极端风浪环境中生存等关键技术,形成了跨越大纵深浅水礁盘、连通中型浮式结构物与岛礁的浮式栈桥新构型(图8)。
 
3 实施效果
利用项目形成的研究成果,按照三沙市的要求,开展了“岛礁建设浮式平台”研发工作,该平台系统是一种为三沙市岛礁建设提供船舶靠泊、物资转运、施工人员居住、大型车辆上下岛礁的新型工程装备系统,具有浮式码头、物流维保、后勤补给、简易医疗、海上自航迁移和动力定位等主要功能,以及20年原位寿命和抗超强台风能力。该平台系统已于2018年9月在西沙群岛投入使用,两年来经受了台风和岛礁环境的考验,为岛礁建设、渔民生活、军民船舶停靠、补给维修等带来了便利,发挥了重要作用。
南海岛礁浮式结构物不同于国内外已有的油气平台、航行船舶或者大陆岸线浮式码头。从科学角度,涉及海底地形深浅变化及岛礁绕流引起的岛礁海域复杂风浪流环境的数学模型、非均匀波流环境下浮体性能和结构安全性分析新理论新方法;从技术角度,涉及浮式保障基地多功能的设计新概念、浮式防波技术、长效防腐技术、新材料应用技术、珊瑚礁地质系泊技术和浅水浮式栈桥技术等。项目研究形成的创新科技成果,引领了岛礁浮式结构物的技术发展。“岛礁中型浮式平台”(图9)已被列为《中国禁止出口限制出口技术目录》第36条新增“海上岛礁利用和安全保障装备技术”(编号:183708X)的控制要点。
2018年8月,经项目组设计、建造、运输、海上安装和现场联调后,三沙市岛礁建设浮式平台在我国西沙近岛礁海域正式投入使用(图10),打通了海南岛与西沙岛礁的“最后一公里”交通补给渠道。截止到2020年8月,平台性能安全稳定,功能表现优秀,原地抵抗台风15次,各类交通补给船艇靠泊100余次,转驳货物超过500吨,集散人员约4 350人次,为西沙岛礁常态化补给提供了重要保障。据统计,平台发电量超过150万度,制备淡水700余吨,为平台上人员居住、科考活动等提供了长期稳定的保障。
岛礁中型浮式结构物是一个涉及环境条件分析和模拟、水动力载荷和结构响应预报、多方案复合系泊性能评估和安全可靠性综合评估等众多关键技术的复杂系统工程。相关理论性研究成果已发表于Journal of HydrodynamicsOcean Engineering等期刊,岛礁海域水弹性力学理论学术论文“Hydroelastic responses of VLFS deployed near islands and reefs”在2017年离岸及极地工程国际会议(OMAE)上宣讲,得到O. M. Faltinsen、T. Moan等专家的高度评价。
 
4 社会经济效益
基于该项目的研究基础和成果,通过市场化招投标获得新增项目订单“三沙市岛礁浮式平台建设项目”,总计19 646万元,其中,设计合同846万元,建造合同18 800万元。多重尺度耦合的近岛礁波浪要素、三维水弹性力学分析方法以及横向下浮体半潜式平台的设计方案,已成功应用于科学试验平台的实际设计和建造,并通过了中国船级社的审核。该平台已在南海海域成功应用,是我国在岛礁海域开展总体和各类关键技术海上实地验证的专用特种平台,解决了我国缺乏远海岛礁海上科学试验浮式装备的难题。南海环境输入条件、防腐技术、系泊技术以及总体性能分析技术等成果,已成功应用于我国承建的“海洋渔业一号”“深蓝1号”等海上渔业养殖平台的设计。
项目形成的西沙典型岛礁周边自然环境的测试技术、测量装置和数据分析技术,将推动我国南海海洋环境测量进程;完成的新型复合材料在岛礁中型浮式结构物上层建筑中的应用和设计方法研究,将促进新型材料在海洋结构物中的产业化应用;研制的高性能外加电流阴极保护金属氧化物阳极将在各类海洋结构和船舶的防腐工程中进行成果转化。项目形成的新方法、新技术和新方案具有广阔的应用前景,将为“海上丝绸之路”沿线国家浮式结构物的设计和评估提供重要支撑。
该项目的工程示范成果,满足了三沙市岛礁建设及渔民生产生活的迫切需求,为国家南海发展战略的实施提供了支撑。通过项目的实施,开创了岛礁浮式装备研发的新领域,引领了国际船舶与海洋工程的新方向,增强了我国船舶与海洋工程装备研发的软硬件基础,培养造就了一支高素质的人才队伍,形成的专项管理办法为国家科研专项的有效管理作出了良好的示范。