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1、海洋工程深水模拟试验装置的发展现状综述*摘要：深水模拟试验装置是海洋工程科学研究中不可或缺的重要技术支撑平台，是发展海洋高新技术一种必不可少的配套基础研究设施。通过介绍目前国内外有代表性的深水试验池及其主要配套试验设备的发展情况，为下一阶段深水模拟试验装置的建设和发展提供参考。关键词：海洋工程；深水模拟；试验装置；发展现状近年来，海洋油气开发由近海向深海和超深海发展已成为必然趋势，相应的深水试验技术也需要不断发展，为此欧洲及美洲等多个海洋工程强国相继建成了海洋深水模拟试验装置，以提升国家海洋深水工程方面的试验和开发能力。本文简要阐述了海洋工程深水模拟试验技术的研究对象、研究内容和技术要求等；详
2、细介绍了目前国内外有代表性的深水模拟试验装置的建造情况及其主要配套试验设备等；进而探讨了深水模拟试验技术领域需要进一步探索和解决的问题。上述内容可为下一阶段深水模拟试验装置的建设和发展提供参考。1海洋工程深水模拟试验技术概述物理模型试验一直是海洋工程领域不可或缺和相对可靠的研究手段，也是检验理论和数值预报有效性和完善数值计算方法的重要手段。对于海洋深水工程，由于其非线性问题、黏性问题和极端海况模拟等许多机理性问题更加突出，许多理论和数值预报手段还处在发展和完善之中，即使使用已经比较成熟的数值计算方法和软件也会由于海洋深水环境的复杂性而暴露出种种局限性。因而，在海洋深水结构物的性能预测与设计优化
3、、安全性评价、事故再现与验证等方面，深水模拟试验技术具有不可替代的重要意义。深水模拟试验技术的研究对象包括所有海洋深海油气开发工程的各种装备，其中最具代表性的当属各种类型的深海平台，如浮式生产储油装置(FPSO)、半潜式平台(SEMI-FPS)、深吃水立柱式平台(SPAR)、张力腿平台(TLP)等，同时也包括深水平台的系泊系统、立管系统等柔性构件。深水模拟试验技术内容涉及深水平台总体设计、系统集成、水动力性能、非线性流体动力特性、流固耦合、结构强度与疲劳等诸多方向，具体涵盖深海平台的方案评估、系统配置、安全性论证、技术经济评价等总体设计技术；极限环境载荷、低频慢漂响应、波浪爬升与砰击、涡激运动
4、及其控制等水动力性能：结构强度与疲劳寿命、结构可靠性与安全性、碰撞、柔性构件涡激振动与疲劳等结构性能；系泊定位、动力定位等深海平台定位系统及深海立管系统的关键技术；平台主体海上运输、就位、扶正与安装方法及全过程水动力载荷、姿态控制与稳定性、结构强度等动力性能。参考文献将上述深水模拟试验的内容划分为17种主要类型的试验，包括：环境条件模拟，静水衰减试验，系泊系统刚度试验，动力定位系统性能试验，风、流作用力试验，响应幅值算子(RAO)试验，风浪流联合作用下的运动及系泊载荷试验，全动力定位系统试验与辅助动力定位的系泊系统试验，多浮体系泊作业试验，甲板上浪、气隙及波浪砰击试验，立管的涡激振动试验，深吃
5、水立柱式(SPAR)平台的涡激运动试验，自航或拖航过程的耐波性试验，安装就位试验，解脱与再连接试验，倾覆试验，内波试验等。2国外深水模拟试验装置的发展20世纪70年代，国际海洋工程界开始在专用海洋工程水池及其试验技术方面开展探索。80年代初，世界首个海洋工程水池在挪威海洋工程技术研究院建成。当前国外有代表性的海洋工程深水模拟试验装置包括挪威MARlNTEK海洋深水试验池，荷兰MARlN的海洋工程水池，MBOTRC海洋工程水池，巴西LaboCeano海洋工程水池，以及日本国家海事研究所的深水海洋工程水池等。下面分别就上述海洋工程深水模拟试验的特点进行介绍。2.1挪威MARINTEK海洋深水试验池
6、挪威海洋工程技术研究院(NOrWegianMarineTechnologyResearchInStiIUle)的MARlNTEK海洋深水试验池如图1所示，其特点是水池的主体尺度较大，但未设置深井。水池的主要有效工作尺寸为：长度80m宽度50m为24m。最大工作水深IOm图1挪威MARINTEK海洋深水试验池水池的主要装备有：(1)造波系统：水池一侧安装有摇板式多单元造波机(最大波高为0.4m),相邻侧安装有双摇板整体造波机(最大波高为0.9m)。(2)消波系统：造波机对面安装有消波装置。(3)造流系统：围绕假底循环的造流系统，可以模拟均匀流，最大流速为0.2ms(5m水深)和0.15ms(7.
7、5m水深)。(4)造风系统：可移动式造风系统。(5)水深调节系统：可在0“Om调整水池试验水深。(6)拖车系统：XY型拖车，最高速度达5.0ms(7)光学六自由度运动测量系统。2.2荷兰MARIN海洋工程水池荷兰MARIN(MaritimeResearchInstituteNeIheIiandS)海洋工程水池于2000年建成，如图2所示。该水池装备有各种大型仪器设备，可以模拟各种复杂的海洋环境，可开展各种深海海洋工程结构物的模拟试验研究工作。水池由水池主体和一个深井组成，其主要有效工作尺寸为：长度45m宽度36m最大工作水深10.5m深井工作水深30m深井直径5m水池的主要装备有：(1)造波系
8、统：水池相邻两边安装有摇板式多单元造波机，可模拟各种风浪和涌，最大有义波高可达0.3m。(2)消波系统：造波机对面安装有消波滩。(3)造流系统：外循环式造流系统，造流深度为0-10.5m,可以模拟不同的流速剖面。(4)造风系统：可移动式造风系统，风区宽度图2荷兰MARlN海洋工程水池(5)水深调节系统：大面积假底可在(Mo5m范围调整水池，更深的试验水深可用30m水深的深井来模拟。(6)拖车系统：XY型拖车，双向最高速度达3.2ms,可安装转台以进行操纵性试验。(7)光学六自由度运动测量系统。2.3美国OTRC海洋工程水池位于美国休斯敦的OTRC(OffShOreTechnologyResea
9、rchCenter)海洋工程水池如图3所示，它主要用于研究针对墨西哥湾等海域的SPAR、TLP等深海平台。据不完全统计，在墨西哥湾工作的大多数深海平台均在OTRC进行过研究。水池由水池主体和一个深井组成，其主要有效工作尺寸为：长度45.7m宽度30.5m最大工作水深5.8m深井工作水深16.8m深井长度9.1m深井宽度4.6m图3美国OTRC海洋工程水池水池的主要装备有：(1)造波系统：水池一边安装有摇板式多单元造波机，可模拟各种风浪和涌，最大波高为09m(2)消波系统：造波机对面安装有消波装置。(3)造流系统：组合喷射式造流系统，可以模拟不同深度和方向的流速，最大流速为06s(4)造风系统：
10、造风系统由16个风扇组成，可模拟各个方向的风，最大风速为12ms.(5)拖车系统：拖车最高速度达0.6ms.(6)光学六自由度运动测量系统。2.4巴西LabOCeanO海洋工程水池巴西LaboCeano海洋工程水池位于里约联邦大学，研究工作主要是针对深海区域，其水池主体的深度是世界上最深的，当深井深度较浅，如图4所示。水池由水池主体和一个深井组成，其主要有效工作尺寸为：长度40m宽度30m最大工作水深15m深井工作水深25m深井直径5m图4巴西LabOceano海洋工程水池水池的主要装备有：(1)造波系统：水池一侧安装有摇板式多单元造波机，最大有义波高为0.3m。(2)消波系统：造波机对面安装
11、有消波装置。(3)造流系统：在建造流深度为0-5m的外循环式造流系统。(4)造风系统：8个直径0.5m的风扇，最大风速为12ms(5)水深调节系统：浮动假底可在2.4-14.85m范围调整水池试验水深，深井水深可在15-24.65m间调节。(6)视频六自由度运动测量系统。2.5日本国家海事研究所海洋工程水池日本国家海事研究所于2001年建成的深海海洋工程水池是圆形水池，形状和配置比较奇特，与通常的海洋工程水池不同。该水池的最大水深为35m,可模拟海上水深为3500m是的波浪和水流，用以研究和发展深海工程技术。水池由圆形水池主体和一个深井组成，其主要有效工作尺寸为：水池直径14m最大工作水深5m
12、深井工作水深35m深井直径6m水池的主要装备有：(1)造波、消波系统：水池的外圈圆形池壁上,配置了128个单元的推板或蛇形造波机，能产生规则波和不规则波，最大波高为05m。同时兼备主动式消波系统，具有消波功能。(2)造流系统：配有局部造流系统，在水池中央Im范围内最大的流速为0.2ms(3)水深调节系统：在深井部分设置了可移动的假底，依靠假底的调节，可使试验水深在5-35m之间变化。3国内深水模拟试验装置的发展20世纪80年代中期，为了满足海洋工程的研究需要，我国在上海交通大学建设了第一个海洋工程模拟试验水池，该水池于1991年投入使用，如图5所示。该水池可以模拟风、浪、流等各种海洋环境，并能
13、任意调节水深，主要用于测试海洋结构物在复杂海洋环境下的各种性能、载荷。水池建成以来，为发展我国海洋工程研究发挥了重要的作用。水池的主要有效工作尺寸为：长度50m宽度30m最大工作水深6m图5上海交通大学海洋工程水池水池的主要装备有：(1)造波、消波系统：配备有双推板大功率液压造波机，可产生规则或不规则长峰波，最大波高可达0.5m以上。消波装置安装在造波机对岸，具有良好的消波性能。(2)造流系统：高压喷水造流系统可在水池中产生均匀的水流，大面积可升降假底将水池分成上下两部分，形成循环通道。在设计条件时可在整个水池中产生的最大流速为O.2ms流向和波向之间的夹角可在0-90之间按需要变化。此外，还
14、配备了局部造流系统，以适应较高流速试验的需要。(3)造风系统：可移动式的轴流风机造风系统可在水池中产生定常风或风谱(非定常风)，最大风速可达IOm/s。借调节造风系统的位置和方向可在水池中产生任意方向的风。(4)水深调节系统：调节大面积可升降假底的位置，水深可在0-5m范围内按需要改变。(5)拖车系统：大跨度X-Y拖车，横跨整个水池，最大速度为1.5ms(6)水池装备有非接触式六自由度运动测量仪、海洋环境测量系统、各种规格的传感器、数据自动采集及实时分析系统等仪器设备。目前，我国的海洋工程正在实施走向深海的战略转移，南海等深水油气探区的勘探开发已成为我国中长期能源发展计划的重点。为推进我国海洋
15、工程走向深水，提高我国深海油气资源自主开发的能力，需要建设能够模拟更深水深、更复杂海洋环境的深水海洋工程水池。为此，国家在深水模拟试验技术和装置领域做出了战略性的部署。由国家发展与改革委员会、上海市发展与改革委员会、中国海洋石油总公司和上海交通大学共同投资建设的海洋深水试验池于2005年在上海交通大学闵行校区开工建设，2008年底建成，2009年初投入试运行，如图6所示。图6上海交通大学海洋深水试验池这是我国第一座海洋深水试验池，它装备有模拟风、浪、流等各种复杂海洋环境的设备，具备模拟400Om水深的深海工程试验能力，能覆盖我国南海等大部分深海海域的海况。水池拥有各种海洋工程试验研究所需的测试
16、手段和仪器设备，可以对不同深度环境下的海洋工程结构物的运动、载荷等进行各种测量、分析和研究，其综合实力位居世界前列，是我国研究掌握深海工程关键技术的核心试验设施。海洋深水试验池主要承担的试验任务包括：开展船舶及海洋工程结构物在深海环境中的试验研究，完成相关新装备的研发设计和性能验证工作；开展石油、天然气、多金属结核等深海资源开发工程的模拟试验，为深海资源的开发利用提供技术保障；开展深海潜水器、水下管线埋设与检修等技术的研发，为深海物理研究、深海环境保护等方面提供技术支持。该海洋深水试验池由水池主体和一个深井组成，其主要有效工作尺寸如下：长度50m宽度40m最大工作水深IOm深井工作水深40m深
17、井直径5m水池的主要装备有：(1)造波系统：沿水池相邻两边安装有两组垂直布置的多单元造波机，可产生长峰波或短峰波,最大有义波高可达0.3m。(2)消波系统：在两组造波机的对岸都设有消波滩，借以吸收波能而防止产生反射波。(3)造流系统：外循环式造流系统，可在整个水池中产生所需剖面的水流，造流深度为00m,水池整体最大均匀流速为0.1m/s。(4)造风系统：配备移动式造风系统，可产生任意方向的定常风或风谱(非定常风)，最大风速可达IOms,最大风区宽度为24m。(5)水深调节系统：大面积可升降假底能使整个水池水深在O-Iom间按需要任意调节，深井假底可使深井工作水深在0-4Om间调节。(6)拖车系
18、统：横跨整个水池配有大跨度X-Y方向拖车，最高速度为L5ms(7)非接触式六自由度运动测量系统。(8)实时测量风、浪、流等海洋环境的仪器设备。(9)实时测量各种运动和载荷等物理量的仪器设备。4后续问题近年来，我国建成和在建可开展海洋工程模型试验研究的试验装置正逐步增加。随着海洋工程试验需求的增加和试验设施的逐步兴建，海洋工程试验研究技术也日益发展起来。然而海洋深水油气开发工程的工作水深越来越大，而对应的海洋工程深水试验池的尺度有限，要把海洋深水作业平台及其系泊系统和立管系统等试验模型按常规方法进行模拟和布置已几乎不可能。因此，深水模拟试验技术除了常规的模型试验技术之外，还有许多特殊的问题需要探
19、索和解决，主要包括以下九个方面：（1）深海环境模拟技术；（2）深海平台的混合试验方法、理论和技术；（3）深海平台模型制作与物理特性模拟技术；（4）深水系泊系统、立管系统的模型制作与物理特性模拟及测试技术；（5）深吃水立柱式平台涡激运动；（6）深海柔性构件涡激振动模型实验技术；（7）甲板上浪、气隙、砰击、波浪爬升模型试验技术；（8）动力定位系统模型试验技术；（9）模型试验中的数值模拟分析技术等。随着上述问题得到逐步解决，海洋工程深水模拟试验技术和试验装置必将获得突破性地发展和提高。参考文献1王定亚，王进全.浅谈我国海洋石油装备技术现状及发展前景J石油机械.2009（09）.2海洋石油工程设计指南编委会.海洋石油工程设计指南（第十二册）：海洋石油工程深水油气田开发技术M.北京：石油工业出版社，2011：236-263.3彭涛.海洋工程水池中强非线性波浪数值与试验研究D.上海交通大学2009.4上海交通大学年鉴编委会.我国首座海洋深水试验池一一上海交通大学海洋工程国家重点实验室海洋深水试验池建设完成M.上海：上海交通大学年鉴2009.5黄悦华,任克忍.我国海洋石油钻井平台现状与技术发展分析UL石油机械.2007（09）.
