深耕海洋能源高端装备抗疲劳制造培养拔尖创新人才

——记广东工业大学教授、机电工程学院院长张永康

吴应清

从2007年起，广东工业大学教授、博士生导师张永康带领团队与包括南通中远海运船务工程有限公司、启东中远海运海洋工程有限公司、广东中远海运海洋工程有限公司、中铁建港务局集团有限公司、中天科技股份有限公司、武汉船用机械有限公司、招商局重工（江苏）有限公司等在内的多个国内相关知名企业，以及包括大连理工大学、浙江大学、武汉理工大学等在内的多所高校科研院所开展跨区域跨行业的产学研用深度融合与合作，逐步形成了由张永康、李荣、仇明、高航、朱嵘华、王振刚、霍小剑、薛池、吴平平、金晔、吴承恩、Arne Smedal、郭晓东、张笛、郑和辉、颜建军、宋健、蔡舒鹏等人组成的核心技术研发团队。通过多年联合攻关，张永康团队在深海石油钻探平台、超大型自升自航式海上风电安装平台/船、深远海原油转驳装备、激光锻造增材制造与再制造等方面取得了系列创新成果。他们的目标明确、信心满满，坚定地走在推动行业装备升级、实现行业阶段性发展的路上。

着力攻克三大难题

再现“中国制造”荣光

随着能源需求的持续增长和环境问题的日益突出，海上风电作为再生清洁能源之一，受到世界各国高度重视和大力推进。据国际能源署报道：全球累计装机将从2018年的23GW加速发展到2050年的1000GW，未来将形成万亿级新兴产业。随着我国“碳达峰、碳中和”战略目标的提出，国内海上风电迎来快速发展的重要时期，2018年、2019年、2020年连续3年新增装机容量均为世界第一，2021年总装机容量也已超过英国成为世界第一。

为了降低成本，风机大型化、风电场深水远岸化和风电场大型规模化是未来发展的必然趋势。水深大于35米的深水远岸区范围广、风能资源丰富，全球未来新增装机的主战场也将集中在深水远岸区。由此，我国相关规划明确鼓励相关研究者及从业者积极参与海上风电深水远岸战略布局，而这也正是张永康团队着力攻坚的“主战场”。

在风大、浪高、水深、远海和海况复杂等恶劣环境中，高效率、低成本、高安全地安装超大风电装备和铺设海底超长电缆的难度越来越大，张永康团队面临三大世界性技术难题：超大型自升式安装平台站立易倾覆“失稳”、高空巨型叶片大风吊装精准对位易“失准”、海底超高压电缆连接易疲劳破坏“失效”。为此，张永康团队着眼实际，逐一提出了有针对性的解决方案：

其一，通过超大型自航自升式安装平台设计制造创新，解决深远海恶劣环境下平台站立“失稳”的世界性技术难题，形成稳定的风机安装作业平台。

安装平台是系统复杂的巨型海洋专业工程特种船舶，是海上风电场建设的核心关键装备，具有运载航行、船体平台升降、起重作业等综合功能。其核心功能是自升站立形成稳定的安装作业平台。但是，受风面积大、重心高、甲板载荷大、海底地质复杂、风浪流恶劣等因素影响，安装平台容易站立“失稳”，从而导致平台倾翻灾难性事故发生。对于长度达140米、总重量超2万吨的自升自航式安装平台，在作业水深达80米的深水区，巨型桩腿及桩靴结构设计制造变形控制是影响“失稳”的最主要因素。

基于上述问题，张永康团队提出了超大型自航自升式安装平台关键结构多目标多约束渐进拓扑优化方法，突破了复杂服役环境下超大型安装平台关键结构减重、疲劳、变形的结构设计瓶颈；建立了巨桩腿分段焊接预热数学模型和精确加热方法，减少了焊接应力和变形，形成了桩腿成套建造技术工艺与装备；提出了多桩腿轴套交替升降装置与控制方法，实现了平台在复杂海底连续精准可靠升降；首创非均匀分布载荷柔性低刚度风电安装平台的平地无余量数字化建造技术与坞内整船插桩试验方法，研制了八边形、圆形和桁架型3种桩腿桩靴系统，研发并建造出系列世界领先的安装平台，并形成国家标准4项、国家重点新产品2个。

其二，通过高空巨型叶片高效精准安装运动控制创新，解决高空大风中巨型叶片吊装时百余个螺栓同时精准对位易“失准”的行业核心难题。

海洋气象环境复杂，船体会受到风浪载荷作用，叶片在吊装过程中也会受到湍流风载荷作用。随着风机容量增大，叶片越重越长吊装高度越高，叶片高空中精准对孔安装的难度越大。例如，即将大规模商业化应用的世界最大的风力涡轮机14兆瓦风机，高252米，转子直径222米。如果叶片吊装过程中由于重心不稳而发生倾覆，则会严重影响到安装进程；在叶片和轮毂的安装对接过程中可能出现巨大的振动和冲击力，并导致根部连接处的结构严重破坏。因此，如何实现吊装系统及安装系统在多种耦合外载荷作用下的精准、快速响应，并给出反馈控制以保证系统稳定性，是海上自航自升式风电安装船单叶片安装过程亟须解决的行业共性核心技术难题。

为此，张永康团队建立了受湍流风载荷作用的叶片吊装运动多体动力学系统和动态力学准静态平衡方程组，根据实时外载荷参数数据伺服控制叶片吊装速度和姿态，实现了吊装过程的动态控制和可视化；建立了风-浪-力载荷作用的叶片螺栓群对孔多体动力学系统，通过智能搜索算法及最佳海洋气象环境快速确定多体动力学系统所受的最大外载荷及对应的参数，提升单叶片对接安装效率和提高安全系数；并独创预紧恒张力防转动、随动水平防摆动的控制方法；发明了角度可调式高空吊装稳定系统、绕桩连续回转机构，研发了系列海洋工程起重机，同时形成国际标准4项、国家标准3项、国家重点新产品1个。

其三，通过海底超高电压电缆软接头设计制造创新，解决海底远距离连接易疲劳破坏“失效”的世界性技术难题。

海底电缆是电力输送的根本保障，随着海上风电场容量越来越大，输电容量不断增大，输电距离不断加长，原220kV及以下的海缆线路已不能满足需求。由于生产设备连续开机时间、生产流转和储缆装置承重等多因素的影响，单根海电缆的生产长度受到限制。为满足大长度海缆需要，只有通过软接头（工厂接头）的方式将电缆连接起来。在具体的海洋环境中，电缆受到各种复杂的随机动态载荷十分恶劣。据统计，海上风电场运行的故障90%是由于海底电缆引起的，软接头是最容易产生疲劳破坏的薄弱环节。可以说海缆软接头是实现海缆超大长度生产的核心工艺技术，其疲劳特性及寿命预测模型是关键科学问题。

针对这一“软肋”，张永康团队建立了海域中海缆软接头静态和动态结构模型、绝缘体温度控制模型，掌握了超高压绝缘海底光电缆服役周期内（20年）的疲劳破坏规律，形成了全生命周期内的疲劳寿命评估方法；提出了分层错位氩弧焊接方法、接头绝缘注入及硫化工艺、屏蔽恢复工艺、接头绝缘交联度一致性工艺，实现了软接头大截面铜导体的高精高强焊接和绝缘层的耐高压高温融合，成功研发世界最高电压等级500kV XLPE软接头系统，确保了电能的长距离高可靠输送，并形成国家标准8项、国家重点新产品3个。

目前，张永康团队的创新成果已在我国、英国、丹麦、德国等国内外著名海上风电场开展大规模应用，例如我国单体容量最大的海上风电场启东H3（800MW）、纬度最高气候最寒冷的大连庄河海上风电场、亚洲规模最大的海上风电集群“国家电投盐城阵列”、有“风柜”之称的南澳勒门海上风电场。团队还中标中广核汕尾海上风电（1400MW）电缆总承包，签订全球最先进海上风电安装船建造合同（可运输安装7套完整15MW风机）等，荣获全国风电行业首个“国家优质工程金质奖”，开发并应用了全球首例大长度交流500kV交联聚乙烯绝缘光纤复合海底电力电缆系统，使中国成为世界首个掌握该项技术并实现应用的国家。

同时，相关成果产生的巨大国际影响力也同样令人瞩目。其中，超大型自航自升式安装平台被国际海上工程领头羊比利时DEME等公司评价为世界上最先进的海上风电安装船；在英国成功安装首批32台世界最大的商用8MW风机，成功解决了全球最大海上风电场“伦敦阵列”海况恶劣环境下风机安装的难题，被国际船舶网报道为“标志着海上风电进入8MW时代”，并作为“改变地球面貌的伟大工程”入选央视和英国BBC联合摄制的大型纪录片《改变地球的一代人》，在中央一台、英国广播公司（BBC）、德国ZDFneo、香港电台（RTHK）等世界知名媒体多年连续播放，由此，张永康团队的相关成果已成为“中国制造”新名片的重要组成部分。

深耕多年，张永康及其团队获授权主要发明专利300多件、国际专利20多件；形成国际标准4项、国家标准15项、国家重点新产品6项；获得省部级科技奖一等奖5项，中国好设计金奖、中国市场技术金桥奖、日内瓦国际发明展“特别嘉许金奖”、国际发明展览会金奖各1项，并荣获全球首个“海洋可再生能源奖”。此外，他们还取得了国家知识产权优势企业、国家知识产权示范企业、国家认定企业技术中心、国家创新团队等荣誉称号。项目成果引领了全球海上风电安装平台高端装备制造业的技术发展，对我国占据行业制高点、推动我国实现“双碳”目标、能源结构转型、生态环境改善和海洋经济建设等目标具有极为重大的战略意义。从这个意义出发，张永康及其团队交出的“中国方案”，正在为世界减排和构建人类命运共同体作出“中国贡献”。

探秘深海石油钻探领域

解决深海石油开采难题

中国是贫油国家，石油进口量逐年增加，预计2030年我国石油需求6.44亿吨，进口石油依存度将达到82%。而我国约有70%未探明油气集中于深水区，其中我国南海（主要在深海）资源为石油280亿吨、天然气266亿立方米，有“第二个波斯湾”之称。为解决我国贫油现状、提升国家资源自主性，深海石油的开发刻不容缓，国家也早已将深海石油开发提升到事关国家安全的战略高度。然而，由于钻井设备的承载能力小、作业水深浅、抗风浪能力差，我国油气资源开发长期集中在500米以内的近海海域，掌握深海钻井平台重大装备的先进技术与制造技术，是一代代装备制造科学家们的梦想与心愿。

如何从结构上实现钻井平台的钻探和储油一体化？这是海工装备研究领域一直关注的重点，而如何提高平台稳定性、抗风浪和破损能力，更是从业者最为关注的安全性问题。对于达到3000米海深作业的环境，钻井平台定位系统的运转和定位精度，是亟待解决的技术难题。针对这些深海钻井平台重大装备的瓶颈问题，张永康团队开展了整体结构设计、制造技术与工艺、全功能集成制造、抗风浪能力设计及动力定位系统设计等方面研究，获得了创新性成果。2009年，他们成功制造出国际首座具有自主知识产权的圆筒型深海钻井储油平台，作业水深达到3050米，最高可达3600米，钻井深度达1200米，储油量可达15万桶，可以适应各种最恶劣的海域作业环境，甚至可以在12级台风下实现安全作业，整体技术达到国际领先水平。

据张永康介绍，这一设计突破了传统的设计思路，借由崭新的圆筒结构所具有的稳定性好、抗风浪能力强等独特优点，确保机构强度更大的同时使得设备疲劳应力处于相对较低的水平，极大地提高了抗破损能力，从而保证了平台的寿命，大大增强了其安全性和可靠性。“这个设计可以保证平台完工交付后，25年不需进坞维修，可以最大限度地保证结构的可靠性和安全性。”张永康说。与此同时，技术研发团队结合“数字化造船”理念，成功实现了圆形曲面和曲面构件的建模，有效生成了外板板缝、外板型材和曲面板架，同时实现了模块的参数化、系列化和标准化以及机构数据格式的批量化转换，最终在海洋工程中实现了100%无余量建造，这一技术同样达到了国际领先水平。

此外，张永康团队还在安全层面不断加码，面对自重28000多吨的平台如何保证动力定位系统安全性的问题，技术研发团队深思熟虑，最终采用了多冗余系统控制技术，将平台定位和复位通过GPS和8个推进器实现，并研发了圆筒型海工平台动态实时定位和复位方法，完全摒弃了复杂的抛锚工序，达到可以不受工作水深和锚泊的限制，具有定位准确、快速、精度高的优点，完美解决了海工平台漂移量大的难题。不仅如此，他们还首创了圆筒平台数字化模拟技术和浮态建造技术，实现“壳、舾、涂”一体化无余量模块化建造的全新模式，极大地降低了建造成本。在此基础上研制成功的首台SEVAN DRILLER也不负众望。它历时3个月自航，历经东海、台湾海峡、新加坡、马六甲海峡、印度洋和南非开普敦后，安全到达巴西里约热内卢进行钻井作业。

世界首座圆筒型深海石油钻探平台的成功研发，标志着我国深海钻探成套装备制造水平的成功突破，对实现我国国家深海能源开发战略和国家能源安全战略有着深远的影响。早在2009年，中国科学技术协会对外发布的中国重大科学、技术与工程进展中，世界首座圆筒型深海石油钻探平台SEVAN DRILLER即与“天河一号”、磁悬浮列车等共同入选十大科技进展，时任国务院总理温家宝还专门听取了该项目的专题汇报，并给予了充分肯定。研究成果“深海高稳性圆筒型钻探储油平台的关键设计与制造技术”也为张永康团队赢得了“2011年度国家科学技术进步奖一等奖”（张永康教授排名第二）的殊荣。

以深远海三浮体原油转驳输送系统 突破远距离转驳输送极限难题

深远海原油开采，是以海上浮式生产储油船（FPSO）为主，如何将FPSO上的原油直接转移到常规油轮（VLCC），而无需陆地储油基地中转，一直是业内亟待解决的世界性难题，也是制约我国南海油气资源开发的主要瓶颈之一。在解决了开采难题后，张永康团队又将目光投向原油“运送”的环节，并首次提出、设计和研制了全球首艘原油转驳输送装备/船（CTV）和首个“FPSO+CTV+VLCC”三浮体原油转驳输送系统，从而解决了CTV零航速和低航速转驳的“浮态稳定性”、小空间复杂结构建造的“变形控制”和三浮体系统的“水动力干扰”三大技术难题，实现了原油通过CTV直接过驳到常规油轮，并获得了一系列创新成果。

团队设计了一种集成大马力拖带、满载VLCC定位、应急回收与救援、油田守护等多功能于一体的结构紧凑的全球首艘原油转驳输送装备/船（CTV）；建立了CTV船体舭龙骨水动力载荷力学模型，揭示了恶劣海况下舭龙骨变形、应力分布及疲劳性能规律，获得了高稳定性的船体箱形舭龙骨结构，解决了恶劣海况下CTV零航速和低航速时“浮态稳定性”的世界性技术难题。

同时，团队建立了CTV复杂结构焊接变形力学模型，提出了复杂构件的分段焊接变形补偿、船台合拢缝焊接变形补偿、基于焊接变形大数据的变形补偿等方法，形成了分段无余量建造、模块化建造、低应力焊接和推进器托架滑移提升安装技术，解决了“变形控制”的行业技术难题，降低了焊接残余拉应力，提高了抗疲劳性能，实现了CTV船体的高精度低应力无余量建造。

此外，团队还提出了“FPSO+CTV+常规油轮”三浮体原油转驳系统，建立了柔性链接的三浮体水动力干扰及偶合运动数学模型，获得了不同海况条件下三浮体系统海上作业的极限能力，发明了五连杆快速释放机构的大缆系泊装置；研发了基于实时监测风浪流及系泊力变化来调整主侧推力的定位系统，解决了多浮体“水动力干扰”的世界性技术难题，保持了三浮体转驳系统的动态平衡。

基于上述成果，团队主要发明获得授权专利50多件，并取得国际首件CTV专利，世界首批2艘CTV已在水深2200米的巴西海上油田应用，使原油转驳速度达到8000m3/h@10bar，比常规设备提升50%。与“穿梭油轮+陆地储油+油轮”模式相比，每艘CTV能降低综合成本52%、一年节约费用约1亿美元、减少二氧化碳排放18.8万吨。研究成果获得省部级科技奖一等奖2项，中央电视台CCTV2将之评价为“中国国之重器，填补了国际空白”。这一项目成果开创了全新的海洋油田原油转驳方式，带动了深海石油开发领域装备制造技术的发展，也标志着中国海工产品从中国制造迈向了中国创造。

积极引领技术创新

百炼成钢上下求索

据了解，巨型海工设备在建造与服役过程中容易产生局部疲劳损伤，如应力集中导致的疲劳裂纹，焊缝过程中也容易产生气孔、裂纹等缺陷。如何消除应力，控制变形，提升设备的疲劳寿命，是张永康数十年科研过程中始终在研究的基础问题。而最早发源于美国，又被称为“航空发动机关键制造技术之一”的激光冲击强化技术，成为张永康的“破局之处”。在激光冲击强化抗疲劳研究的基础上，张永康通过不断的自主创新，提出了激光锻造抗疲劳增材制造与再制造的新方法。

据张永康解释，激光锻造复合增材制造的原理是两束不同功能的激光束同时且相互协同制造金属零件的过程。通过激光熔敷3D成形零件和短脉冲激光直接作用在高温激光熔敷金属表面，利用脉冲激光诱导的冲击波进行冲击锻打，细化晶粒，消除熔敷层气孔等内部缺陷，重构残余应力，最终提高金属零件的内部质量和机械力学综合性能、提高抗疲劳性能，并有效控制宏观变形与开裂问题、降低生产成本。基于这一成果的先进性、开拓性及其在高端海工装备、海洋结构物、飞机场外修理、巨型机械装备现场修复、抗疲劳金属3D打印等领域的巨大应用潜力，这一成果先后获得了中国和美国的发明专利，并成功申请到我国第一个国家自然科学基金。

据张永康回忆，他从1992年起就已经开始研究激光冲击强化这一专业领域，承担了中国第一个激光冲击强化项目，发明了国内首台脉冲激光器，于1996年获得了中国第一个激光冲击强化科学技术奖，但我国相关研究、特别是高端设备的长期“缺位”，始终是横亘在他胸中的心结。而张永康与广东工业大学的“结缘”，也由此而来。广东工业大学是广东省高水平建设大学，是唯一一所被美国列入实体清单的地方性院校。广东工业大学机电工程学院拥有国家重点实验室、国家工程训练中心、教育部重点实验室和省重点实验室等多个科研教学平台，拥有机械工程学术博士点和机械专业博士点，机械工程学科全国2021年软科排名第20位，进入全国前10%。现有学生4500余人、教师200余人。其中最吸引张永康的是，在广东工业大学机电工程学院，有一台总价值约2000万元的激光喷丸设备，出自美国LSPT公司，在中国众多高校中，广东工业大学是唯一拥有这一设备的大学。张永康从东南大学来到广东工业大学任教，其中一个原因就是奔着这台机器而来。尽管这台设备从美国到中国的过程曲折颇多，并缺乏相关核心软件程序，但这依旧为张永康打开了一扇对当时最高端设备研究的窗户。通过反复的研究和揣摩，张永康及其团队终于成功研制出我国第一台大能量变脉冲宽度单纵模固体激光器，该设备具有双屏显示功能，10J、10Hz、脉冲宽度可变范围为15ns～26ns（该数据优于美国LSPT公司），在2021年4月被中国机械工程学会技术鉴定为“国内首次”。

科研之外，张永康同样看重自己身为高校教师的责任。在师承著名特种加工专家、南京航天航空大学老校长余承业教授和中国科学院朱荻院士的他看来，学生在博士阶段是否能够做出成果，一方面在于其创新能力的培养，另一方面要求其必须有扎实宽广的专业知识。作为广东工业大学机械工程学院院长，张永康以本为本，扎根于教学和科研一线，在创新能力和专业知识这两个层面着重发力，带领学生走好科研道路的每一步。“知识面要宽，专业要专。”张永康至今记得，当年他在南京航天航空大学读博士的时候，余承业老校长给他们讲述了博士生跟导师之间的关系：“他说，导师的作用一方面是要把你带到前沿阵地，给你指明方向；另一方面则要给你提供子弹，让你有足够的弹药。两方面都做到了，剩下的就要看博士生自己了。”与此同时，以国家重大需求为牵引，张永康积极与企业合作产学研用深度融合，培养拔尖创新人才。目前，张永康已经培养出博士20多名，其中2名获批教育部长江特聘教授（1名为协助导师培养的博士生）、2名博士研究生分别获得上银优秀机械博士论文奖铜奖和优秀奖，他指导的本科生、研究生创新小组，也先后荣获2021“互联网+”大赛国赛银奖、广东省金奖。

我国提出的“力争2030年前碳达峰、努力争取2060年前实现碳中和”目标，事关中华民族永续发展，事关构建人类命运共同体。面向国家重大需求和大湾区率先实现“碳达峰、碳中和”战略目标对高端装备制造专业人才培养要求，张永康与清华大学出版社共同策划了“碳中和·海洋能源高端装备制造丛书”。该套丛书以广东工业大学、华南理工大学、中山大学、广州航海学院等大湾区院校为代表，联合挪威Cefront AS公司、中国石油集团、启东中远海运海洋工程有限公司等国内外知名企业，依托大湾区并推及全国其他省市各高等院校和科研院所，以海洋能源高端装备制造为主线，以作者的科研成果为基础，融合新能源、新材料、绿色环保等多学科，形成一套系统理论完善、多维度、高水平、高层次、高质量的系列技术丛书。这套丛书将以作者多年的研究成果为主编写而成，具有鲜明的创新性和科研的前沿性，既是高水平的专著，又是新工科教材，充分体现了科研反哺教学的特色。“我期待着这套丛书早日出版。”张永康说。

“3D打印的原理其实很简单，将固态材料加温融化成液态，再一层层浇筑成型，这个过程的本质跟2000年之前的春秋战国时代做青铜器的工艺是一样的，两者的本质都是一种铸造工艺。”张永康说，“就像秦始皇兵马俑中的青铜宝剑，是通过反复加温，不断敲打、去除杂质，百炼成钢，最终形成高强度的青铜宝剑。对于我们这个行业来说，也是一样，无论是设备、还是人才，都要经过‘百炼成钢’的过程，方能展现出真正的风采。而能够参与到这个过程中，我感到十分荣幸。”

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