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李华军：《海洋工程的发展趋势与技术挑战》
2026-06-04 08:15:42
作者：李华军（中国工程院院士，中国海洋大学教授）
海洋是地球上远未充分开发的资源宝库，对人类社会的持续发展有着重要的影响和作用。我国是海洋大国，拥有绵长的海岸线、广阔的海洋国土以及上万个岛屿，蕴藏着丰富的海洋资源和广泛的海洋战略利益。重视海洋资源、加强对海洋的开发利用也是解决我国资源供需矛盾、推动国民经济持续增长的重要途径，建设海洋强国是实现中华民族伟大复兴的重大战略任务。
一、海洋工程全球发展趋势与我国发展现状
海洋工程是集浮体结构、安装建造、信息及新材料等于一体的多领域、多学科、复杂的系统工程，具有高风险、高技术、高投入的特点。国外海洋工程的起步较早，其发展可以追溯到19世纪90年代。世界上第一口海上钻井于1897年在美国加州Summerland滩的潮汐地带诞生。为统筹利用优质海洋资源，助推海洋工程产业发展，20世纪50年代起，美、英、日、韩等国根据本国产业基础和科技水平，制定了适合本国发展的海洋工程产业支持政策。世界各海洋强国不断加大海洋探测和开发领域的研发投入，相应的海洋工程装备技术取得了突飞猛进的提升。20世纪90年代后，在高新技总体而言，以美国和欧洲为代表的先进海洋工程发展水平在产业规模、产业综合竞争力、国际市场占有率、政策支撑等方面具有明显优势，主要体现在：⑴规范体系具有话语权，从根本上引领了全球海洋工程装备设计、建造的技术标准核心；⑵设计分析理论体系相对完善，针对海洋工程基础共性问题发展了科学可靠的工程分析理论和运维保障技术；⑶具备自主知识产权的设计分析工具和分析理论，几乎垄断了高端海洋工程产品研发核心技术和主流的海洋工程分析软件。术牵引作用影响下，国外海洋工程产业已逐渐进入成熟期，其产业链条完整、技术规范相对完善，多种装备基本实现规模应用，呈现出优势特色各异的特点。
当前，我国海洋工程装备与技术的发展呈现着良好的势头，深海开发能力初步形成，已经具备全链条海上作业能力，一定程度上缩小了我国与发达海洋国家在装备技术上的差距。尽管如此，在推动海洋工程向高端、高质量发展的进程中，我国目前还处于“萌芽”状态、基本停留在“空白”阶段，与国际先进水平相比尚存在较大差距，主要体现在：
1、海洋工程产业的引领作用薄弱。我国历年海洋生产总值占全国GDP比重不足10%，以海洋化工业、海洋新能源、海洋船舶工业、海洋工程建筑等为代表的海洋工程产业体量依然很小，产业结构和区域布局均处于优化调整和转型升级阶段。
2、海洋工程科技自主创新和转化能力不足。我国海洋工程科技创新链、技术链、产业链不完整，对海洋工程中的核心耦合机制、力学行为的理论描述、数值预报、设计准则的探索和分析依然有限，关键技术难题的把握和认识严重不足，制约着新型高端海洋工程装备研发与应用。根据2020年发布的全球海洋科技创新指数报告（2020）显示，我国海洋科技创新指数位于全球第二梯队，与世界领先水平仍有较大差距。同时，我国海洋工程科技创新缺乏有效的成果转化机制，成果应用机构与研究机构结合不紧密，人才比例、创新体系均有待进一步完善。
3、海洋调控管理体制机制不完善。在海洋管理方面，仍存在“政出多门、多头指挥”的现象，海洋、渔业、环保海事等多个部门对海洋产业内事务重复交叉管理。加之政策措施协调不足，现有的产业扶持政策实施中缺乏部门协调，使得政策效应难以充分发挥，海洋工程相关企业缺乏基本的制度保障，在培育和管理模式方面都落后于国外。
基于国内海洋工程发展现状，我国应在把握发展机遇的同时，正视海洋工程发展与国际先进水平的差距，进行系统的梳理和总结，确定重点发展方向，做好战略布局，才能取得更加长远的发展和进步，成为实现海洋可持续发展和推动我国海洋经济高质量发展的重要引擎。
二、我国海洋工程面临的发展机遇及技术挑战
1、海洋油气工程
从1956年莺歌海油气田调查算起，我国海洋油气资源开发至今已经走过了60多年的发展历程。我国海洋油气工程经历了二十世纪六七十年代的开发能力、装备设计制造落后阶段，八九十年代的引入国际标准、实现技术突破阶段，以及进入21世纪后的开发能力迅速提升、迈向国际市场阶段。随着经济社会发展，我国油气资源对外依存度持续攀升，2021年石油对外依存度超过70%，天然气对外依存度高达45%。而我国南海深水区油气资源丰富，因此，聚焦深水油气田勘探与开发，是保障国家能源安全的战略需求，也是我国石油工业自身发展的现实需要。
我国海洋石油工程装备领域仍存在诸多“卡脖子”的技术装备，如高效高精度海上多缆采集装备、半潜式钻井平台配套关键设备、深水钻井船研发和建造技术、深水浮式设施建造应用及配套关键设备、水下生产系统关键装置等，均亟待创新与突破。未来我国在海洋油气开发领域将面临的主要技术挑战及相关战略发展重心包括：
（1）关键装备产业化和核心技术国产化。促进新型深水钻完井技术装置研发，推动模块钻机智能化、多样化发展。掌握深水生产平台上钻井系统的成套技术与关键设备设计、制造技术，实现自主设计、建造深水生产平台用钻修井设备，推进我国深水油气田开发的进程。建设深水浮式生产设施，重点攻关深水浮式平台、浮式生产储油外输装置、浮式液化天然气储存装置新型深水浮式生产装置、水下生产系统、深水浮式平台设计软件中的卡脖子问题，形成独立自主的核心技术体系。
（2）研发大型海上施工作业装备，开展深远海补给和运维保障技术研发与体系建设。建成强大的综合海上作业与保障团队，为海上大型油气田的开发和大型平台的潜在需求提供支撑，避免现有的作业船队无法满足需求而必须借助国外昂贵的大型作业装备，也为我国油田服务行业占领国际市场提供保障。
（3）借鉴智能化的理念、技术，开展深远海油气井工程智能风险管控和智能应急技术研究，解决深远海油气井工程动态风险管控和应急救援中面临的数据数量大、种类多，以及现场监测数据规律变化快等问题。推进大数据、云计算、人工智能和深海资源开发装备和技术的深度融合，研发新一代深海智能装备，建设新时代数字化的智慧油田，助力“建设海洋强国”“中国制造2025”和“中国人工智能2.0”国家战略。
2、海上风电工程
相较于海洋油气资源，海上风力资源的开发利用在我国起步较晚。我国首座规模型海上风电场东海大桥100MW项目直至2010年才正式运行。由于起步较晚，海上风电在我国仍是一种区域性的补充能源，仅占全国装机总量的1.2%。而海上风电在英国等风电强国已经成为了一种重要的替代能源，一些国家甚至开始尝试海上风电制氢，将过剩的风电能源转化成清洁化学能源进行储存。虽然海上风力发电在我国总体能源结构中份额很低，但其增长率与体量均居世界前列。受益于国家能源局《风电发展“十三五”规划》、国家发改委《关于海上风电上网电价政策的通知》等一系列支持政策，我国海上风电装机同比增长率在“十三五”期间始终保持在15%以上。2021年，我国海上风电新增装机更是达到1690万kW，累计装机突破2639万kW，跃居世界首位。随着我国2060年前实现碳中和历史性目标的确立，可以预见海上风力发电将进入新一轮高速增长期，对我国能源体系的贡献度将进一步增大。
海上风电在高速增长过程中，也逐渐呈现出一些发展趋势：
（1）机组大型化。机组大型化是海上风电进一步提高单机功率、降低发电成本的必由之路，这一点已在业界取得共识。中国可再生能源学会公布的数据显示，我国海上风电平均单机容量在“十三五”期间由3.8MW增至4.9MW。一些风电厂商已经开始研制超大容量海上风电机组，例如东方电气在2021年底公布了拥有完全自主知识产权的海上13MW级机型。
（2）深远海布局。深远海风电场风能密度高、选址限制因素少，在近海风力资源开发日趋饱和的背景下将成为海上风电产业下一阶段的发力点，加大漂浮式风机技术研究势在必行，我国首个漂浮式海上风电机组“三峡引领号”于2021年成功并网发电（见图8）。国家发改委和国家能源局发布的《“十四五”现代能源体系规划》（发改能源〔2022〕210号）中明确指出要推进海上风电向深水远岸区域布局。
（3）海洋资源一体化开发。对海上风电、海洋牧场、绿色制氢等海洋资源进行综合开发利用有助于平摊成本，甚至可以实现多能互补。一些沿海省份已经出台政策鼓励对海洋资源一体化利用的探索。广东省人民政府提出，支持海洋资源综合开发利用，推动海上风电项目开发与海洋牧场、海上制氢、观光旅游等相结合。
虽然海上风电发展前景广阔，但需审视当前所面临的诸多技术挑战：
（1）跨尺度基础空气力学。风电场性能全面评估涉及跨尺度空气动力学，也是海上风电与陆上风电的共性问题。在宏观尺度，风电场上方气象条件决定了区域内的风力资源总量，是风电场勘测的核心依据；在微观尺度，气流与叶片的相互作用决定了发电机组的实际工作性能。因此，需完善跨尺度气动力学基础理论框架。
（2）大尺度、轻质化叶片的气弹性。机组大型化的直接体现是叶片长度大幅增加，令叶片的气弹性凸显成为一个关键的技术问题。类似于超大浮体的水弹性，大尺度叶片在风物理场中会发生十分显著的弹性变形。叶片的质心、剪切中心、扭转中心都会在气弹变形过程中发生偏移，使得叶片实际载荷承载情况与设计要求存在较大差异，对结构稳定性造成不利影响。科技部发布的《国家重点研发计划重点专项2019年度项目申报指南》中就提出开展新型轻量超长柔性叶片技术、超长叶片一体化设计技术方面的研究。
（3）深远海漂浮式风电耦合分析。浮式风电系统采用浮式平台作为机组支撑结构，其力学问题涉及气动力学、水动力学、伺服控制、结构力学，并且在耦合作用下变得更为复杂，如何进行一体化分析是需要解决的重要技术问题。2021年12月，汤广福院士曾在中国工程院重大咨询研究项目“海上风电支撑我国能源转型发展战略研究”结题评审会上指出我国深远海风电技术存在严重不足。
（4）海洋风电场的维护。海上风电场选址距陆地较远，环境条件较陆地风场更为恶劣，加之海上交通与人力的限制，海上风电场的有效维护时间被大大压缩。海上风电维护由于需租赁专业工程船，其维护成本远高于陆地风机维护成本。
3、海上光伏工程
太阳能作为优质的清洁能源，是我国能源产业发展重点。从陆地延伸到水面，再向空间更广阔、资源更丰富的海洋发展，光伏下海是光伏产业发展的必然趋势。海上光伏可利用海洋空间广阔，不占用土地资源，不受地形、建筑遮挡；海水对光伏板具有冷却效果，结合水面对阳光的反射，可提高光伏发电效率；海上光伏距离电力需求较高的东部沿海地区更近，输电损耗更低；光伏平台的平面特征和发电特点，使其既可独立发电也能够与海上风电、波浪能、潮流能等其他海洋能源融合发展，实现高效互补的综合利用。
为推进海上光伏的应用发展，亟需突破以下技术瓶颈：
（1）海上光伏拥有空间、效率及融合发展等多重优势，但是由于海洋环境的特殊性，传统海工结构设计造价昂贵，而湖泊、内河所应用的漂浮式光伏结构则无法在海上正常运行，甚至不同海域的技术方案都需要定制式设计。
（2）海洋环境中的光伏应用将面临更严峻的环境负荷，来自波浪、风和水流的循环载荷可能会导致光伏组件发生偏转和应力，导致模块出现微裂纹，从而导致产能和耐用性下降，所以要针对海洋环境对光伏面板做加固处理。风浪流等海洋环境载荷的存在可能导致作用在平台结构上的过大载荷，因此意味着平台材料、金属框架需要更具安全性的设计。
（3）因为容易堆积生物污垢，海上光伏可能需要更频繁地进行运维活动，以保持电力生产不受影响，同时确保水质不受影响。所以，平台设计要在减少生物污垢和提升运维的方便程度上有系统性的思考。
（4）如果单模块光伏结构发生事故，系统之间发生碰撞的可能性和严重性会增加，所以需要提前制定、设计和考虑适当的应急计划，以最大限度减少碰撞风险。同时，包括建设安装和运营维护在内的经济性因素也是制约海上光伏产业发展的主要瓶颈问题。
4、海底采矿工程
深海海底有丰富的多金属结核、富钴结壳以及多金属硫化物等固体矿石资源，多金属结核矿石储量就达数百亿吨，其中的钴锰镍是新能源产业的关键原料，需求极为庞大并具有重要战略意义，也是我国严重依靠外国进口的矿产，2021年我国对这些战略资源类金属等矿产需求的对外依存度最高超过90%。
我国自20世纪80年代末开始深海矿产资源勘探、开采及加工利用技术研究，已完成230m水深矿井提升试验、结核和富钴结壳采输关键技术及装备研发、500m级矿石输送系统海试。深海采矿系统设计开发涉及众多领域，存在多项理论和技术瓶颈亟需突破：
（1）深海采矿超大尺度系统安全设计理论与方法。深海采矿系统需要从海底穿越数千米海水到达海面，海底复杂地形、水体海流以及海面波浪流形成复杂环境动力场。因此需要构建超大系统健康监测模型与安全风险评估理论和方法。
（2）适应海底稀软土作业的深海装备设计理论与方法。深海多金属结核矿区底质是与陆地及近海黏土完全不同的稀软沉积物，采矿车在行走过程中极易出现履带打滑、沉陷等严重限制深海采矿效率的技术问题。深海采矿作业装备必需适应底质土工力学特性，才能稳定高效作业。
（3）海底矿产资源绿色高效采集技术。深海多金属结核赋存在海底沉积物表面，对其开采的过程本质上就是利用水射流形成的流场将结核从沉积物中剥离并输送到集矿车中。目前对水射流采集方法中各项射流参数仍需进一步优化，同时采集头需要满足根据海底地形变化自适应的要求。
（4）长距离粗颗粒固液混输与输送泵设计技术。目前深海采矿扬矿泵的典型泵流道冗余复杂，颗粒通过路径长，转子工作条件恶劣，同时电机输送通道内极易发生堵塞。需研发长距离粗颗粒高浓度固液混输模型，研究粗颗粒固液多相流输送泵设计理论和方法。
（5）深海复杂环境下超大系统智能控制技术。深海采矿系统作业环境条件存在不确定性，系统组成装备多，采矿环节多，均需要系统具备智能化。需建立超大系统多工况复杂环境条件的仿真模型，预测典型工况和极端工作条件，建立基于数字孪生技术的实时预警方法，构建系统智能控制方法。
（6）深海矿区生态系统维持机制与环境修复方法。按照开发规章要求，海底采矿作业不应造成永久不可恢复的破坏。为此，需开展海底环境基线研究，掌握深海矿区生态系统维持机制；针对深海采矿对海洋环境的影响，开展环境修复方法研究，提出有效的应对策略。
5、海洋养殖工程
为减轻近海养殖压力，拓宽海洋养殖空间，发展深远海养殖是海洋渔业转型的重点方向。“十三五”以来，农业农村部、生态环境部、自然资源部等十部委联合发布了《关于加快推进水产养殖业绿色发展的若干意见》，明确提出支持发展深远海绿色养殖，鼓励深远海大型智能化养殖渔场建设，提高养殖设施和装备水平。
深远海养殖工程设施是深远海养殖产业发展的基础保障。近些年，我国建造、生产、研发了一批开放式和封闭式深远海养殖设施。其中，典型的开放式深远海养殖设施包括国内首座深远海智能化坐底式网箱“长鲸1号”、全球第一座全潜式深海渔业养殖装备“深蓝1号”、全球首个单柱式半潜深海渔场“海峡1号”、国内首座船型半潜桁架结构网箱“德海1号”等（见图13）；作为典型的封闭式海洋养殖设施，全球首艘十万吨级智慧渔业大型养殖工船“国信1号”已于2022年3月正式交付运营。海洋养殖平台装备正向深远海发展，并呈现大型化、智能化趋势。
近年来，深远海养殖产业与海洋新兴产业融合发展迅速，比如深远海养殖工程和海上清洁能源相结合，共享海上空间资源，共同建设和运维，并且海上清洁能源可以为海洋养殖工程设施就近供电，降低两者的开发和运维成本，推动海上清洁能源和海洋养殖的智能化发展
为保障深远海养殖有序发展，亟需突破以下技术瓶颈：
（1）深远海养殖工程装备安全保障技术。不同海域海况环境复杂多变，为抵抗强风、巨浪、强流的冲击，亟需开展安全保障技术研究，包括水动力分析、主体结构安全评估方法、锚泊敷设以及网具装配工艺等。
（2）深远海养殖工程装备基础研发技术。虽然我国已经能够建造多个大型深远海养殖工程装备，但我国深远海养殖工程装备的设计研发水平相对落后，深远海养殖产业仍处于起步发展阶段，一些关键性、基础性研究亟待开展，包括游弋式、浮式、半潜式等适用于不同养殖海域和条件的大型专业化多功能养殖船型和平台构建技术研究。
（3）精准控制配套设施与智能监测技术。养殖装备向精准控制方向发展是必然趋势，如投饵的精准决策、环境的精准监测、鱼群的精准评估、死鱼的精准判别、作业流程的精准规划等关键技术是实现深远海养殖智能化管理必须解决的技术难题。智能化养殖需要对养殖过程所有生产要素包括养殖生物、养殖环境、养殖设施和配套装备进行科学管控，利用智能感知技术获取信息，5G通信技术传递信息，大数据分析技术挖掘信息，人工智能技术决策信息，并程序化指导深远海网箱养殖生产全过程，以实现深远海无人驻守养殖。
（4）海洋多产业融合发展关键技术。海上清洁能源与深远海养殖工程的相互作用过程和机制亟须研究，比如深远海养殖设施与海上风机、光伏等清洁能源设施融合布局设计、环境友好型海上清洁能源设施研发与应用、增殖型清洁能源设施基础研发与应用、环保型施工和智能运维技术的研发与应用、深远海养殖设施与海上风机、光伏等清洁能源设施配套设施研发及应用，以及海上清洁能源设施对深远海养殖工程设施资源环境影响观测与综合评价等。
本文源自《海岸工程》2022年第4期，内容有删减。
作者介绍：
李华军：海洋工程专家，中国工程院院士，中国海洋大学教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，教育部“长江学者”特聘教授，山东省政府决策咨询特聘专家。兼任教育部高等学校海洋工程类专业教学指导委员会主任委员、海岸与近海工程国家重点实验室学术委员会主任委员等。曾任海军潜艇学院软件中心少校讲师、中国海洋大学工程学院副教授、中国海洋大学工程学院教授、院长、博士生导师、中国海洋大学党委常委、副校长。李华军院士长期从事海洋工程研究，围绕海洋资源开发的国家重大需求，在新型海工结构的设计施工以及安全运维领域做出了突出贡献，提升了海洋工程领域的理论与技术水平及重大工程实践能力。发表论文300余篇，出版著作5部。授权国家发明专利70余项，成果纳入5部国家行业规范标准。获国家科技奖励3项、山东省最高科技奖1项、省部级科技奖励一等奖6项、何梁何利创新奖及光华工程科技奖。
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