海洋工程 基础

第一章
1、海洋工程是一门相对较新的学科，它的未来与人类利用自然能源和海底矿藏资源、提供食物来源、提供娱乐休闲活动、运输货物与人员、提供人类居住和安置设施的可替代空间，以及更好地了解海洋的作用过程和进一步发展工程概念，以保护陆地免受各种海洋气象条件侵扰，是紧密相关的。

海洋工程可以定义为利用工程原理来分析、设计、发展和管理一些在水中环境，如海洋、湖泊、港湾和河流中运行的系统。

还有其他相关学科，如海岸工程、轮机工程、船舶工程、海军工程及近海工程也研究在海洋环境中运行的系统。

海岸工程一般应用工程原理于在海岸运行的系统；轮机工程应用于船舶动力与机械系统；船舶工程指的是船体和推进系统的设计；而近海工程应用工程原理于比海岸更深水域的近海工程系统。

应用工程原理于海军系统或舰船常称为海军工程。

2、拥有海洋工程及相关学科的美国以外的主要高等学校
学校名称学位领域学位类型
大连理工大学海洋工程本科，研究生
上海交通大学船舶与海洋工程本科，研究生
天津大学近海工程、海岸工程研究生
3、海洋工程学科一直到20世纪60 年代末和70 年代初才出现于一些大学内，海洋工程教育相对来说是很新的领域。

探索水下环境、发展近海石油及天然气工业、海岸保护和港口的扩展推动了海洋工程的发展
4、1950年，美国为了保护海岸线成立了侵蚀海岸委员会，主要行动是填沙护滩。

在20世纪60年代，港口、码头和游艇港迅速发展。

为发展港口和疏浚航道底部的沉积物，美国陆军工程兵团首先致力于疏浚及疏浚物处理方面的研究。

1987年美国陆军工程兵团发起了“疏浚研究项目”
5、近海工程领域的发展趋势与近海工业的发展趋势一致
6、遥控潜水器（ROV）是一种无人水下系统，通常包括1套推进系统，闭路电视及机械或电动-液压操作臂。

潜水器通过脐带由水面船舶控制，图像和数据也通过脐带传送到水面船舶。

第一个闻名于世的ROV是美国海军的CURV，它于1966年回收了西班牙海岸外869m （2851ft）水中的1枚氢弹。

随着近海工业向深海发展，为对付较恶劣的气候如北海，ROV 的发展更为迅速。

现有的ROV超过1000个，其尺寸小如篮球，大至大卡车，有些可工作于海洋的最深处。

这些潜水器可分为系缆式（自由游动）、被拖动式、依赖底部式、依赖结构式、无缆式（自主式）和混合式（MTS1984）。

ROV一般用于近海工业、军事用途及科学研究。

1985年9月，Woods Hole海洋研究院的一个科学家小组，利用一个被拖动式ROV Argo&Jason号，找到并拍摄了1912年沉于大西洋的Titanic号客邮船。

自主式ROV是最新发展起来的，可通过预编程序控制完成特定任务而无需脐带。

遥控潜水器前途光明，对于海洋工程师来说，它是一个应用广泛的可贵工具。

第二章
1、潮汐分为半日潮、日潮和混合潮。

一个半日潮在一个潮汐日中有2次高潮，2次低潮；一个全日潮在一个潮汐日中有1次高潮，1次低潮；混合潮是半日潮、日潮的混合，它由众多不均衡的高水位和低水位组成，在一个潮汐日通常发生2次高潮，2次低潮。

2、海洋工程师在设计中必须考虑到建筑物能够抵挡波浪冲击而不会损坏
3、用于推导线性波理论的主要假设有
①流体具有均匀性且不可压缩
②不计科氏力
③流体无粘性
④不计表面张力
⑤流动无旋
⑥底部水平、静止且不可渗透
⑦波浪为二维(长波峰)
⑧波浪不受其他水流运动的影响
⑨表面压力为常数
⑩波幅相对波长、水深为小量
4、当波峰的轨道速度与波速相等时，波浪变得不稳定，并开始破碎
5、在温带和北极地区，考虑冰对海滨和海岸设施的影响是十分重要的。

表示冰特征的重要参数有厚度、浓度、持久度和不同的力学特征等。

冰与建筑相互作用力产生的后果有：水平刺穿，水平撞坏，竖向顶起，冰蚀和冻结-融化破坏
6、冰有很多种类型，包括固定冰、大块浮冰、平整冰、冰岛和海中的冰山。

在北极，近岸的冰层称为固定冰，它在秋季和冬季时迅速形成，厚度可达2m(7ft)。

通常固定冰在夏季融化后离开近岸，此时就没有冰覆盖在近岸上了。

固定冰是与海岸冻结在一起的，比较稳定。

大块浮冰比固定冰更靠近海洋，且从不与海洋冻结在一起。

固定冰表面光滑，也称平整冰。

冰岛和冰山是淡水冰，它们最初是冰，从冰架或冰川上崩裂下来，滚进海里，和运动的浮冰相结合。

7、对海水来讲，结冰温度取决于它的盐度。

在最大密度时结冰结冰温度是盐度的函数
8、近海结构物的使用可追溯到20世纪50年代，在世界上许多大陆架区域，它被用于近海石油资源的探测和开采。

它首先在墨西哥湾使用，随后用于墨西哥和巴西的近海水域。

20世界60年代，人们开始在北海极其恶劣的环境下安装这些结构物。

海底管道把油和天然气输送到海岸，是另一种设计和安装的向陆地输送能源的近海结构物。

9、近海油井开采
1根套管（立管）从钻井平台一直延伸到海底，人们将钻杆从套管中放下去。

钻杆由钻头、钻挺和钻管等组成，典型的钻管是钢质的，长9.1m(30ft)，重约2669N（600lb）。

随着钻井深度的增加，将在水面上的原有钻杆上接上1节新钻杆。

钻杆从套管下到海底途中经过一被称为防喷器（BOP）的安全阀系统。

BOP阀的作用是在油井里保持一定的压力并防止爆喷。

海面上的旋转台驱动钻杆，钻头齿在海底沉积物和岩石上磨削，钻井液（钻井泥浆）从海面上的泥浆槽泵进钻管，接着流经钻头的小孔，可使钻头冷却，并能把钻屑带到水面。

钻井液经过海底下的井罩和钻杆之间及泥土线以上套管和钻杆间的环隙被送到水面上，经过海面上的过滤器出去钻井液中的碎屑，又经过泥浆槽循环处理再次被泵回到钻杆中去。

泥浆的重量使钻头处的压力比原来岩石基础处的压力更大，因此人们完全可以控制钻井情况。

当钻头钻向更深的岩石时，钻杆套管也深入井下并以水泥封住固定，以防井壁崩塌，从而可以用钢丝绳放仪器下去测定是否有油、气存在。

如果发现油、气存在，生产用的钢套管就在此装好，这个钢套管是把油、气安全输送到水面的管道。

一些平台具有钻井和生产的能力。

来自油井的液体是油、气和水的混合体，它必须在用油轮或管道输送到岸边之前经特殊设备处理。

处理油井液体混合物的过程称之为生产，其设备称之为生产设备，生产平台是为安装生产设备而设计的。

10、近海钻井系统：自升式钻井平台、半潜式平台、钻井船
近海油、气生产平台：固定导管架平台、重力式平台、顺应式平台、张力腿平台、牵索塔平台、铰接塔和单锚腿系泊系统、浮式生产系统、筒状平台
11、海洋平台上生产的油气经常要用铺放在海底或埋设在海底下的水平管系输运。

Mousselli （1981）把管系分为：出油管、集输管线、干线管道和装载/卸载管线
近海管系通常是用大型铺管船铺放到海底。

近海管系的设计需要考虑很多因素，如管系尺寸，水动力作用，海底沉积物的地质特性与冲刷，受碰撞时的结构分析和内部压力，铺放时船舶运动的影响
第四章
1、沿岸漂沙：近岸带的沉积物在海流及波浪带动下输移，可分为沿岸输移（平行于海岸）和离向岸输移（垂直于海岸）两种类型。

以沿岸漂沙的方式输移的物质称为沿岸漂沙
2、海滩侵蚀的常见自然原因及人为原因
自然原因人为原因
海面上升陆地下沉
沉积物供应的变化对泥沙供应的干扰
浪和涌的冲刷波能的聚集
海滩沉积物的风移作用入海口的加深和加宽
沿岸沉积物输移对海岸自然保护物的改变
海滩沉积物的调整对海滩和沙丘物质的移动
风暴波浪减少泥沙供应量（拦河坝）
3、防波堤可以和海岸相连，也可以离岸位于海中。

能保护海滨、港口、泊地或港池免遭海浪的冲击。

包括抛石防波堤、网格式钢板柱防波堤、板桩防波堤、沥青灌浆块石防波堤，以及混凝土沉箱防波堤
4、突堤：突堤建于河口或海潮入口处，以稳定进港航道及防止沿岸物质回淤
5、丁坝：丁坝通常建在海滩上并与海滩垂直。

建丁坝的目的是保护海滩上的沉积物并减缓侵蚀
6、海滩的保护和修复通常通过陆地输送物质或通过直接使用挖泥船泵出挖掘的沉积物来实现
7、沿岸地带的泥沙输移是风、浪、流、潮、风暴，以及沉积物相互作用的结果。

海滩和海岸总是处于侵蚀、淤积或稳定状态。

侵蚀会严重影响海岸线，损坏海岸结构物的根基。

沉积物是一种固体颗粒，通常可分为粘土、淤泥、沙粒、砾石、鹅卵石或大卵石。

描述沉积物特征的最常见的参数则是其粒度中值（d50）
8、Webster将疏浚定义为（1）用挖泥船挖掘、采集或吸出；（2）用挖泥船挖深（如航道），并将挖泥船定义为“一种通常用安装在环链上的铲斗或吸泥管清除泥土的机械”
9、挖泥船的分类
疏浚：机械式、液压式
机械式：铲斗式、链斗式、斗式
链斗式：抓斗式、索斗式、铲斗式、链斗式
液压式：开底自载式、侧抛式、管道式、搅动式
管道式：普通吸扬式、铰刀吸扬式、轮斗式、箕斗吸扬式
第5章
1、材料强度是选择材料时要考虑的最重要的力学特性之一。

材料的主要力学特性包括抗拉强度、弹性模数、屈服强度及延展性
2、海中所用的材料必须具备承受大荷载、疲劳、冲击，以及易于加工和焊接且成本低廉等特性。

3、含铬超过12%的铁基材料称为不锈钢，不锈钢表面有一层氧化膜，是材料与水隔离，因而能抵抗均匀锈蚀。

不锈钢完全浸入海水中时，会引起氧化膜脱落，易产生点蚀、缝隙腐蚀，
以及晶间腐蚀
4、铝合金应用于高速船、水翼船、表面效应船、商船和舰艇、水中推进器、SCUBA（自持式水下呼吸器）的气罐，以及潜艇。

铝的密度为类似钢的密度的1/4，铝结构物在整个寿命期内的成本也较低。

铝合金具有很强的抗海水腐蚀的能力、可被焊接、易于加工
5、玻璃纤维是一种常用于建造小型船舶、浮标及潜水器的非金属材料
6、近年来木材在海洋设施中的应用已经减少了。

木材沿纹理方向的强度比垂直于纹理方向的强度大，且强度受木材含水量的影响
7、海水腐蚀：金属在海洋环境中由于电化学反应而被破坏的现象
8、晶间腐蚀是微观形式的腐蚀，由金属晶体边界和金属晶体间的势能不同所引起。

当晶体相对于晶体边界为阴极时，沿边界会发生腐蚀作用
9、缝隙腐蚀发生在含氧有限的地方，如微小开口的接缝（缝隙）处，螺帽、螺栓头及垫圈下面
10、考虑防腐措施的最佳时机是在设计阶段，最差的是在发现产生了腐蚀的时候。

防腐措施：材料选择，优秀的设计，涂漆或防护层，阴极保护法及防蚀剂
11、阴极保护法是浸于水中的金属所采用的最常见的防腐方式
第8章
1、声纳（SONAR）是声音导航和测距的缩写（sound navigation and ranging）
2、第一次世界大战之后，水声学继续随着深度探测器、回声测距定位换能器，以及水深水温测量器和对水下声音传播物理现象的更好地了解而向前发展
第二次世界大战后，在电子设备，信号处理技术，计算机设备，对环境噪声的理解，水下声音传播模型和探索声音吸收的原因方面的发展和进步，促进了水声学设备的进一步发展
现在的水声学应用包括捕鱼辅助设备、水文勘测、海洋学和海洋工程使用的仪器、地球物理学研究、水下通信、导航、水下搜寻和海底勘察。

在海洋哺乳动物如海豚和鲸中发现了天然声纳系统，它们用声音导航。

蝙蝠也用声音在空气中导航
3、声波用于水下探测和通信的一个原因是除非波长很大的电磁波，否则几乎不能再水中传播
4、水下声学系统的例子
主动回声测距声纳：用于船舶上探索潜艇目标。

在这些声纳系统中发射换能器均匀地产生短脉冲的声波。

对于接收，同一仪器用作水中听音器
地震反射系统：用于测绘海洋的海底结构。

声脉冲主要是由水下声源产生的单方向压力脉冲，比如爆炸冲击，水下电弧（电火花器），电磁（重击）设备和气喷枪
5、声音被定义为在弹性介质中压力、粒子位移和粒子速度周期性的变化。

水是弹性介质，水可以是淡水或咸水。

声波是纵波，声波的传输很复杂
6、瞬时声强
声强级IL
声压级SPL
转换公式
7、声纳方程是在声音传播过程中决定介质（海洋）、目标和声纳设备的影响的一种方法
8、主动声纳方程
SL（声源级）-2TL（传声损失）+TS（目标强度）=NL（噪声级）-DI（指向性指数）+DT（检测阈）
被动声纳方程
SL(声源级)-TL（传声损失）=NL（噪声强度）-DI（指向性指数）+DT（检测阈）
9、换能器是将声能和电能互相转换的设备
在水声学里，水听器是一个将声能转换成电能的换能器，发射器是将电能转换成声能的换能器
10、水声的产生（p192）
11、传送（传播）损失受两个主要因素影响，这两个因素分别叫做扩散和吸收
12、典型的深水声速曲线图（p196）
第9章
1、多参数探测器（CTD或STD）：对于海岸和海洋测量，仪器系统通常将电导率（盐度）、温度和深度的测量结合在一个单一仪器中
2、直接测量流速的方法通常称为拉格朗日法或欧拉法
3、测量气象数据的仪器包括测量风速和风向、大气压、空气温度和湿度的传感器
4、海水采样器是系在绞车缆上的仪器，从水面船只下放到一特定水深。

采样器小的有1L，大的有10L。

通常当仪器被放到取样深度时，顶部和底部都是打开的
5、收集沉积物样本的设备包括管子和抓斗采样器
6、对于海洋工程，设计可以定义为系统地开发置于海洋或其他水域中的设施，能满足一定的要求，并能够以安全、无损于环境和可靠的方式工作
7、风险评估的具体的方法有:
危险识别的方法：失效模式与影响分析(FailureModesnadEeffctsAnalysis,即FMEA)、如果一怎么样方法(What一If方法)、危险与可操作性分析(HaazrdnadOpeartionAnalysis,即HAZoP)
风险评估的方法：法规符合性评估;定性风险评估;半定量风险评估;定量风险评估;
风险降低措施的类型：消除;预防;减缓;撤离、逃生;
8、国内外海洋石油工程风险评估现状（见文献）。