【本站讯】今年全国科技工作者日的主题为“弘扬科学家精神，勇当高水平科技自立自强排头兵”。为大力弘扬科学家精神，进一步浓厚爱党爱国、崇尚学术、追求卓越的校园文化氛围，我们特推出系列专题报道，聚焦为实现我国高水平科技自立自强担当作为、勇当先锋的石大科研人，讲述他们如何面向科技前沿，攻坚克难、不懈奋斗的事迹与风采，鼓舞和激励全校师生争做重大科研成果的创造者、建设科技强国的奉献者，不断向科技高峰进军。

今天，让我们聚焦机电工程学院蔡宝平教授团队，听听他们攻坚深水防喷器组核心技术，积极服务我国海洋油气勘探开发的奋斗故事。

蔡宝平教授团队部分成员 杨安摄影

在南海海域的海洋石油981深水半潜式钻井平台上，大型装备——“深水防喷器”正默默地潜在海底，守护着石油人和平台的安全。在作业空闲窗口，蔡宝平指导团队成员孔祥地、杨超登上平台，为这个关键设备提供智能化、完整性诊断现场技术服务。截止目前，蔡宝平教授团队在南海海域现场提供科技服务已达10余次。

为了保障深水防喷器的安全稳定运行，蔡宝平教授团队联合河北华北石油荣盛机械制造有限公司耗费近二十年心血研发了深水防喷器组控制系统与健康管理技术，打破国外技术垄断，铸造深水钻探“安全盾牌”，助力我国海洋油气开发从浅海迈向深蓝。

潜入千米深海，给油气井加装多功能“神器”

作为深水钻采作业过程中关闭井口、防止井喷事故发生的安全密封井口装置，深水防喷器是实施重大战略、加强油气勘探和开发的关键水下装备。但恶劣的工作环境、复杂多变的地质条件、对材料的苛刻要求，都制约着深水防喷器的研发与应用，其核心技术长期被美国公司垄断，是我国油气装备领域的“卡脖子”技术。

2008年，国家实施863计划重大课题，开展深水防喷器组及控制系统研制工作，力求自主研发深水防喷器。我校刘永红教授带领团队负责整套防喷器电控系统的研发，当时还是博士研究生的蔡宝平跟随导师刘永红进行科研攻关。

“防喷器组本体早已研发得很成熟，但其在深水中的控制系统技术却是近年来才兴起的。”作为团队骨干，蔡宝平将更多精力投入在深水防喷器的电控系统中去。

研究过程中，多冗余、高可靠性控制核心技术成为他前进的“拦路虎”。在导师的指导下，蔡宝平从控制方法建模入手，基于核心理论破解技术难题，抓住冗余控制的关键难点，提出深水防喷器组控制系统的同步表决算法和仲裁逻辑、水下蓝箱和黄箱的无缝切换方法，以及基于多重冗余技术的控制系统设计方法，研制出深水防喷器组控制系统的硬件和软件。

研究通过精确控制防喷器的动作参数和响应时间，确保系统在1500米的深海中能够迅速做出反应。当主控制器出现故障时，备用控制器能够自动接替工作，减少了系统停机时间，能够确保控制器一直处于工作状态，使钻井操作更加安全。

深水防喷器系统在展会上展览

电控系统自主研发的成功意味着深水防喷器组及控制系统研制的核心任务顺利完成。2012年，蔡宝平联合河北华北石油荣盛机械制造有限公司先后突破24项关键技术，累计取得自主知识产权17项，形成了深水防喷器研制开发、检测及试验、总体设计、可靠性研究等深水防喷器组及控制系统技术，并通过国家科技部组织的技术验收。

日前，蔡宝平团队联合该公司研发的1500米深水防喷器组已经完成工艺设计，预计近期可实现量产并工程化应用。从完全进口到自主研发，深水防喷器组将为我国深海油气井开采安全提供重要技术保障。

开发诊断系统，为自身“号脉开方”

在深海油井的开采过程中，如因设备故障导致停工会造成重大经济损失。然而海底复杂未知的环境使得水下装备故障诊断面临巨大挑战，并且非永久故障特征与噪声信号强烈耦合，难以诊断。作为保障井口安全的关键设备，深水防喷器组的安全稳定运行至关重要。

2013年，蔡宝平带领团队迈上了开发智能化故障诊断系统的道路。“这个系统像个‘私人医生’，能够随时远程对防喷器进行全方位的‘体检’和‘诊断’。”蔡宝平表示。

如何提高深水复杂环境下的装备故障，特别是非永久故障的确诊率？为解决这一难题，蔡宝平团队反复在实验室、河北华北石油荣盛机械制造有限公司和南海多个海洋平台上开展实验。令团队欣喜的是，他们开发的诊断系统与海洋石油981平台现役的防喷器基本实现无缝对接。该系统可以自行采集其压力、流量等关键参数信号，对模块的失效、接电、接地故障进行根源定位和类型判定，并提供故障位置、类别、后果以及应对措施等，诊断准确度达90%以上。“目前国外的相关系统对于非永久故障等尚无法进行诊断，我们研发的系统居于国际领先水平，可以为我国海洋石油水下装备长期安全稳定运行保驾护航。”骨干成员孔祥地表示。

深水防喷器控制系统完整性诊断系统

团队研发的深水防喷器故障诊断系统在海洋石油981钻井平台上应用，图为蔡宝平团队成员在平台上进行现场技术服务

建立预测机制，让故障与维修提前匹配

如何提高水下装备故障预测的准确度和维修效能，确保其全寿命周期安全可靠运行？蔡宝平团队发现，相比传统的修复性维修和定期维修，故障预测与健康管理会根据海洋石油水下装备故障诊断的结果，预测装备剩余使用寿命，并确定维修时机和维修方式，实现运行成本最小化、系统可靠性最大化。

然而，现有的故障预测与健康管理方法缺乏水下装备信息与物理的深度融合，导致预测准确度低、维修周期长、运行成本高，成为制约海洋油气生产提质增效的瓶颈。

2021年，针对海洋石油水下装备物理和虚拟数据冲突无法直接用于故障预测的难题，团队成员邵筱焱提出了数字孪生驱动的多指标实时竞争的水下装备混合故障预测方法，极大提高了剩余使用寿命的预测准确度。在此基础上，博士研究生张妍平提出了以可用性为中心的海洋石油水下装备视情维修方法。团队研究形成了海洋石油水下装备“早期诊断——故障预测——维修决策”的智能运维理论体系，实现了维修成本和风险最小化、水下装备可用性和剩余使用寿命最大化。

深水油气装备健康管理系统应运而生，可对我国南海油气田的水下防喷器系统进行精准的故障预测，有效避免井喷等重大灾难性事故发生。

深水油气装备健康管理系统在南海流花4-1油田现场应用

从设计制造到故障诊断再到预测维修，“深水防喷器组及其控制系统”的成功研发解决了诸多关键核心“卡脖子”难题。相关研究成果在第十三届中国国际石油石化技术装备展览会参展并获得“展品创新金奖”，由中国工程院院士和行业专家组成的评审委员会一致认为，水下防喷器组及控制系统的研制成功，是我国石油钻采和海洋工程装备的重大突破，填补了我国海洋工程水下关键设备的空白，打破了国外技术垄断。

近年来，蔡宝平团队主动承担科研攻关任务，参与“水下生产系统数字化自主型预测与生产优化技术研究及应用示范”国家重点研发项目，“深水水下生产设施轻型介入关键装备设计”“防喷器组及控制系统智能监控与可靠性技术研究”等工业和信息化部项目，获山东省科学技术进步奖一等奖、海洋工程科学技术奖一等奖、日内瓦国际发明展特别嘉许金奖等荣誉。

面向未来，蔡宝平表示，团队将争当高水平科技自立自强的排头兵，以只争朝夕、奋发有为的干事创业态度，力争研发出全电控深水防喷器，为我国南海海域的深水钻探守好“安全防线”。