“海牛”下海！科学家万步炎与他的深海钻机
万步炎
“海牛”不是牛,是一台深海钻机。
“海牛”很牛。3000多米深海海底,高压、无光、地形复杂。“海牛”可以沉稳着陆,还能再往海底岩石钻进60米,取出岩芯,供科学家解析深海矿藏的各类“密码” 。
“海牛”,刷新了我国深海钻机钻探深度纪录。在它之前,全世界也只有美国、德国、澳大利亚的深海钻机可以做到。
2015年10月以来,记者多次前往“海牛”的老家—湖南科技大学采访。
是谁让“海牛”这样牛呢?我国深海钻机第一人、“海牛”项目组首席科学家万步炎浮出水面。
万步炎和他的科研团队,几十年如一日,将忠诚融入万顷波涛,将智慧钻透3000米海底。
“海洋梦就是我的中国梦”
追溯“海牛”,不得不从万步炎这个内陆农村的放牛娃说起。
1964年,万步炎出生在湖南省华容县农村,父母都是孤儿。外公彭明早年参加红军,担任过湘鄂西苏维埃政府七县巡视员,1932年在洪湖作战中牺牲,年仅31岁。
1985年,万步炎从中南矿冶学院研究生毕业,分配到长沙矿山研究院工作,正值我国海洋勘探开发起步。万步炎第一个报名参加新成立的海洋采矿研究室。
国际海洋勘探开发技术日益突飞猛进,我国严重落后。惶惶不安,这个感觉,在万步炎前往日本开展合作研究时尤为强烈。
1992年,受邀前往日本开展海洋技术合作研究,万步炎眼界大开,如饥似渴,恨不得一头扎进蔚蓝深海探个明白。
他受刺激了。
日本同事说:“你很优秀,可惜你们国家海洋技术研究整体实力不行。”
刺,扎进心里,扎出一句诺言:“总有一天,我们要超过你们!”
在2000年以前,我国没有属于自己的深海钻机。海底富钴结壳资源勘探只能靠大面积海底拖网,耗时耗力不说,还只能在海底不确定地点采到一些表层样品。
租。1999年,中国大洋矿产资源研究开发协会(以下简称“大洋协会”)花重金从国外租来一台深海钻机。结果一个样品也没取到,租这条路,行不通。
吃了亏,大洋协会决定全力支持研制深海钻机。万步炎率团队报名,终以最优方案中标。
2003年8月,万步炎团队研制的第一台深海浅层岩芯取样钻机诞生,成功在海底下钻0.7米,取出第一个样品,开启了我国深海钻机的历史。
继续攻关。2米、5米、20米,万步炎团队研制的系列钻机在太平洋底钻进了1000多个“中国孔”。2007年,万步炎获国家科技进步二等奖。他还为“蛟龙号”7000米潜水器量身订制了海底硬岩“岩芯取样器”。
南海,晴空万里,碧波浩瀚。一个名叫“海牛”的家伙缓缓入海,没进深蓝。它身高5.6米,体重8.3吨,钢质构造,橙黄色,八边形。较国外同样钻进深度钻机,“海牛”要轻2~3吨,作业时更灵敏;八边形的外形结构,也使收放更加便捷。2015年6月11日,“海牛”成功海试,钻进深度达60米,深海钻机技术又迈出一大步,跻身世界前列。
“时间,是我们在海洋争夺战中取胜的关键呀!”
“请再给我几分钟!”通过对讲机,万步炎向船长恳求。
2015年5月20日20时,台湾海峡,大雨,七级风,巨浪不断向科考船涌来,船体剧烈摇晃。
甲板上,万步炎和丹麦技术人员金尼斯加紧调试绞车,准备“海牛”收放试验,测试绞车升沉补偿功能。
据气象预报,风浪还会增强。船长要求尽快返航。
万步炎比船长更急。
“海牛”靠绞车提供牵引动力。海底钻孔时,“海牛”位置必须固定。但海上环境复杂,靠动力定位的科考船容易颠簸、位移。绞车的升沉补偿功能,可以降低船只颠簸对“海牛”的影响。
与“海牛”配套的绞车从丹麦进口。调试必须由金尼斯指导完成。
一旦返航,科考船什么时候再出海?丹麦技术人员什么时候再来?“海牛”等不及。
“大家继续干!”万步炎的声音穿透风雨海浪!
绞车收放实验终于完成,科考船风雨中紧急返航。
抢时间的故事不止这一个。
2008年,2米海底浅孔岩芯取样钻机项目在南海结题验收。为突破钻机水下供电技术瓶颈,项目组决定采用铠装光电复合缆向海底钻机进行大功率供电和光纤通信。这条电缆,电压高达3300伏。
第一次使用这种高压电缆,大家没经验,心里忐忑。
“停,快停下来!”钻机下潜到1000米,突然有人喊。
绝缘值时高时低。这意味着随时有漏电的可能,危险一触即发。
万步炎拔腿冲向绞车间,发现在绞车和铠装高压电缆连接处使用的是普通绝缘胶带。
“问题在这。”万步炎确定,电工紧急抢修。问题解决,申请继续试验。考虑到第一次使用这条电缆,海试验收专家组反对。
第二天“大洋一号”就要返航,下次海试得一年后。万步炎不甘心,据理力争。
终于,钻机着陆海底,下钻2米,成功取样,万步炎又抢回一年。
抢时间,万步炎和团队在船上工作经常白天连着黑夜,几十个小时不沾床。实在困了,就在甲板上躺几分钟,找个矿泉水瓶子当枕头。
深海3000多米处,24根钻杆像左轮手枪的子弹一样排列在“海牛”腹部的圆盘上。圆盘旋转,机械手取杆上膛,钻进岩层,然后再接入下一根。“海牛”每接一根钻杆的时间是两分零四秒,钻进岩芯60米,只需约20个小时,国外同类钻机得花4、5天。
在换杆时间上,咱们的“海牛”领先。
“失败不可怕,可怕的是怕失败”
在水深大于3000米的海底,一个指甲大小的面积就要承受300公斤的压力。钻机如何承受如此高压?
海底地形复杂。岩层有的硬,有的软。钻机怎么钻取岩芯,保证样品的精确性?
海洋深度20米以上,是鱼类和珊瑚的领域,再往下,阳光逐渐被水折射后消失,一片黑暗。钻机靠什么来“看见”?怎么执行“命令”?
困难如海浪。
国外技术封锁。万步炎和他的团队顽强面对。
供电难排第一。2000年研制我国首台深海钻机时,国内没有可向海底设备提供动力电的脐带缆,只能采用电池供电。设备功率大,所需电池多,一般电池无法承受高压。万步炎决定用耐压筒组装,形成与陆地等同的内部环境。
麻烦的是,一个耐压筒就是几百公斤。要装上全部电池,需六七个耐压筒,钻机体重超标,操控极为不便。万步炎将电池改造成耐高压、可浸油的电池,不再需要耐压筒。
问题又出现了:在钻机下海前,要将数百节电池组装起来,需要四五个小时,如果一节出问题,就得全部拆卸,重新组装。2003年,国内科考船上终于装备了铠装光纤动力复合电缆,但由于对其性能不了解,没人敢第一个使用这根缆。直到2008年,万步炎第一个“吃螃蟹”,在研制两米钻机时,决定启用铠装光电复合缆,通过甲板供电,问题迎刃而解。
钻进取样,是深海勘探的主要目的。
“海牛”支腿伸出,扎进岩层,沉稳着陆,三种不同类型的钻头,有序钻进,应对自如。既可取硬岩岩芯,也可取海底沉积物,还可进行原位探测。而这种多功能钻头,是万步炎团队的首创,目前国外无此项技术。
钻进后需要把岩芯样品取出,用于检测。按照传统的提钻取芯技术,孔底岩芯管装满之后要将钻杆一根根收回,取出末端钻具内装满的岩芯管,换一根空岩芯管,重新拧接,继续钻进。在钻进深度20~30米以内,这样的技术问题不大,但超过这一深度,完成一次作业,时间长达好几天,绝大部分时间都花在了接卸钻杆上。海上工作,时间宝贵。而且,每次提放钻具都会对孔壁有破坏,上部孔壁岩石可能会掉落孔底,被再次取回,造成样品混淆。
面对难题,万步炎钻进技术的深孔。自动遥控绳索取芯是万步炎最后找到的答案,是穿透黑暗的阳光。使用这一技术,钻进60米,钻杆只需要接卸一次,完成一次样品提取只需约20个小时,对孔壁损坏小,取样质量和精度高。在国内深海钻探领域,万步炎团队第一个成功研发此项技术。
钻机的下放回收关系到钻机的安全。
科考船上通常配备可满足小型、轻量钻机的通用收放设备,一般只允许身高不超过4米的钻机以垂直的方式通过A形架。身高5.6米的“海牛”不适用。
万步炎团队精心设计、制作、反复试验……“海牛”终于用上了专属的机械化收放设备——国内目前唯一可下放重型海底钻机设备的收放系统。
“海牛”身上有四五十个传感器。这些传感器是“海牛”的“眼睛”,靠着它们传送信号至操控界面,就可得知“海牛”在深海的每一个动作。这些传感器,绝大多数是由万步炎团队自主研发。
“一次深夜,我醒来看到书房的灯亮着。他出海回来,我一下子没认出是爸爸,瘦了,头发白了。”儿子万恒正说。
那是1999年,“大洋一号”赴太平洋科考,从国外进口一台原位测试仪,万步炎作为技术保障人员,第一次登船出海。
万步炎晕船,浑身乏力,反胃恶心,呕吐不止,躺在床上动弹不得。
“要干活,不能这样一直躺着啊。”万步炎支撑着爬起来,站一会儿,坐一会儿,摇晃着来到甲板上来回走,逼着自己吃东西,终于适应了。
如今万步炎每年都要在海上工作1至2个月,成了真正的水手。
2005年4月,环球科考行动,“大洋一号”在临近墨西哥湾时遇到台风。晚间,数十米高的巨浪嘶吼,如群山倾倒。万步炎索性走上甲板,看巨浪翻腾,听大海咆哮。
“一个中国人是一条龙,无数中国人加在一起是一条翻江倒海的巨龙!”
“万步炎有个好团队,万步炎教授这个带头人发挥了设计师、指导员、战斗员的模范带头作用,他是这个团队的灵魂和核心。”湖南科技大学校长李伯超说。
放浮球是钻机海试时的重要环节,防止钻机下放时被缆绳缠住。这一工作需要团队成员彼此信任、默契配合来完成。
2015年6月9日,“海牛”移出收放平台,在绞车拉吊下缓缓入海。团队成员田勇、王案生背系安全绳分别站在缆绳两侧,站在船尾悬空处的支架上,脚下是2800多米的深海,项目组成员于心科教授从中间用左右手拽住两个人背后的腰带形成三角形支撑,让站在最前端的田勇、王案生正常施力,卡好接口再旋紧螺纹,一个半小时后,15个浮球顺利放完。
这样的默契是团队成员在多年的工作中磨合而成的。
“我对万老师的认识是从一句批评我的话开始的。”博士罗柏文告诉记者。
“你还是个博士呢!”当时罗柏文正在用万用表测试设备绝缘情况,一不留神,手指挨到了探针。手是导体,对数据精确度有细微影响。罗柏文没在意,万步炎却注意到这个细节,当场严肃批评。
“在万老师眼里,博士和工人都是一样的,该做的都得做,不能有半点儿优越感,他要求我们做工人型学者,兼备理论和动手能力。他自己就是这样的人啊,从设计、编程到安装、焊接、测量什么都会。如今我成熟了,还多亏万老师那么直接的提醒呢!”罗柏文笑着说。
“有一次出差,在飞机上,万老师突然问:‘小金,动力头带钻杆下降拧钻杆下丝扣这一操控按钮下面的指令,如果手动操作怎么完成?’答案包括18个步骤。‘海牛’操控界面,这样的按钮有几十个甚至几百个步骤,万老师全部记得,经常考我们。”说起万步炎,团队成员金永平博士很佩服。
“万步炎的时间表里没有白天黑夜和假期,电话24小时不关机。遇到问题,哪怕凌晨打过去,他也会接听,和你一起讨论,直到解决。”团队成员朱伟亚说。
“我是高中文凭,技术工人,1993年起就跟万老师一起在长沙矿山研究院工作。后来,湖南科技大学邀请万老师,而我学历低,不便引进。万老师坚持不能撇下我。学校打破框框把我也调进来。万老师说,我们是一个整体,要来一起来。”团队成员王案生说。
“海牛”完成海试,还有后续工作要做,听说田勇妻子病重,万步炎连忙“赶”田勇回去。随后多方打听,帮忙找好医生。王案生母亲去世,万步炎抽时间与团队成员赶赴衡阳奔丧,嘱咐王案生安心把家里事情办完再来上班。
团队成员家中有事,万步炎总是挤时间送去关心。但在自己家人面前,他却常常“缺席”。
万步炎提出陪妻子刘淑英回新疆看望岳父母。刘淑英是喀什人,结婚28年,万步炎只陪她回过三次娘家。这一次,才到乌鲁木齐,电话就来了,为了“海牛”出海的事,万步炎半路返回学校。
2005年,万步炎随“大洋一号”环球科考。临行前,刘淑英生病,要做手术,得有人照顾。万步炎陪不了,出发前,他给妻子深情拉了一曲小提琴《阳光照耀在塔什库尔干》表达歉意。
万步炎出海了,儿子就将父亲发回邮件显示的地理位置,用五角星在家里的世界地图上作标注。五角星走世界,五角星代表中国——这是父子俩一种特殊的情感交流。
万步炎生活节俭,裤子破了洞继续穿。这份节省劲被用在工作上,为国家节约了不少科研经费,但对自己的报酬却并不在意。
1992年受聘到日本,万步炎月工资2500美元。1993年,他决定回国,对方极力挽留,提高待遇,而当时回国工资才200多元。万步炎选择了中国。
“‘海牛’研发期间,有一些公司带着其他项目来找万老师合作,待遇优厚,他都拒绝了,可以说,在名利面前,他不会动摇,坚持自己正确的选择。”湖南科技大学党委书记刘德顺说。
2016年1月21日,“海牛”项目顺利通过科技部863计划海洋技术领域办公室组织的验收。