超聲波技術(shù)在防治海生物中的應(yīng)用

王 丹，鄭曉濤，于 超，謝小波

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司 技術(shù)中心，天津 300452)

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超聲波技術(shù)在防治海生物中的應(yīng)用

王 丹，鄭曉濤，于 超，謝小波

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司 技術(shù)中心，天津 300452)

介紹新的防海生物技術(shù)——超聲波防海生物的特點(diǎn)，以及超聲波殺死海生物的工作原理，包括超聲波技術(shù)的不斷升級(jí)改造的過(guò)程，以及在海上平臺(tái)的應(yīng)用案例，針對(duì)不同平臺(tái)海水系統(tǒng)存在問(wèn)題，提出系統(tǒng)化解決方案，解決海上平臺(tái)的海生物污損問(wèn)題。

防海生物；超聲波；海上平臺(tái)

海水作為廉價(jià)、方便的介質(zhì)被廣泛應(yīng)用于海上平臺(tái)及浮式結(jié)構(gòu)的油氣生產(chǎn)中。但由于海水中存在大量的海生物(幼蟲(chóng)及受精卵)，在適宜的環(huán)境條件下海生物將附著生長(zhǎng)，侵蝕管道，并造成管道、濾器、冷卻器的堵塞，影響海水流量和降低熱交換率，導(dǎo)致成本加大和能源浪費(fèi)，甚至造成生產(chǎn)工藝系統(tǒng)關(guān)斷停產(chǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前渤海地區(qū)有平臺(tái)49座，7艘FPSO，海水系統(tǒng)均不同程度出現(xiàn)了海生物附著、堵塞的現(xiàn)象，每年花費(fèi)大量資金進(jìn)行海水濾器、主機(jī)中冷器等設(shè)備的清洗工作。目前海上一般采用電解海水制氯防污、電解銅鋁防污2種技術(shù)，但產(chǎn)生的有毒的氯和金屬離子給海洋環(huán)境造成一定的危害。近年來(lái)，超聲波作為一種新的防治海生物技術(shù)取得了階段性應(yīng)用成果，具有無(wú)污染、運(yùn)行維護(hù)成本低、可靠性高、兼容性好等特點(diǎn)[1-5]。為此，進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用分析。

1 超聲波防海生物原理

超聲波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生高頻振蕩信號(hào)，通過(guò)換能器轉(zhuǎn)換成每秒幾萬(wàn)次的高頻機(jī)械振蕩，傳遞到液體中形成超聲波。液體在振動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生數(shù)以萬(wàn)計(jì)的微小氣泡，也就是空化泡。這些氣泡在超聲波縱向傳播中形成的負(fù)壓區(qū)生長(zhǎng)，而在正壓區(qū)迅速閉合，從而在交替正負(fù)壓強(qiáng)下收到壓縮和拉伸作用。在氣泡被壓縮直至潰滅的一瞬間，會(huì)產(chǎn)生局部瞬時(shí)高溫、高壓，一般可高達(dá)幾十至上百M(fèi)Pa。據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)得：空化作用可以使氣相反應(yīng)區(qū)的溫度達(dá)到5 200 K左右，液相反應(yīng)區(qū)的溫度達(dá)到1 900 K，局部壓力在50.5 MPa。在這種連續(xù)不斷瞬間高壓和高溫強(qiáng)烈沖擊下，擊碎海生物的表皮細(xì)胞，從而達(dá)到防海生物的目的[6]。

2 超聲波裝置組成

超聲波防海生物裝置由超聲波信號(hào)發(fā)生器、換能器、變幅桿及振子組成。電能通過(guò)超聲波信號(hào)發(fā)生器和超聲換能器轉(zhuǎn)化為同頻率振動(dòng)的機(jī)械能，由振子傳遞到海水中，形成超聲波聲場(chǎng)，通過(guò)“空化效應(yīng)”殺死海生物。

信號(hào)發(fā)生器是將普通的市電，轉(zhuǎn)換成超聲波換能器所需要的高頻、高壓電流。換能器是將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量的器件。換能器品種特別多，要求也特別高，換能器是整套裝置的關(guān)鍵核心。變幅桿是超聲振幅的機(jī)械放大，提高超聲的功效，進(jìn)一步增大換能器前端面的振幅。

3 超聲波防海生物技術(shù)發(fā)展

截止目前，超聲波防海生物裝置經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展及應(yīng)用階段，從最初單一的海水濾器內(nèi)放置超聲波裝置，發(fā)展到多樣式超聲波振子的形式，防海生物效果及裝置的可靠性取得了顯著的提高[7-8]。

3.1 振板式超聲波海水濾器

振板式超聲波裝置應(yīng)用于海水濾器內(nèi)，在濾器內(nèi)部設(shè)置有2塊超聲波振板，每塊超聲波振板的內(nèi)部設(shè)置有若干振子，電源線由接線管保護(hù)并引出接線管和定位棒，將超聲波振板固定在蓋板上，見(jiàn)圖1。

圖1 振板式超聲波裝置

振板式超聲波裝置在海洋石油113FPSO及QK 17-2平臺(tái)的防海生物中起到了良好的效果，連續(xù)工作數(shù)月而沒(méi)有海生物的附著污損，不需要進(jìn)行開(kāi)蓋清理，但也存在海水濾器內(nèi)濾芯有泥沙海草等物的堵塞。

在該超聲波裝置使用過(guò)程中，出現(xiàn)了振板內(nèi)部進(jìn)水導(dǎo)致超聲波裝置無(wú)法工作的情況，原因在于超聲波的振動(dòng)作用導(dǎo)致振板的焊縫裂開(kāi)，海水進(jìn)入內(nèi)部。因此，發(fā)展了第2代的振棒式超聲波裝置。

3.2 振棒式超聲波海水濾器

振棒式作為新一代的超聲波防海生物裝置，與振板式最大的不同在于振子的結(jié)構(gòu)改變，由多個(gè)小功率振子變?yōu)閱误w振子。其特點(diǎn)是功率大，單體作用強(qiáng)，壽命長(zhǎng)，應(yīng)用的范圍更廣，不僅可在海水濾器內(nèi)應(yīng)用，而且還能在管線內(nèi)應(yīng)用。振棒式解決了振板式存在的焊縫容易開(kāi)裂的問(wèn)題，僅是振子部分浸入水中，電路部分得到了保護(hù)。振棒式的超聲波振子結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 振棒式超聲波裝置的振子

3.3 超聲波模塊化裝置

針對(duì)海水管線出現(xiàn)的海生物附著，堵塞并腐蝕管道的情況，經(jīng)過(guò)多次嘗試性探索研究，成功推出了超聲波短節(jié)裝置以及超聲波模塊裝置，如圖3所示，極大地豐富了超聲波防海生物裝置的應(yīng)用范圍，可以更好的解決整個(gè)海水系統(tǒng)及各用戶(hù)的海生物堵塞問(wèn)題。

圖3 超聲波模塊化裝置

其中超聲波短節(jié)裝置已取得了實(shí)用新型專(zhuān)利，并在海上平臺(tái)成功應(yīng)用，獲得了客戶(hù)的青睞，有效解決了海水管線的臟堵問(wèn)題。

3.4 PO涂層應(yīng)用

對(duì)于超聲波防海生物裝置，超聲波的空化效應(yīng)作用在殺滅海生物的同時(shí)，也會(huì)造成海水濾器筒體和海水管道內(nèi)壁防腐涂層脫落，導(dǎo)致筒體和管道的腐蝕破壞，圖4為超聲波對(duì)金屬板的防腐涂層破壞對(duì)比。防腐涂層被破壞，出現(xiàn)剝落、裂紋。

圖4 超聲波對(duì)金屬板防腐涂層破壞對(duì)比

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，PTFE、PO和聚脲這些彈性防腐材料可以有效的阻隔超聲波的能量，從而保護(hù)金屬板表面遭受空化腐蝕。因此，將海水濾器采用PO防腐處理措施，避免超聲波對(duì)濾器內(nèi)壁防腐涂層的影響。

4 應(yīng)用

截止到目前為止，超聲波防海生物裝置(包括之前應(yīng)用的超聲波海水濾器)分別應(yīng)用在海洋石油113FPSO、QHD32-6FPSO(渤海世紀(jì)號(hào))、海洋石油161平臺(tái)、QK17-2平臺(tái)、BZ28-2SCEP平臺(tái)，有效解決海水濾器的臟堵問(wèn)題，具有投入少、操作維護(hù)簡(jiǎn)單、防護(hù)效率高等優(yōu)點(diǎn)，減少了現(xiàn)場(chǎng)人工清理工作量，具體見(jiàn)表1。

表1 應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)表

以BZ28-2SCEP平臺(tái)為例，具體展示下超聲波防海生物裝置的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況，在BZ28-2SCEP平臺(tái)兩處加裝超聲波防海生物裝置，分別是：2臺(tái)籃式海水過(guò)濾器內(nèi)部及海水濾器出口總管匯。

2013年3月20日超聲波防海生物裝置投入使用。6個(gè)月后第1次開(kāi)蓋進(jìn)行檢查，11個(gè)月后進(jìn)行第2次開(kāi)蓋檢查。圖5為超聲波防海生物裝置使用前后濾器內(nèi)情況的對(duì)比。

圖5 BZ28-2SCEP平臺(tái)應(yīng)用情況

結(jié)論。整個(gè)裝置不間斷工作330天。超聲波裝置狀態(tài)良好，濾芯內(nèi)存積少量海生物；備用工具頭上附著少量水垢。

效果分析。經(jīng)過(guò)查閱該平臺(tái)的工單，對(duì)海水濾器和冷卻器的清洗記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到如圖6所示的結(jié)果。

圖6 工單統(tǒng)計(jì)

結(jié)果顯示，加裝超聲波防海生物裝置后，海水濾器的清洗次數(shù)為零，實(shí)現(xiàn)了零維護(hù)，效果顯著。

5 結(jié)論

超聲波防海生物技術(shù)，依靠超聲波的空化效應(yīng)殺死海生物卵細(xì)胞和幼蟲(chóng)，解決了海生物的卵細(xì)胞和幼蟲(chóng)在海水系統(tǒng)內(nèi)的附著和生長(zhǎng)問(wèn)題，節(jié)約了成本，降低了生產(chǎn)工藝系統(tǒng)故障概率。超聲波防海生物技術(shù)在實(shí)踐中不斷進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)，由振板式發(fā)展到振棒式再到模塊化裝置的應(yīng)用，為系統(tǒng)化解決海生物污損問(wèn)題奠定了基礎(chǔ)。

超聲波防海生物裝置定位于中海油各類(lèi)海上生產(chǎn)設(shè)施(海上平臺(tái)、FPSO等)，立足于全面解決海生物的防治方案，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研海水系統(tǒng)管線、設(shè)備的情況，根據(jù)存在的海生物污損位置和狀況，設(shè)計(jì)完整的解決方案，可更加有效地解決海生物的困擾問(wèn)題。超聲波防海生物技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，憑借超聲波高效、環(huán)保、易維護(hù)的特點(diǎn)，有廣泛的應(yīng)用對(duì)象和前景。

[1] 楊波,王忠波,鄭曉濤,等.超聲波防治海生物的技術(shù)分析與應(yīng)用[J].油氣田環(huán)境保護(hù),2012,22(2):11-13.

[2] 候辰光.海洋平臺(tái)防海生物裝置的應(yīng)用[J].中國(guó)修船,2004(6):35-36.

[3] 劉姍姍,嚴(yán)濤.海洋污損生物防除的現(xiàn)狀及展望[J].海洋學(xué)研究,2006,24(4):53-54.[4] 黃運(yùn)濤,彭喬.海洋生物污損的防治方法及研究進(jìn)展[J].全面腐蝕控制,2004,18(1):3-4.

[5] 胡晗,李德堂.海洋石油281平臺(tái)防海生物系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)造船,2010,51(191):117-120.

[6] 鄭曉濤,王丹,陳景峰.超聲波防海生物技術(shù)試驗(yàn)研究[J].聲學(xué)技術(shù),2015,34(6):525-528.

[7] 楊波,鄭曉濤,李大華,等.超聲波海水濾器的研究與應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表,2011,38(10):1203-1205.

[8] 張旭輝,楊勇,張紹謙.超聲波防海生物技術(shù)在FPSO上的應(yīng)用研究[J].創(chuàng)新技術(shù),2009(5):47-49.

Application of Ultrasonic Technology in the Bio-fouling Prevention System

WANG Dan, ZHENG Xiao-tao, YU Chao, XIE Xiao-bo

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China)

The characteristic of the new bio-fouling prevention technology, the ultrasonic technology, was introduced, as well as the working principle of the ultrasonic killing sea creatures, the processes of ultrasound technology continuously upgrades, and the application in offshore platforms. On account of different problems in seawater system, the systematic solutions were proposed for platform bio-fouling prevention.

bio-fouling prevention; ultrasonic; offshore platform

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.023

2016-07-10

中海油采油服務(wù)分公司項(xiàng)目(2069F1120001)

王丹 (1986—)，男，碩士，工程師

U665.262

A

1671-7953(2016)05-0091-04

修回日期：2016-08-10

研究方向:海洋石油裝備、設(shè)備密封

E-mail:wangdanbulls2008@126.com