新型海洋污損生物抑制裝置

陳雅雪，楊沈陽，彭競儀

（武漢理工大學(xué) 法學(xué)與人文社會學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 研制背景及意義

隨著人類科技的發(fā)展，人類的運輸路線已經(jīng)不局限于大陸地區(qū)，在海洋上也有很多海上運輸方式，而海底管道作為目前海上最快、最便捷的液氣海上運輸方式，在海上運輸中起到了重要作用。然而由于海洋中有多種海洋生物，海洋管道在水下放置一段時間后，海洋管道的管道口以及管道內(nèi)壁上會附著大量藤壺、藻類等海洋污損生物，這些海洋污損生物會影響海洋運輸?shù)男?，也會?dǎo)致海洋管道的腐蝕速度加快，嚴(yán)重影響了海底管線的使用壽命。

由于海底管道一般采用鋼質(zhì)管道，表面抗腐蝕涂劑耗損后，管道耐腐蝕性較差，修復(fù)費用較高且修復(fù)難度大。當(dāng)海洋管道被吸附的海洋生物腐蝕洞穿以后，會造成海洋管道內(nèi)部運輸?shù)囊簹獾男孤粌H大大降低了海洋管道運輸速率，還會造成泄漏管體周圍水域的水體污染，加劇海洋生態(tài)環(huán)境的惡化。

而現(xiàn)有海洋管道管體及管內(nèi)壁的海洋生物處理技術(shù)主要分為生物清理、物理清理、化學(xué)清理這三個方向。其中，多數(shù)清理方法只在實驗室條件下得以應(yīng)用，不具有普適性，且大部分方法不能達到低成本解決海洋生物附著問題的效果，常常需要停工清洗整條海洋管道，造成巨大的資源浪費、經(jīng)濟損失。因此需要尋找一種不影響海洋管道原有運輸效率，且能有效處理海洋管道上海洋生物附著問題的裝置。

2 設(shè)計方案

2.1 工作原理

該裝置通過設(shè)置若干連續(xù)磁化裝置對進入管道的海水進行磁化，磁化的海水水質(zhì)發(fā)生變化，從而使其pH 值、電導(dǎo)率、水分子張力等條件變化至不再適應(yīng)海洋附著生物生存，使附著生物幼蟲無法分泌粘膜，難以依附在管道內(nèi)壁。磁化海水時，裝置核心部分通過多個勵磁線圈產(chǎn)生疊加均勻磁場，當(dāng)磁感應(yīng)強度達到一定強度時，垂直于磁力線通過磁場的海水便可被磁化到能抑制附著生物所需要的程度。

2.2 各模塊介紹

裝置整體模型如圖1 所示。

圖1 裝置整體模型示意圖（去外殼）

2.2.1 海水磁化模塊

磁化模塊由多對勵磁線圈繞組、對應(yīng)磁極以及固定裝置組成。

勵磁線圈繞組分別成對纏繞在磁極上，主要負責(zé)產(chǎn)生強磁場，向勵磁線圈之中通入變化的交流電流時，交流電流在沿線圈中心方向激發(fā)出徑向磁場。當(dāng)多個勵磁線圈繞組產(chǎn)生的疊加磁場達到一定強度時，可以將海水磁化到能抑制海洋生物生存的程度。同時，產(chǎn)生的磁力線始終與水流運動方向相互垂直，使具有導(dǎo)電性的海洋水流在按一定流速通過磁化裝置進入海水管道時能夠被最大化磁化。

磁極個數(shù)為偶數(shù)，且極性交替出現(xiàn)，可以按對稱結(jié)構(gòu)設(shè)置。固定裝置主要包括環(huán)狀外殼與若干個固定壓桿，環(huán)狀外殼直徑設(shè)計為可與海水管道對接配合，固定壓桿設(shè)計為連桿結(jié)構(gòu)，環(huán)繞在外殼一周。固定壓桿可以實現(xiàn)聯(lián)動，即可同時與海水管道上對應(yīng)的凸出部分相連，以保證磁化裝置的穩(wěn)固性，而環(huán)外側(cè)上下左右四個方位分別固定磁極與勵磁線圈繞組。

2.2.2 安裝清理模塊

本裝置通過改變海水管道進水口內(nèi)水體環(huán)境的方式，從源頭抑制微生物吸附。但對于部分管道口已存在吸附生物的老舊管道仍需設(shè)置一次性清理裝置。

裝置采用鐘表指針結(jié)構(gòu)，由驅(qū)動桿、旋轉(zhuǎn)桿、固定滑塊組成。旋轉(zhuǎn)桿一端固定于驅(qū)動桿中點處，驅(qū)動桿中點始終位于海水管道中心軸處，固定滑塊有兩個分別固定于旋轉(zhuǎn)桿兩端，二者成90°垂直固定，以防止旋轉(zhuǎn)桿側(cè)倒，滑塊可以在管道內(nèi)部滑動。驅(qū)動桿與旋轉(zhuǎn)桿迎水面均為長風(fēng)扇形狀，海水從管道口進入時驅(qū)動桿與旋轉(zhuǎn)桿前進，由于桿迎水面成風(fēng)扇狀面，因此兩桿在前進時也會隨之旋轉(zhuǎn)。而在旋轉(zhuǎn)桿遠端為角塊，可以在旋轉(zhuǎn)過程中刮下附著在管道內(nèi)壁上的海洋生物。由于對管道內(nèi)水體環(huán)境的改變，不會有新生污損生物附著在管道內(nèi)，清理裝置只需進行一次清理即可。通過實驗，得到清理時間，在工作一段時間后，裝置自行解體，隨管道進入管道原有設(shè)計的過濾網(wǎng)中，進行收集。

2.2.3 能量供電模塊

由于裝置的磁化模塊，需要輸入高頻交變電流來維持磁場的強度，因此采用移動充電裝置作為供電模塊，供電模塊主要由海面漂浮平臺、電線、升壓裝置組成。

為方便定期更換電池，海洋漂浮平臺內(nèi)置有電池，同時裝置也可與其他海洋發(fā)電設(shè)備，如太陽能發(fā)電、波浪能發(fā)電設(shè)備等直接相連，以實現(xiàn)能源供應(yīng)。

電線包含于特殊軟管之中，電線一端與海洋漂浮平臺相連，另一端與磁化模塊上升壓裝置相連。

升壓裝置主要位于磁化模塊上，主要用升壓裝置來將電壓升高到所需強度，電壓經(jīng)過升壓模塊升高后直接加在勵磁線圈之中。

2.2.4 可調(diào)節(jié)模塊

調(diào)節(jié)模塊主要實現(xiàn)調(diào)節(jié)磁感應(yīng)強度與通信的功能，具體可分成兩個部分。

由于海水管道在一年中不同時期被附著生物侵入的頻率并不是恒定不變的，相反有規(guī)律可循，因此可以根據(jù)附著污染生物的密度來調(diào)節(jié)磁化模塊產(chǎn)生的磁場強度。同時采用脈沖間歇式電流為裝置供電，實現(xiàn)裝置的即用即停，從而減少電量的損耗。

通信部分位于海洋漂浮平臺上，主要用于發(fā)送和接收各種指令，當(dāng)裝置中電池本身儲存電量減少到一定程度時，裝置通過通信模塊向總船發(fā)送對應(yīng)指令與位置，總船定期更換電池。

2.3 工作流程

本裝置設(shè)計有兩個工作模式，即磁化模式與靜默模式。

當(dāng)海洋污損生物處于繁殖高峰期時（如夏秋季節(jié)），磁化裝置通過遠程控制進入磁化模式并進行高頻率工作，并可以根據(jù)海洋污損生物的密度適當(dāng)?shù)卣{(diào)整產(chǎn)生的磁場強度大小與工作頻率；當(dāng)海洋污損生物處于傳播低谷期時，磁化裝置通過遠程控制進入靜默模式，開始由持續(xù)磁化轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄆ陂g隔磁化狀態(tài)。裝置工作流程如圖2 所示。

圖2 裝置工作流程圖

3 效益分析

海洋生物（生物污損）在海水管道內(nèi)大量生長會明顯阻塞管道，特別是一些小型幼蟲蟲卵，會輕易躲過濾網(wǎng)依附于管道內(nèi)壁之上進行生長繁殖，這不僅影響相關(guān)設(shè)備工作性能，減少使用壽命，還會增加運轉(zhuǎn)能耗。以下分兩個方面對裝置產(chǎn)生的效益進行分析。

3.1 節(jié)能減排效益

減少管道堵塞：由于海水管道內(nèi)部水流單向流動，大量生物附著生物必然導(dǎo)致可能管道堵塞，從而影響抽水設(shè)備使用壽命，還會增加運轉(zhuǎn)能耗，耗費更多能源。同時管道內(nèi)污損生物產(chǎn)生生物酸堿會影響水質(zhì)，增加后續(xù)凈化難度。

假設(shè)管道通徑Φ=1.6 m，設(shè)計深度35 m（壓強P=5.1×106Pa），聯(lián)合抽水泵單體功率P=100 kW，設(shè)計流量Q=15 m3/min。查閱資料可知，當(dāng)海洋污損生物附著后，通流面減小會產(chǎn)生流量損失γ=2%～5%。

則實際抽水泵工作功率為：

海水淡化站一天工作12 h，則每單體泵可節(jié)約電量（Pp－P）×12=63.12 kW·h。

即通過本項目優(yōu)化后，降低聯(lián)合抽水泵的能耗，節(jié)省63.12 kW·h 電能，節(jié)能減排效益可觀。

3.2 經(jīng)濟效益

減少管道腐蝕：以微生物所致海底管道腐蝕占主要部分，而微生物腐蝕海水管道主要以孔蝕為主。微生物引起的局部腐蝕速率破壞速率約為v=1 mm/年，一個正常海水管道的厚度s≈12 mm，則最快出現(xiàn)孔蝕的時間t=s/v，考慮到管道新舊的因素（假設(shè)從第5 年開始海洋微生物污損達到一定程度，開始對管道產(chǎn)生影響），則t=12 年，即從17 年之后便開始對管道進行修補型維護。

海底管道腐蝕深度對于剩余壽命及失效壓力的影響如圖3 所示。

圖3 海底管道腐蝕深度對于剩余壽命及失效壓力的影響

相比之下，采用本裝置可有效避免微生物污損進入管道內(nèi)部對管道造成影響，可有效提高使用年限10～20 年左右，具有一定的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

本裝置主要應(yīng)用于海水管道內(nèi)部生物附著的清理，裝置可以直接外掛在海水管道入水口，裝卸方便，并且從源頭阻止微生物在內(nèi)壁附著，也無需進入管道內(nèi)，使用方便。同時，本裝置經(jīng)過改進后還可應(yīng)用于其他類型管道（如船舶管道、湖泊淡水管道、排水管道等）進水口，未來應(yīng)用前景較大。