“雪龍2”號冰區(qū)表層海水采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

袁東方 王碩仁 陳清滿 劉志兵 廖周鑫 夏寅月

(1中國極地研究中心, 上海 200136;2中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院, 上海 200011)

提要 表層海水采集系統(tǒng)是現(xiàn)代科學(xué)考察船裝備的基礎(chǔ)科考設(shè)備, 通過連續(xù)水樣采集, 可以為走航觀測設(shè)備、實驗室以及培養(yǎng)容器連續(xù)提供表層海水, 并獲取表層海水pCO2、溫度、鹽度、葉綠素、營養(yǎng)鹽等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。南、北極科考要求表層海水采集系統(tǒng)在南北極浮冰區(qū)以及南大洋區(qū)域提供實時、高保真以及連續(xù)的表層海水。由于極地考察海域的特殊性, 表層海水采集系統(tǒng)常會遇到問題, 如: 在浮冰區(qū)經(jīng)常被碎冰堵塞吸口導(dǎo)致無法正常供應(yīng)表層海水、海洋生物在管道內(nèi)附著導(dǎo)致管道污染、海水在輸送過程中升溫導(dǎo)致無法保持其原位狀態(tài)、管道生銹污染海水等。為解決上述問題, “雪龍2”號在“雪龍”號的基礎(chǔ)上, 對防冰堵、海水高保真、實時性、防海生物污染等幾個關(guān)鍵技術(shù)點進(jìn)行重點設(shè)計, 成功建成了一套可在冰區(qū)連續(xù)運行作業(yè)的表層海水采集系統(tǒng), 經(jīng)過中國第36次南極考察一個航次實踐, 大概率降低冰堵情況的發(fā)生, 獲取了大量珍貴的科考數(shù)據(jù)。

0 引言

表層海水采集系統(tǒng)是現(xiàn)代科考船的基礎(chǔ)科考裝備, 可以為表層海水監(jiān)測系統(tǒng)、實驗室監(jiān)測和分析儀器以及現(xiàn)場培養(yǎng)提供連續(xù)表層海水, 獲取表層海水中的溫度、鹽度、營養(yǎng)鹽、葉綠素、pCO2、pH、溶解氧和甲烷等觀測數(shù)據(jù)。南北極科考利用表層海水采集系統(tǒng), 可以提供實時、高保真以及連續(xù)的表層海水, 并成功獲取大空間尺度的海洋表層數(shù)據(jù)。例如: 2008年瑞典“奧登”號(Oden)破冰船從瑞典哥德堡駛往南極洲麥克默多站, 發(fā)現(xiàn)表層海水中均含六氯化苯(α-HCH、γ-HCH)、六氯苯(HCB)、硫丹和多氯聯(lián)苯(PCB)等持久性有機污染物[1]。我國利用“雪龍”號配備的表層海水采集系統(tǒng)和分析設(shè)備, 獲取了連續(xù)的走航觀測數(shù)據(jù)(圖1)[2-3], 成功描繪出橫跨南北極大斷面的海洋表層CO2分布, 并且通過2008年我國第3次北極科學(xué)考察航次對加拿大海盆的觀測, 得出北極海冰融化可增加海洋對大氣CO2的吸收, 但很快就達(dá)到平衡, 顯示海冰融化對北冰洋CO2的吸收能力提高并沒有原來預(yù)期的強烈[4]。

圖1 中國第8次北極科學(xué)考察獲取的表層海水溫度(上)和鹽度(下)數(shù)據(jù)Fig.1.Temperature and salinity of surface water along the cruise during 8th Chinese Arctic Research Expedition

1 “雪龍”號表層海水采集系統(tǒng)

“雪龍”號極地科考破冰船購自烏克蘭, 原為一艘極區(qū)運輸船,為滿足極地考察之需而經(jīng)多次改造, 增加了多套科考設(shè)備和作業(yè)輔助裝置,其中就包括表層海水采集系統(tǒng)。

該系統(tǒng)在左舷水線下4 m處設(shè)置一個進(jìn)水口,在進(jìn)水口和水泵(轉(zhuǎn)子泵)間設(shè)有一個約1.5 m3容積的水箱, 在水箱低位和高位分別設(shè)有1個吸口(圖2), 使用轉(zhuǎn)子泵將表層海水輸送到實驗室以及甲板現(xiàn)場實驗培養(yǎng)箱。水箱可以起到緩解碎冰堵塞吸口的作用, 當(dāng)碎冰進(jìn)入系統(tǒng)后,表層海水采集系統(tǒng)采用低位吸口, 整個系統(tǒng)仍然可以正常工作, 但是當(dāng)浮冰逐漸堵塞主吸口后, 整個系統(tǒng)就無法供水。系統(tǒng)水箱及部分管路采用普通鋼制材料, 銹蝕會導(dǎo)致表層海水受到一定的污染。

圖2 “雪龍”號吸口示意圖Fig.2.Schematic diagram of Xuelong suction port

“雪龍”號表層系統(tǒng)雖然存在一定缺陷, 但經(jīng)幾次升級改造, 系統(tǒng)功能已經(jīng)完善, 設(shè)備可靠,運行穩(wěn)定, 承擔(dān)了為近20個南、北極科學(xué)考察航次提供表層海水的任務(wù), 同時也積累了大量的冰區(qū)使用經(jīng)驗, 為“雪龍2”號表層海水采集系統(tǒng)的設(shè)計提供了技術(shù)儲備。依托“雪龍”號的表層海水采集系統(tǒng), 我國科研人員取得了北冰洋海洋酸化等一系列科研成果[5-6]。

2 “雪龍2”號表層海水采集系統(tǒng)設(shè)計特點

“雪龍2”號于2019年入列交付使用, 并于2019年10月開赴南極執(zhí)行中國第36次南極考察任務(wù)?！把?”號的入列極大地延長了我國在南北極作業(yè)的時間跨度, 因其強大的破冰性能, 可以比“雪龍”號更早進(jìn)入南北極冰區(qū)作業(yè), 也可以更晚從南北極返航。時間跨度的延長同時意味著“雪龍2”號在浮冰區(qū)航行的時間更長, 這對其搭載的表層海水采集系統(tǒng)提出了更高的要求。為了解決“雪龍”號表層海水系統(tǒng)存在的問題, 我們在“雪龍2”號研發(fā)前期就對表層海水采集系統(tǒng)設(shè)置了較高的技術(shù)指標(biāo), 并和船體結(jié)構(gòu)設(shè)計同步進(jìn)行, 充分利用目前成熟的產(chǎn)品和技術(shù), 設(shè)計并實現(xiàn)了一套能夠連續(xù)工作、實時、潔凈、防冰堵的表層海水采集系統(tǒng)。

“雪龍2”號表層海水采集可分正常取水、冰堵時反沖融冰和系統(tǒng)消毒清洗三種模式運行, 圖3采用不同的顏色標(biāo)識三種模式的運行路徑。正常取水模式采用粉色((2)→16→8→4→6→2→19→20→21→(6))和橙色((1)→15→7→3→5→1→19→20→21→(6))線路標(biāo)識, 其中紫色代表兩條線路間的聯(lián)絡(luò)線, 通過其可切換為(2)→16→8→4→6→24→1→19→20→21→(6)或(1)→15→7→3→5→24→2→19→20→21→(6); 冰堵時反沖融冰模式采用綠色((3)/(4)→12→4→8→16→(2))和青黃色((3)/(4)→11→3→7→15→(1))線路標(biāo)識; 系統(tǒng)消毒清洗模式采用紅色(3→5→1→19→20→22→9→3)和藍(lán)色(4→6→2→19→20→22→10→4)循環(huán)線路標(biāo)識。為了清晰顯示系統(tǒng)運行路徑, 本段用數(shù)字(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)標(biāo)識進(jìn)出口, 5、6、7、8、9、10、15、16、19、20、21、22標(biāo)識閥門, 3、4、20標(biāo)識濾器, 1、2標(biāo)識泵組。

圖3 “雪龍2”號表層海水采集系統(tǒng)圖Fig.3.Surface seawater collection system of Xuelong 2

2.1 實時性設(shè)計

“雪龍”號表層海水采集系統(tǒng)在水泵與吸水口之間會設(shè)置有一個約1.5 m3水箱, 通過水箱來防止冰堵, 但是水箱的存在也延長了海水從吸口到觀測系統(tǒng)(如FerryBox)的時間, 影響表層海水的實時性, 在“雪龍2”號的表層海水采集系統(tǒng)研制方案中我們?nèi)∠怂? 同時加大了采集海水泵的流量, 有效地縮短了海水在管道中輸送的時間, 提高了海水采集的實時性(圖4)。

圖4 “雪龍2”號吸口示意圖Fig.4.Schematic diagram of Xuelong 2 suction port

“雪龍”號表層海水采集系統(tǒng)中海底水箱的存在導(dǎo)致表層海水的實時性大打折扣, 15 kn船速、水泵流量20 m3·h-1、水管直徑125 mm、吸口至水泵20 m, 經(jīng)過計算:管路中的水的總體積V=水箱容積V箱+管路中水的容積V管=1.5+3.14×0.06252×20≈1.75 m3, 輸送時間T=V/Q=1.75/20=0.0875 h=5.25 min。其中, T為水在管路中流動的時間; V為管路中的水的總體積; Q為水泵流量。

理想狀態(tài)下吸口處的海水到達(dá)標(biāo)水泵需要5.25 min, 此時船舶航行距離L=H×T=15×0.0875≈1.3 nm。其中, H為船速: 15 kn; L為航行距離。

以同樣的數(shù)據(jù), 取消水箱后,“雪龍2”號表層水系統(tǒng)輸送時間T=V/Q=3.14×0.1252×20/20=0.012 h=0.72 min, 此時船舶航行距離L=H×T=15×0.012=0.18 nm。

取消水箱后的效果非常明顯, 若以同樣參數(shù)設(shè)計“雪龍2”系統(tǒng), 表層海水從吸口至水泵只需要不到1 min的時間, 船舶航行0.18 nm, 大大提高了表層海水樣品的精度和實時性。

2.2 高保真設(shè)計

表層海水是表層海水觀測系統(tǒng)(如FerryBox)、實驗室儀器以及甲板培養(yǎng)箱的用水來源, 要求海水中的微生物、藻類以及海水物理參數(shù)在管道中保持不變, 這對海水的高保真性提出了要求。但是在現(xiàn)實使用中管道的保溫性能不能完全阻止海水溫升; 管道的腐蝕、生銹會污染海水; 水泵的旋轉(zhuǎn)會破壞微生物、藻類等等。針對以上問題, 我們從管道材質(zhì)、保溫材料以及水泵等環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)研和設(shè)計, 采用不銹鋼真空雙壁管、轉(zhuǎn)子泵等設(shè)備, 保障表層海水在管路輸送中的高保真性。

“雪龍2”號的表層海水系統(tǒng)布置在泵倉內(nèi)。泵倉由于泵的運轉(zhuǎn)等, 其內(nèi)部環(huán)境溫度跟外界海水溫度的溫差很大, 表層海水流經(jīng)泵倉后海水溫升要求要很小才能保證海水的高保真性,這對表層海水管路絕緣要求很高。經(jīng)過前期論證和市場調(diào)研, 我們選擇了一種不銹鋼真空雙壁管, 采用內(nèi)外雙層不銹鋼預(yù)制管道, 雙層管之間抽真空從而能使這種管材具備良好的絕緣保溫效果, 從而保證了表層海水系統(tǒng)的高保真性的要求。圖5和表1為常規(guī)的絕緣管道和雙壁管的對比。

圖5 a)傳統(tǒng)絕緣管道; b)不銹鋼真空雙壁管Fig.5.a) conventional insulated pipes; b) stainless steel vacuum double-wall pipes

表1 傳統(tǒng)絕緣管道和不銹鋼真空雙壁管對比Table 1.Comparison of conventional insulated pipe with stainless steel vacuum double-wall pipe

水泵是表層水系統(tǒng)中最核心的部件, 水泵的選型至關(guān)重要, 如: 泵的運行應(yīng)安全可靠, 泵殼和機械密封等不會污染水體, 泵在運行時不會破壞海水中的生物細(xì)胞, 可方便進(jìn)行流量壓力調(diào)節(jié),對于含有碎冰等顆粒物的海水也能正常工作。經(jīng)過對目前市場上各種型號的水泵以及各個品牌之間水泵的調(diào)研, 加上“雪龍”號表層水水泵的使用經(jīng)驗, 最終選擇轉(zhuǎn)子泵。該型泵的特點是結(jié)構(gòu)簡單、零部件少、維修方便、可靠性高; 泵腔和齒輪箱之間有一個隔離腔, 避免了油對海水的污染; 轉(zhuǎn)子采用橡膠材質(zhì), 避免了重金屬及油類對海水的污染; 轉(zhuǎn)子之間存在縫隙, 對海水中的微生物、藻類等不會造成破壞; 能夠輸送帶有碎冰的海水, 不會對泵本身造成損壞; 機械密封帶潤滑, 在管路被碎冰堵塞后, 即使干磨也不會損壞泵體, 這在南北極應(yīng)用中具有優(yōu)勢。

2.3 防冰堵設(shè)計

在南北極使用表層海水系統(tǒng)面臨的最大問題是吸口的冰堵。沖撞式破冰航行中, 一些碎冰會沿著船底順流至吸口附近, 經(jīng)過一定時間的積累,管道以及濾器就會被冰堵塞, 導(dǎo)致水泵無法吸水?！把垺碧柋韺雍Ｋ杉到y(tǒng)在水泵與吸水口之間會設(shè)置一個水箱, 通過水箱的緩沖來防止冰堵, 這在稀疏浮冰區(qū)有一定效果, 但是根據(jù)“雪龍”號的使用經(jīng)驗, 在稍微密集浮冰區(qū)的冰堵現(xiàn)象仍然較為嚴(yán)重。

根據(jù)天津大學(xué)冰池試驗錄像分析, “雪龍”號在7節(jié)速度破冰(密集度100%)過程中, 碎冰會沿著船底漂至吸口附近(圖6a 紅色區(qū)域), 在表層海水系統(tǒng)運行過程中容易吸入碎冰發(fā)生冰堵?！把?”號在以中速破冰過程中(密集度100%), 碎冰進(jìn)入船底的部分要遠(yuǎn)小于船舷部位。

基于冰池試驗分析, “雪龍2”號在表層海水采集系統(tǒng)研發(fā)階段就提出了在受浮冰影響最小的地方增加吸口的建議。經(jīng)過多輪研討后, “雪龍2”號在船底箱型龍骨尾部設(shè)置了一個備用吸口(圖6b 黑色區(qū)域), 備用吸口的投入可以有效緩解冰堵問題。

圖6 a)“雪龍”號冰池實驗 (天津大學(xué)); b)“雪龍2”號的冰池試驗(ARKER)Fig.6.a) ice pool test of Xuelong (Tianjin University); b) ice pool test of Xuelong 2 (ARKER)

“雪龍2”號在取消了水箱以及對系統(tǒng)吸口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上, 為了在冰堵后能夠快速解決堵塞并恢復(fù)使用, 針對性地設(shè)計了一套除冰結(jié)構(gòu), 能夠用蒸汽和壓縮空氣對堵塞濾器進(jìn)行融冰和吹除。當(dāng)濾器被堵塞后, 系統(tǒng)自動發(fā)出報警,此時可以開啟除冰模式, 系統(tǒng)會按照設(shè)定好的程序打開或關(guān)閉相關(guān)閥門, 蒸汽閥打開后蒸汽進(jìn)入管路, 利用高溫蒸汽融化濾器內(nèi)的碎冰, 融化后蒸汽壓力會將碎冰反向吹出。

“雪龍2”號在管路和電氣設(shè)計上都進(jìn)行了冗余設(shè)計。本系統(tǒng)具有兩路取水口, 一是舷側(cè)取水口, 二是船底部取水口; 同時本系統(tǒng)具備兩套海水泵組及管路, 在一套取水口或濾器及管路發(fā)生冰堵時可自動切換至另一套管路進(jìn)行供水, 供水的自動切換信號來自于管路中壓力傳感器的信號。取水口及海水泵的冗余設(shè)計保證了取水的連續(xù)性和可靠性。

2.4 防海生物污染

由于“雪龍2”號在海上航行時間較長, 表層海水管道內(nèi)會有海洋生物附著, 包括細(xì)菌、真菌、藻類等。海洋生物的附著不僅會腐蝕管道[7], 還會污染表層海水, 造成數(shù)據(jù)誤差。為了解決海洋生物附著和管道腐蝕問題, 表層海水采集系統(tǒng)使用一段時間后就需要進(jìn)行沖洗和消毒, 達(dá)到清潔管路、防止海洋生物附著、保養(yǎng)管路的目的?！把?”號表層水系統(tǒng)配置有一套反沖洗消毒裝置, 可以自動控制向表層海水的管系中注入淡水, 同時計量泵會注入一定濃度的消毒水, 在轉(zhuǎn)子泵的轉(zhuǎn)動下消毒水在系統(tǒng)內(nèi)不斷地循環(huán)達(dá)到對管路進(jìn)行消毒殺菌的作用。

3 實際應(yīng)用

3.1 中國第36次南極科學(xué)考察航次中的應(yīng)用情況介紹

中國第36次南極科學(xué)考察于2019年10月15日從上海出發(fā), 2020年4月23日返回母港, 歷時198天。該航次中“雪龍2”號的航線緯度跨越南北半球, 并在高緯度地區(qū)完成了環(huán)南極的航行, 為全面系統(tǒng)地檢驗表層海水連續(xù)采集系統(tǒng)提供了便利條件。航次中除經(jīng)過他國專屬經(jīng)濟區(qū)和?？看a頭期間, 其余時間表層海水連續(xù)采集系統(tǒng)均連續(xù)運行, 合計運行時間達(dá)3790余小時, 其中浮冰區(qū)運行時間約1000 h。測試中連續(xù)不斷地為FerryBox、實驗室儀器以及培養(yǎng)箱等提供新鮮、潔凈的表層海水。運行期間“雪龍2”號實驗室安排專人對系統(tǒng)運行情況進(jìn)行巡視檢查, 并執(zhí)行周度、月度和季度維護(hù)保養(yǎng)工作。

該航次中“雪龍2”號通過采用該系統(tǒng)獲取了大量的連續(xù)、珍貴的表層海水相關(guān)數(shù)據(jù), 為第36次南極科學(xué)考察提供了強有力的保障。具體情況如下。

1.在清水區(qū), 系統(tǒng)使用水線下4 m的取水口進(jìn)行取水, 系統(tǒng)持續(xù)運行一切正常。

2.在極地冰區(qū)使用時, 實驗室將系統(tǒng)取水口切換到低位吸口, 系統(tǒng)能夠正常采集表層海水。

3.在低航速和低密集度浮冰區(qū)整個系統(tǒng)連續(xù)運轉(zhuǎn)無冰堵現(xiàn)象發(fā)生。

4.在5成以上密集度浮冰區(qū), “雪龍2”號以12節(jié)速度連續(xù)航行時, 系統(tǒng)正常連續(xù)運行時間超過24 h; 長時間連續(xù)工作的海底門吸口偶爾有冰堵情況發(fā)生, 使用系統(tǒng)自帶的除冰模式后系統(tǒng)能很快地恢復(fù)正常取水。

5.系統(tǒng)采用的雙壁管保溫性能良好, 海水吸口附近和檢測系統(tǒng)所在位置測得的海水溫差較小,確保了表層海水的溫度數(shù)值的真實性。

6.實驗室每7天執(zhí)行一次系統(tǒng)管路清洗、消毒、淡水沖洗、海水潤洗的過程, 確保管道內(nèi)潔凈且無生物附著。每15天切換運行泵組一次, 確保每個泵組均得到充分的磨合和休整。每30天進(jìn)行一次濾器的拆洗、清潔, 確保進(jìn)水順暢。

7.表層海水采集系統(tǒng)采用了可編程邏輯控制器(PLC), 每臺轉(zhuǎn)子泵使用一臺變頻器驅(qū)動, 可以精確地控制泵的流量; 泵出口主管路上設(shè)置一個三通恒壓閥, 可以根據(jù)實驗室用水量調(diào)節(jié)開度;PLC程序根據(jù)實驗室用水量對三通閥和變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié), 表層海水系統(tǒng)在低速航行或者實驗室用水量少的情況下轉(zhuǎn)子泵會以低速運行, 達(dá)到節(jié)能減排的目的。

8.設(shè)計了友好的人機界面以及豐富的控制功能, 設(shè)計了取水模式、除冰模式以及消毒模式,正常情況下一鍵操作, 出現(xiàn)故障報警后自動保護(hù),極大地減輕了實驗室人員的操作壓力。

3.2 積累經(jīng)驗和升級改造

表層海水連續(xù)采集系統(tǒng)順利通過中國第36次南極科學(xué)考察現(xiàn)場的應(yīng)用檢驗, 在使用過程中也積累了一些新的經(jīng)驗, 為后續(xù)的優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。

1.系統(tǒng)在密集浮冰區(qū)偶有冰堵發(fā)生的現(xiàn)象。冰堵問題是在冰區(qū)航行時最常見也是最難解決的問題, 后期將結(jié)合船舶線型對冰池試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理, 對海水進(jìn)口的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改善, 盡可能減少發(fā)生冰堵的概率。

2.雖然使用了真空雙壁管等新產(chǎn)品新技術(shù),但是目前安裝的雙壁管真空度無法在現(xiàn)場進(jìn)行檢測, 而真空度是管路實現(xiàn)保溫絕緣的重要前提。后期將在管路上增加真空表, 現(xiàn)場可直觀地檢查雙壁管真空是否被破壞, 如真空度不符合設(shè)定值,將采取措施重新抽真空或用其他保溫絕緣措施進(jìn)行處理。

3.表層海水系統(tǒng)的水泵和主要管路均位于機艙內(nèi), 機艙溫度較高, 雖然主要管路采用了雙壁真空管, 但是分支管路以及泵體仍有部分熱交換存在, 將對薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行保溫絕緣處理。

4 結(jié)論

“雪龍2”號表層海水采集系統(tǒng)針對實時性、高保真、防冰堵、防海生生物污染等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了重點研發(fā), 避免了“雪龍”號表層海水采集系統(tǒng)出現(xiàn)的問題。在中國第36次南極考察中, 表層海水采集系統(tǒng)作為最基礎(chǔ)的科考裝置, 為 FerryBox、實驗室儀器以及培養(yǎng)箱等設(shè)備提供連續(xù)的表層海水, 獲取了大量的科考數(shù)據(jù), 同時也對這套系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行了有效驗證。雖然表層海水采集系統(tǒng)總體上能夠滿足在南北極作業(yè)的需求, 但是仍然存在一定的缺陷與不足, 例如仍然有冰堵發(fā)生、雙壁管真空度檢查問題以及附屬管路的保溫絕緣處理等, 有待進(jìn)行進(jìn)一步升級改造, 解決在實際應(yīng)用中存在的問題。通過不斷的改進(jìn), “雪龍2”號的表層海水采集系統(tǒng)將更加完善, 運行更加穩(wěn)定, 為我國南北極科考提供重要支撐。