超聲波技術在防治海生物中的應用

王 丹，鄭曉濤，于 超，謝小波

(中海油能源發展采油服務公司 技術中心，天津 300452)

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超聲波技術在防治海生物中的應用

王 丹，鄭曉濤，于 超，謝小波

(中海油能源發展采油服務公司 技術中心，天津 300452)

介紹新的防海生物技術——超聲波防海生物的特點，以及超聲波殺死海生物的工作原理，包括超聲波技術的不斷升級改造的過程，以及在海上平臺的應用案例，針對不同平臺海水系統存在問題，提出系統化解決方案，解決海上平臺的海生物污損問題。

防海生物；超聲波；海上平臺

海水作為廉價、方便的介質被廣泛應用于海上平臺及浮式結構的油氣生產中。但由于海水中存在大量的海生物(幼蟲及受精卵)，在適宜的環境條件下海生物將附著生長，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，導致成本加大和能源浪費，甚至造成生產工藝系統關斷停產。據不完全統計，目前渤海地區有平臺49座，7艘FPSO，海水系統均不同程度出現了海生物附著、堵塞的現象，每年花費大量資金進行海水濾器、主機中冷器等設備的清洗工作。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，但產生的有毒的氯和金屬離子給海洋環境造成一定的危害。近年來，超聲波作為一種新的防治海生物技術取得了階段性應用成果，具有無污染、運行維護成本低、可靠性高、兼容性好等特點[1-5]。為此，進行相關應用分析。

1 超聲波防海生物原理

超聲波信號發生器產生高頻振蕩信號，通過換能器轉換成每秒幾萬次的高頻機械振蕩，傳遞到液體中形成超聲波。液體在振動過程中產生數以萬計的微小氣泡，也就是空化泡。這些氣泡在超聲波縱向傳播中形成的負壓區生長，而在正壓區迅速閉合，從而在交替正負壓強下收到壓縮和拉伸作用。在氣泡被壓縮直至潰滅的一瞬間，會產生局部瞬時高溫、高壓，一般可高達幾十至上百MPa。據相關實驗測得：空化作用可以使氣相反應區的溫度達到5 200 K左右，液相反應區的溫度達到1 900 K，局部壓力在50.5 MPa。在這種連續不斷瞬間高壓和高溫強烈沖擊下，擊碎海生物的表皮細胞，從而達到防海生物的目的[6]。

2 超聲波裝置組成

超聲波防海生物裝置由超聲波信號發生器、換能器、變幅桿及振子組成。電能通過超聲波信號發生器和超聲換能器轉化為同頻率振動的機械能，由振子傳遞到海水中，形成超聲波聲場，通過“空化效應”殺死海生物。

信號發生器是將普通的市電，轉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鍵核心。變幅桿是超聲振幅的機械放大，提高超聲的功效，進一步增大換能器前端面的振幅。

3 超聲波防海生物技術發展

截止目前，超聲波防海生物裝置經歷了3個發展及應用階段，從最初單一的海水濾器內放置超聲波裝置，發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用于海水濾器內，在濾器內部設置有2塊超聲波振板，每塊超聲波振板的內部設置有若干振子，電源線由接線管保護并引出接線管和定位棒，將超聲波振板固定在蓋板上，見圖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平臺的防海生物中起到了良好的效果，連續工作數月而沒有海生物的附著污損，不需要進行開蓋清理，但也存在海水濾器內濾芯有泥沙海草等物的堵塞。

在該超聲波裝置使用過程中，出現了振板內部進水導致超聲波裝置無法工作的情況，原因在于超聲波的振動作用導致振板的焊縫裂開，海水進入內部。因此，發展了第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構改變，由多個小功率振子變為單體振子。其特點是功率大，單體作用強，壽命長，應用的范圍更廣，不僅可在海水濾器內應用，而且還能在管線內應用。振棒式解決了振板式存在的焊縫容易開裂的問題，僅是振子部分浸入水中，電路部分得到了保護。振棒式的超聲波振子結構見圖2。

圖2 振棒式超聲波裝置的振子

3.3 超聲波模塊化裝置

針對海水管線出現的海生物附著，堵塞并腐蝕管道的情況，經過多次嘗試性探索研究，成功推出了超聲波短節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用范圍，可以更好的解決整個海水系統及各用戶的海生物堵塞問題。

圖3 超聲波模塊化裝置

其中超聲波短節裝置已取得了實用新型專利，并在海上平臺成功應用，獲得了客戶的青睞，有效解決了海水管線的臟堵問題。

3.4 PO涂層應用

對于超聲波防海生物裝置，超聲波的空化效應作用在殺滅海生物的同時，也會造成海水濾器筒體和海水管道內壁防腐涂層脫落，導致筒體和管道的腐蝕破壞，圖4為超聲波對金屬板的防腐涂層破壞對比。防腐涂層被破壞，出現剝落、裂紋。

圖4 超聲波對金屬板防腐涂層破壞對比

通過研究發現，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，避免超聲波對濾器內壁防腐涂層的影響。

4 應用

截止到目前為止，超聲波防海生物裝置(包括之前應用的超聲波海水濾器)分別應用在海洋石油113FPSO、QHD32-6FPSO(渤海世紀號)、海洋石油161平臺、QK17-2平臺、BZ28-2SCEP平臺，有效解決海水濾器的臟堵問題，具有投入少、操作維護簡單、防護效率高等優點，減少了現場人工清理工作量，具體見表1。

表1 應用情況統計表

以BZ28-2SCEP平臺為例，具體展示下超聲波防海生物裝置的現場應用情況。根據現場調研情況，在BZ28-2SCEP平臺兩處加裝超聲波防海生物裝置，分別是：2臺籃式海水過濾器內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個月后第1次開蓋進行檢查，11個月后進行第2次開蓋檢查。圖5為超聲波防海生物裝置使用前后濾器內情況的對比。

圖5 BZ28-2SCEP平臺應用情況

結論。整個裝置不間斷工作330天。超聲波裝置狀態良好，濾芯內存積少量海生物；備用工具頭上附著少量水垢。

效果分析。經過查閱該平臺的工單，對海水濾器和冷卻器的清洗記錄進行統計，得到如圖6所示的結果。

圖6 工單統計

結果顯示，加裝超聲波防海生物裝置后，海水濾器的清洗次數為零，實現了零維護，效果顯著。

5 結論

超聲波防海生物技術，依靠超聲波的空化效應殺死海生物卵細胞和幼蟲，解決了海生物的卵細胞和幼蟲在海水系統內的附著和生長問題，節約了成本，降低了生產工藝系統故障概率。超聲波防海生物技術在實踐中不斷進行升級改進，由振板式發展到振棒式再到模塊化裝置的應用，為系統化解決海生物污損問題奠定了基礎。

超聲波防海生物裝置定位于中海油各類海上生產設施(海上平臺、FPSO等)，立足于全面解決海生物的防治方案，通過現場調研海水系統管線、設備的情況，根據存在的海生物污損位置和狀況，設計完整的解決方案，可更加有效地解決海生物的困擾問題。超聲波防海生物技術作為一種新興的技術，憑借超聲波高效、環保、易維護的特點，有廣泛的應用對象和前景。

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

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

[3] 劉姍姍,嚴濤.海洋污損生物防除的現狀及展望[J].海洋學研究,2006,24(4):53-54.[4] 黃運濤,彭喬.海洋生物污損的防治方法及研究進展[J].全面腐蝕控制,2004,18(1):3-4.

[5] 胡晗,李德堂.海洋石油281平臺防海生物系統的設計[J].中國造船,2010,51(191):117-120.

[6] 鄭曉濤,王丹,陳景峰.超聲波防海生物技術試驗研究[J].聲學技術,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用[J].化工自動化及儀表,2011,38(10):1203-1205.

[8] 張旭輝,楊勇,張紹謙.超聲波防海生物技術在FPSO上的應用研究[J].創新技術,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

中海油采油服務分公司項目(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、設備密封

E-mail:wangdanbulls2008@126.com