水聲換能器防海生物附著方法及工藝研究

羅 松, 宋 堅(jiān), 劉寶軍, 周昳慧, 梁 黎

水聲換能器防海生物附著方法及工藝研究

羅 松1,2, 宋 堅(jiān)2, 劉寶軍2, 周昳慧2, 梁 黎1,2

(1. 海洋工程裝備檢測試驗(yàn)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室, 云南 昆明, 650051; 2. 昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心, 云南 昆明, 650051)

針對(duì)海底固定基座安裝應(yīng)用環(huán)境的水聲換能器防海生物附著需求, 分析了海生物生長環(huán)境特點(diǎn)及生活習(xí)性, 介紹了水聲換能器防治海生物附著的常用方法, 從建立不利于海生物生存生長環(huán)境的角度, 提出了在水聲換能器外部人為采取包敷、涂防海生物漆等綜合性的防海生物附著措施。將有關(guān)方法和工藝措施應(yīng)用在近海區(qū)域水下固定安裝的水聲換能器上, 可使水底高頻430 kHz探測聲吶的聲換能器穩(wěn)定檢測信號(hào)達(dá)3年以上, 應(yīng)用實(shí)踐驗(yàn)證了文中方法的有效性。

水聲換能器; 海生物附著; 防治

0 引言

橡膠、鋼材、混凝土和玻璃等硬質(zhì)水下結(jié)構(gòu)裝置浸入到海水后, 很快會(huì)被多種細(xì)菌貼附,細(xì)菌的分泌物又具有膠粘性, 可使海水中的微生物和營養(yǎng)碎屑不斷貼附, 形成牢固的粘膜附著在水下結(jié)構(gòu)裝置表面[1-3], 為海生物附著提供了良好的硬質(zhì)附著基礎(chǔ)條件和食物來源。在營養(yǎng)、水溫、陽光、氧氣和鹽度都適宜的情況下, 附著海生物會(huì)快速生長, 特別是在近海和油氣導(dǎo)管架下部, 有人群生活排放物的水下環(huán)境, 如果淺海環(huán)境溫度高、光線好并屬于富氧區(qū), 海生物附著生長特別快, 每年可達(dá)數(shù)厘米至數(shù)十厘米量級(jí)。

水聲換能器外部常采用硫化透聲橡膠, 一般情況下1個(gè)月內(nèi)即可見到海生物附著在其表面。水下結(jié)構(gòu)裝置長期在海水中擱置, 存在著防腐蝕和防海生物附著需求, 電化學(xué)產(chǎn)生的腐蝕可以采用抗腐蝕材料及陰極保護(hù)等措施, 已有成熟的措施來保證水下結(jié)構(gòu)裝置在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)長期安全工作; 海生物附著會(huì)帶來水下結(jié)構(gòu)裝置負(fù)重、受力面增加及結(jié)構(gòu)功能失效等問題, 嚴(yán)重威脅著其安全運(yùn)行, 需要定期清理, 極大地增加了水下裝備維護(hù)成本。目前, 針對(duì)防海生物附著的長效、可根治的解決辦法和措施還未見報(bào)道。

表1 水聲換能器防海生物附著常用方法

表1所示方法中, 針對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下使用的水聲換能器防海生物附著, 一般采用在硫化橡膠中添加防海生物試劑的方法[6-7], 開發(fā)能降解、弱毒性且具長效的試劑已成為趨勢[6-8]。而對(duì)水下長久固定安裝應(yīng)用的水聲換能器, 要求具有長久穩(wěn)定的性能, 現(xiàn)有方法都不能滿足其防海生物附著持久性要求, 同時(shí)存在實(shí)施困難、會(huì)產(chǎn)生腐蝕等不足。為此, 文中通過分析海生物生存環(huán)境及生長習(xí)性, 總結(jié)了不同防治海生物附著方法的特點(diǎn), 提出了一種用于水聲換能器防海生物附著的綜合防治方案, 從建立不利于海生物附著及生存的環(huán)境, 以及驅(qū)離海生物的角度, 在水聲換能器外部采取了以包敷為主的、環(huán)保的防海生物附著綜合性對(duì)抗措施, 并開展了相應(yīng)的工藝方法研究, 應(yīng)用實(shí)踐證明該方法在不影響水聲換能器檢測性能的基礎(chǔ)上, 可以達(dá)到長久防海生物附著的目的。

1 海生物生存習(xí)性和環(huán)境特點(diǎn)

防海生物附著機(jī)理的研究已較為成熟, 要有效地防止海生物附著于水聲換能器表面, 還需進(jìn)一步了解海生物生活習(xí)性和生存環(huán)境特點(diǎn), 從中找出對(duì)抗海生物附著有效的綜合治理措施。文中通過已有資料總結(jié)出海生物的主要生活習(xí)性和生存條件如下[1-4, 9-10]。

1) 合適的水溫條件。一般認(rèn)為在深水低溫環(huán)境和冬季, 海生物附著生長慢; 最適宜海生物生存的水溫是15～30℃, 我國東南沿海的水下溫度一年四季均適宜海生物生存, 故水下結(jié)構(gòu)裝置上的海生物附著量大, 生長較快。

2) 有食物來源。海生物的食物鏈主要為近岸人類生活排放的營養(yǎng)碎屑和水中微生物, 故海洋油氣平臺(tái)導(dǎo)管架淺水潮差帶和人類群居近海區(qū)域水下結(jié)構(gòu)裝置上的海生物附著較多; 而在深遠(yuǎn)海有珊瑚、水質(zhì)能見度極好的水域及遠(yuǎn)離人類居住的海域, 海生物附著較少。

3) 合適的鹽度條件。一般認(rèn)為最適宜海生物生存的鹽度為1.5%～4%, 幼蟲時(shí)喜鹽度低, 而在江河水港口, 基本無生物附著問題。

4) 有良好的氧氣和光線條件。在淺水區(qū)潮差帶有富氧和良好的光線環(huán)境條件, 水下結(jié)構(gòu)裝置上的海生物附著生長較快, 如深度0～35 m范圍, 附著海生物量大且生長較快(特別是晚上也有光照的條件下); 而在深水區(qū)含氧量少、光線弱, 海生物附著量較少, 如深度100 m以上范圍。

5) 有硬著陸條件。海生物在海邊泥土及海底粘土上難以附著, 需要尋找相對(duì)較硬的著陸基礎(chǔ)條件, 如石頭、鋼材及混泥土等硬質(zhì)水下結(jié)構(gòu)物。

以上條件均是海生物生存和生長重要的環(huán)境條件, 欠缺任何一個(gè)條件, 都會(huì)影響海生物的附著生存環(huán)境, 從而產(chǎn)生防海生物附著的效果。圖1是航標(biāo)燈水下結(jié)構(gòu)部件管內(nèi)外的海生物附著情況對(duì)比(時(shí)間約1年, 外部附著物厚度約5 cm, 內(nèi)部極少)。可以看出, 管內(nèi)外環(huán)境的不同, 使得海生物附著情況存在很大差異, 例如, 管內(nèi)光線暗、營養(yǎng)物少就影響了海生物的附著。此外, 環(huán)保的防海生物附著方法應(yīng)具備不使用毒性試劑, 不殺死海生物, 可長效對(duì)抗海生物附著的特點(diǎn)。

圖1 密閉腔體內(nèi)外海生物附著情況

2 防海生物附著方法及效果

2.1 防污生物漆及涂敷方法

防污生物漆涂敷是迄今為止最簡單、經(jīng)濟(jì)有效, 且最常用的水聲換能器防海生物附著方法。

早期的防污生物漆中加入了錫、銅、汞和鉛料等類重金屬毒料, 使海生物中毒而難以附著, 但毒料的釋放也會(huì)污染港灣和海洋環(huán)境, 破壞海洋生態(tài)平衡, 并通過食用海產(chǎn)品威脅人類健康。上世紀(jì)80年代起, 新的海洋環(huán)境保護(hù)法禁用或限制在防污生物漆中加入錫、銅、汞及鉛料等材料, 促使世界各國致力于環(huán)保、持久長效、耐泡且附著力強(qiáng)的防污生物漆的研制。

此外, 防污生物漆應(yīng)具有耐海水浸泡及在透聲材料上附著力強(qiáng)等特點(diǎn); 應(yīng)是環(huán)保的易降解類、有機(jī)物類或是低表面能類的防污生物漆[6]。為了使水聲換能器具有長久的防海生物附著效果, 也會(huì)采取在換能器的透聲硫化材料中復(fù)合添加防海生物試劑, 通過試劑的緩慢釋放阻止海生物附著, 增加防海生物附著時(shí)效和持久性。

防污生物漆涂敷在水聲換能器的透聲硫化橡膠表面, 經(jīng)常采用的涂敷方法是在布放水聲換能器前多次涂敷(2次以上), 每次間隔1～2 h, 其刺激性能阻止海水物靠近。應(yīng)用實(shí)踐表明, 防污生物漆涂料的有效期一般為1～2年, 隨著時(shí)間的延長, 也會(huì)逐漸附著海生物。

2.2 電解海水防污技術(shù)及使用

海水是一種含有多種鹽類的電解質(zhì), 濃度約為3%, 其中70%是NaCL, 可通過電解海水產(chǎn)生殺死或驅(qū)離海生物的物質(zhì), 并具有環(huán)保優(yōu)點(diǎn)。海水電解時(shí)在陽極和陰極的電解反應(yīng)式如下[8,11-12]。

陽極反應(yīng)式

陰極反應(yīng)式

海水電解法使用在密閉的環(huán)境, 常用于水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)中含有冷卻水管路裝備的管路通道中, 一般通過冷卻水流量大小來控制電解過程[8,12]。如用于水聲換能器的防海生物附著, 需要人為創(chuàng)造一個(gè)適當(dāng)?shù)沫h(huán)境布放電極, 程控定時(shí)電解海水控制強(qiáng)氧化劑濃度, 以達(dá)到持久長效驅(qū)離海生物的目的。

2.3 其他防海生物附著的技術(shù)及方法

防海生物附著的方法一般有化學(xué)和物理二種方式[1-6]。化學(xué)驅(qū)離方法有涂敷防污生物漆、海水電解法、紫銅條包敷以及密閉腔體法等, 有時(shí)還會(huì)在防污生物漆中添加辣味素等來增強(qiáng)對(duì)海生物的驅(qū)離效果。物理驅(qū)離方法有加熱高溫、超聲波振動(dòng)、強(qiáng)電脈沖, 以及定時(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)清掃等方法, 破壞海生物細(xì)胞或組織, 達(dá)到阻止海生物靠近或附著的目的。另外, 日本三菱重工股份有限公司依據(jù)電解海水防海生物附著的原理, 在被防生物附著結(jié)構(gòu)表面涂覆軟箔與導(dǎo)電涂膜相結(jié)合的導(dǎo)電涂料[13], 以防止冷卻水管道內(nèi)的海生物附著, 使用證明該方法環(huán)保且長期有效。

3 水聲換能器防海生物附著綜合措施

海生物生存和附著需要具備營養(yǎng)、溫度、氧氣、鹽度和硬著陸等環(huán)境條件, 其中營養(yǎng)、溫度和硬著陸等基礎(chǔ)條件尤為重要。受海區(qū)環(huán)境及與人群聚居點(diǎn)遠(yuǎn)近等條件的影響, 使海生物附著生長存在較大差異。針對(duì)水下不同使用狀態(tài)的水聲換能器, 應(yīng)充分考慮海生物附著的各種因素, 采用包敷、海水電解、防污生物漆涂敷以及隔離等物理和化學(xué)方法相結(jié)合的綜合防治措施, 以期滿足持久、長效、無毒環(huán)保, 且方便水下工程實(shí)施的要求。

1) 短期水下固定安裝的水聲換能器防海生物附著工藝

針對(duì)2年內(nèi)水下固定安裝的水聲換能器。可準(zhǔn)備細(xì)密高強(qiáng)度的纖維布1塊, 帶毛面的高強(qiáng)度纖維布1塊, 條形纖維布袋3個(gè)(內(nèi)含濕態(tài)A/B組分的濕態(tài)防海生物漆約100 ml), 捆扎繩少量備用。

水聲換能器水下安裝前, 用纖維布包敷水聲換能器表面, 在其根部捆扎固定(非信號(hào)檢測位置), 捆扎前在其根部內(nèi)固定盛裝濕態(tài)防海生物漆的2個(gè)布袋。

同樣, 用毛面(或勾面)纖維布包敷水聲換能器表面, 捆扎前在其根部內(nèi)固定1個(gè)盛裝濕態(tài)防海生物漆的布袋。

用纖維布包敷水聲換能器表面, 包敷布基本不影響聲換能器性能。包敷布內(nèi)形成了密閉腔體, 腔體中的濕態(tài)防污生物漆刺激性強(qiáng)(安裝現(xiàn)場配制, 不固化), 緩慢釋放在腔體內(nèi), 會(huì)延長防污生物漆的時(shí)效, 起到持久長效驅(qū)離海生物的作用。同時(shí)換能器外層表面有包敷的毛面纖維布, 其提供的環(huán)境不利于海生物附著。

2) 長期水下固定安裝水聲換能器的防海生物附著工藝

針對(duì)長期(4年內(nèi))水下固定安裝的水聲換能器, 準(zhǔn)備細(xì)密高強(qiáng)度的纖維布2塊, 帶毛面的高強(qiáng)度纖維布1塊, 條形纖維布袋4個(gè)(內(nèi)含濕態(tài)A/B組分的濕態(tài)防海生物漆約200 ml), 捆扎繩少量備用。

水聲換能器水下安裝前, 用柔性細(xì)密纖維布包敷水聲換能器表面, 在其根部捆扎固定, 捆扎前在其根部固定2個(gè)盛裝濕態(tài)防海生物漆的布袋(非信號(hào)檢測位置)。

再用柔性細(xì)密纖維布包敷水聲換能器表面, 捆扎前在其根部固定1個(gè)盛裝濕態(tài)防海生物漆的布袋。

同樣, 用毛面(或勾面)纖維布包敷水聲換能器表面, 捆扎前在其根部固定1個(gè)盛裝濕態(tài)防海生物漆的布袋。

通過多層纖維布包敷水聲換能器, 包敷布基本不影響水聲換能器性能。包敷布形成的密閉腔體不利海生物生存且腔體內(nèi)的防污生物漆會(huì)減緩釋放, 起到持久長效驅(qū)離海生物的作用。同時(shí)再用毛面(或勾面)布包敷換能器表面, 使海生物附著條件較差。

3) 長年水下固定安裝水聲換能器的防海生物附著工藝

在1)、2)所述的措施和工藝中, 采取在包敷形成的密閉腔體內(nèi)落實(shí)電解法等措施, 通過周期性短時(shí)程控工作方式, 進(jìn)一步阻止、驅(qū)離海生物在密閉腔體外靠近或附著, 延長防海生物附著措施的時(shí)效。配合水聲換能器表面不利的附著條件, 長年對(duì)抗水聲換能器海生物附著。

4 工藝實(shí)施說明及效果

需要強(qiáng)調(diào)的是, 文中所述包敷布具有強(qiáng)度高、柔性好, 且耐海水浸泡不變質(zhì)的特性, 不會(huì)因海水浸泡硬化, 不利于海生物硬著陸。纖維布包敷時(shí)不宜過緊, 捆扎應(yīng)牢固。圖2為水聲換能器的纖維布包敷工藝結(jié)構(gòu)示意圖, 在換能器透聲硫化層外有多層包敷布形成的密閉腔體結(jié)構(gòu)(方便時(shí)也可在包敷布上涂防海生物漆)。

圖2 包敷換能器的工藝結(jié)構(gòu)示意圖

圖3是水聲換能器基陣海底固定安裝時(shí)遙控水下航行器的攝像截圖, 含2層包敷纖維布和防污生物漆涂敷, 最外層包敷布為自粘布的毛面, 創(chuàng)造晃動(dòng)及不利附著的環(huán)境用于對(duì)抗防海生物附著, 該水聲換能器基陣在水下30 m持續(xù)工作已有3年多, 檢測性能基本穩(wěn)定(被動(dòng)聲吶基陣工作頻率2～6 kHz, 信號(hào)檢測能力穩(wěn)定, 圖像聲吶工作頻率430 kHz, 信號(hào)檢測能力無明顯下降), 說明采用的防海生物附著措施有效, 工藝方法得當(dāng)。

圖3 包敷的水聲換能器在海床安裝示意圖

5 結(jié)束語

針對(duì)在水下長期固定使用的水聲換能器防海生物附著需求, 提出一種以包敷為主, 人為創(chuàng)造環(huán)境條件, 并添加多類別防治措施的方案。該方案綜合了物理、化學(xué)等不同方法, 含有破壞海生物硬著陸條件和驅(qū)離、隔離措施, 增強(qiáng)生物漆刺激效果及延長時(shí)效等功能, 可彌補(bǔ)單一方法的不足, 增強(qiáng)了防海生物附著的持久效果, 且包敷布不含禁用材料。與常用的涂敷防海生物漆等單一的防海生物附著方法相比, 文中提出的水聲換能器防海生物附著方法和工藝, 有效解決了水聲換能器水下固定安裝的長期防海生物附著問題, 具有推廣應(yīng)用前景。

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Study on the Methods and Technics of Preventing Biological Attachment of Underwater Acoustic Transducer

LUO Song1,2, SONG Jian2, LIU Bao-jun2, ZOU Yi-hui2, LIANG Li1,2

(1. Kunming Shipborne Equipment Research Test Center, Kunming 650051, China; 2. National Engineering Laboratory for Test and Experiment Technology of Marine Engineering Equipment, Kunming 650051, China)

To meet the demand preventing biological attachment for underwater fixed installed acoustic transducers, the living habits and growing environment characteristics of marine organisms are analyzed, and common methods for preventing the biological attachment of underwater acoustic transducers are introduced. From the perspective of establishing not conducive to the living and the growth environment of marine organisms, a comprehensive prevention of the biological attachment technique of coating and environmental protection outside the underwater acoustic transducer is proposed. By implementing the relevant measures and process methods on underwater fixed installed acoustic transducer in an offshore area, the acoustic transducers of the underwater high-frequency 430 kHz detection sonar can stably detect the signal for more than three years, which verify the feasibility of the proposed method.

underwater acoustic transducer; biological attachment; preventing

TJ630.5

A

2096-3920(2021)03-0333-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.013

羅松, 宋堅(jiān), 劉寶軍, 等. 水聲換能器防海生物附著方法及工藝研究[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2021, 29(3): 333-337.

2020-03-19;

2020-06-26.

科技部重大專項(xiàng)子課題(2016ZX05028-005-005).

羅 松(1964-), 男, 碩士, 研究員, 主要研究方向?yàn)樗侣暣盘綔y裝備研發(fā)應(yīng)用.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)