深海玻璃浮球綜述

王華文，董為勇

(國家浮法玻璃重點實驗室，蚌埠 233000)

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深海玻璃浮球綜述

王華文，董為勇

(國家浮法玻璃重點實驗室，蚌埠 233000)

摘要：浮標、潛標系統是海洋科考中的重要技術裝備，而深海玻璃浮球則是浮標、潛標系統中的重要構成。該文介紹了深海玻璃浮球的應用現狀以及國內研發情況，說明了選擇深海玻璃浮球作為浮力系統的原因以及其在浮標、潛標系統中起到的作用，指出了深海玻璃浮球研究制備需要考慮的問題，簡單敘述了蚌埠玻璃工業設計研究院深海浮球的研究開發情況。

關鍵詞：深海玻璃浮球；浮標系統；潛標系統

浮標、潛標技術是20世紀60年代由一些海洋發達國家開始使用并發展起來的。浮標、潛標系統是海洋環境調查的重要技術裝備，在惡劣的海洋環境條件下，可以無人值守，對海洋水文、氣象諸要素進行長期、連續、同步、自動、全面的綜合監測，具有觀測時間長、隱蔽、不易受海面環境條件影響等優點，在國內外海洋科考中得到了廣泛應用。

1潛標系統

潛標系統基本構成，見圖1。此系統主要由重塊、聲學釋放器、玻璃浮球、調查儀器、信標、纜繩和扣環組成。

1)重塊的作用是固定整個系統，不讓其被海流沖走。

2)聲學釋放器是一種緊湊的、利用微控制器控制的高可靠的聲學釋放系統。應用水聲通信原理，通過一對水聲換能器進行通訊，控制釋放機構執行脫鉤動作，釋放錨定沉塊，實現浮體帶著儀器上浮。

3)玻璃浮球分兩類，一類是儀器浮球，里面可以放置儀器設備；還有一類是單純提供浮力的，是整套系統中浮力的承擔者。玻璃浮球是系統能否成功回收的關鍵。

4)調查儀器根據海洋科考的目的而定，常見的有ADCO海流計、沉積物捕捉器等。

5)信標可以方便系統浮出海面后進行定位查找，且夜間會有燈光閃爍。

6)纜繩和扣環的作用主要是把各主要連接部件連為一體。

2深海玻璃浮球

在這里我們主要討論玻璃浮球的作用。深海玻璃浮球，見圖2。

一般而言，玻璃浮球主要是為潛標系統提供浮力，具有3方面的功能。

1)支持系統中的有效荷載。所謂有效荷載就是指系統中的有關系留部件、串聯儀器、其他設備(如釋放器等)在水中的重量的總和。浮球提供凈浮力總和必須大于有效荷載，并且剩余一定的凈浮力，才能保證系統不沉入水底，并在布放回收時使系統漂浮在海面。

2)為系統提供儲備浮力，使系統具有一定的抗損能力。所謂儲備浮力是指潛標系統中，任一部位以下浮力部件的凈浮力與下面這段系統的有效負載(釋放器以下的部件除外)之差。儲備浮力沿系留索的分布均應是正值，而且還應有相當的盈余量，才能保證系統在任一部位斷裂后，下面那一部分仍能使儀器正常工作，并保證釋放器釋放錨之后，這剩余部分仍能返回海面。

3)使系統呈緊繃狀態，保持儀器良好的工作狀態。系統在水下工作時，受海流作用，不可避免的要偏離直立狀態，流體阻力越大系統傾斜越厲害。浮力部件的浮力則使其盡量保持直立狀態。在我們設計的千米潛標中所使用的海流計在正常工作時傾斜不能超過15°，所以必須在每個儀器層上增加足夠數量的玻璃浮球，使儀器的傾斜角度小于15°。

為什么選用玻璃浮球作為浮力提供裝置呢？這是因為它們都是透明的、輕質的、經濟的，耐腐蝕、易處理、有足夠的強度、無污染。因此，在過去50多年中，全世界的海洋學家一直在深海技術中選用玻璃浮球。玻璃浮球是一種獨特的、可靠的、經濟的，既可提供浮力，又可作為海洋環境下電子設備存儲元件的新型產品。

國外生產玻璃浮球的公司主要有美國的Teledyne Benthos公司和德國的SCHOTT DURAN @公司，同時在中國也設置了代理商。除此之外，日本也有自己的玻璃浮球產品。其中Teledyne Benthos公司是世界上生產玻璃浮球以及深海儀器浮球最好的公司，精益求精和持續提高的研發技術保證了深海玻璃浮球在極端環境下的可靠性；而先進的裝配技術和已申請專利的真空封閉法可以保證深海玻璃浮球的高品質以及更長的使用壽命，公司發貨之前為保證品質會對每一個玻璃浮球都進行密封壓力測試。Teledyne Benthos公司對已申請專利產權保護的浮球和儀器浮球均采用模具脫模制備工藝以保證精度，每個半球邊緣均研磨至非常平整。

3深海玻璃浮球保護殼

淺黃色的、有浮力的、聚乙烯硬質保護殼是每個玻璃浮球應具備的，可以為放在其中的玻璃浮球提供保護，免受機械碰撞，并且在使用玻璃浮球的時候更容易處理。硬質保護殼由法蘭和不銹鋼螺釘連接。邊緣處可以通過螺釘與安裝框架相連或者鎖到錨鏈的鏈條上。深海玻璃浮球保護殼，見圖3。

4深海玻璃浮球制備工藝

制備玻璃浮球時，這些玻璃半球先成對匹配，接著內部抽真空至低于0.3個大氣壓。抽真空過后，先在半球連接處涂上密封劑然后纏上保護膠帶。以這種方式密封好的球在常壓下幾乎是不可能用外力打開的。以直徑為43.2 m的浮球為例，打開需要超過880 kg的外力。

在玻璃儀器殼體上可以開一個鈦合金的真空接口以方便打開或者關閉球體。對于需要頻繁打開的浮球推薦使用這樣的真空接口。

深海玻璃浮球的制備方法主要考慮3個方面：1)選擇合適的玻璃成分；2)設計適宜的成型模具；3)玻璃浮球的后期打磨及密封工藝。

5深海玻璃浮球國內研發現狀

盡管玻璃浮球在過去的50多年里一直在深海技術中得到應用，但是國內一直沒有相關產品的出現,一直在進口國外的相關產品應用在實驗中。僅以青島海洋大學為例他們一年的使用量就在1 000個左右，而深海玻璃浮球的價格國外一般都在800~1 000美元/個。

蚌埠玻璃工業設計研究院也積極開展相關產品的開發研究。目前已經在玻璃配方和模具制造方面取得進展，解決了一系列問題，制備出玻璃浮球半球球體，為玻璃浮球的后期打磨處理以及密封工藝的探索奠定基礎，相關試驗人員正在積極準備相關性能驗證試驗，預計近期會有較大突破。

參考文獻

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[4] 周金磊.空心玻璃微珠/環氧樹脂復合材料的制備及性能研究[D].青島：中國海洋大學，2013.

Introduction of Deep Sea Glasspheres

WANGHua-wen，DONGWei-yong

(Float Glass State Key Laboratory,Bengbu 233010,China)

Abstract:Buoy system and submersible buoy system are important technical equipments in marine research.The deep sea glasspheres are important componants of buoy system and submersible buoy system.In this paper,we introduce the present situation and application of deep sea glasspheres,as well as domestic research and development.We also particularly introduce the reason of choosing deep sea glasspheres as buoyancy system and how it works in buoy system and submersible buoy system.We raise the problems needed to be considered in deep sea glasspheres preparation.At last,the paper briefly introduces the research and development of deep sea glasspheres in Bengbu Design and Research Institute for Glass Industry.

Key words:deep sea glasspheres；buoy system；submersible buoy system

作者簡介：王華文(1980-)，工程師.E-mail:huawenwang224@163.com

收稿日期：2015-08-07

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.06.003