水聲換能器防海生物附著方法及工藝研究

羅 松, 宋 堅, 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2, 劉寶軍2, 周昳慧2, 梁 黎1,2

(1. 海洋工程裝備檢測試驗技術國家工程實驗室, 云南 昆明, 650051; 2. 昆明船舶設備研究試驗中心, 云南 昆明, 650051)

針對海底固定基座安裝應用環境的水聲換能器防海生物附著需求, 分析了海生物生長環境特點及生活習性, 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。將有關方法和工藝措施應用在近海區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定檢測信號達3年以上, 應用實踐驗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水下結構裝置浸入到海水后, 很快會被多種細菌貼附,細菌的分泌物又具有膠粘性, 可使海水中的微生物和營養碎屑不斷貼附, 形成牢固的粘膜附著在水下結構裝置表面[1-3], 為海生物附著提供了良好的硬質附著基礎條件和食物來源。在營養、水溫、陽光、氧氣和鹽度都適宜的情況下, 附著海生物會快速生長, 特別是在近海和油氣導管架下部, 有人群生活排放物的水下環境, 如果淺海環境溫度高、光線好并屬于富氧區, 海生物附著生長特別快, 每年可達數厘米至數十厘米量級。

水聲換能器外部常采用硫化透聲橡膠, 一般情況下1個月內即可見到海生物附著在其表面。水下結構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, 電化學產生的腐蝕可以采用抗腐蝕材料及陰極保護等措施, 已有成熟的措施來保證水下結構裝置在設計壽命期內長期安全工作; 海生物附著會帶來水下結構裝置負重、受力面增加及結構功能失效等問題, 嚴重威脅著其安全運行, 需要定期清理, 極大地增加了水下裝備維護成本。目前, 針對防海生物附著的長效、可根治的解決辦法和措施還未見報道。

表1 水聲換能器防海生物附著常用方法

表1所示方法中, 針對運動狀態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], 開發能降解、弱毒性且具長效的試劑已成為趨勢[6-8]。而對水下長久固定安裝應用的水聲換能器, 要求具有長久穩定的性能, 現有方法都不能滿足其防海生物附著持久性要求, 同時存在實施困難、會產生腐蝕等不足。為此, 文中通過分析海生物生存環境及生長習性, 總結了不同防治海生物附著方法的特點, 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境, 以及驅離海生物的角度, 在水聲換能器外部采取了以包敷為主的、環保的防海生物附著綜合性對抗措施, 并開展了相應的工藝方法研究, 應用實踐證明該方法在不影響水聲換能器檢測性能的基礎上, 可以達到長久防海生物附著的目的。

1 海生物生存習性和環境特點

防海生物附著機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, 還需進一步了解海生物生活習性和生存環境特點, 從中找出對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出海生物的主要生活習性和生存條件如下[1-4, 9-10]。

1) 合適的水溫條件。一般認為在深水低溫環境和冬季, 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, 故水下結構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碎屑和水中微生物, 故海洋油氣平臺導管架淺水潮差帶和人類群居近海區域水下結構裝置上的海生物附著較多; 而在深遠海有珊瑚、水質能見度極好的水域及遠離人類居住的海域, 海生物附著較少。

3) 合適的鹽度條件。一般認為最適宜海生物生存的鹽度為1.5%～4%, 幼蟲時喜鹽度低, 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。在淺水區潮差帶有富氧和良好的光線環境條件, 水下結構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, 需要尋找相對較硬的著陸基礎條件, 如石頭、鋼材及混泥土等硬質水下結構物。

以上條件均是海生物生存和生長重要的環境條件, 欠缺任何一個條件, 都會影響海生物的附著生存環境, 從而產生防海生物附著的效果。圖1是航標燈水下結構部件管內外的海生物附著情況對比(時間約1年, 外部附著物厚度約5 cm, 內部極少)。可以看出, 管內外環境的不同, 使得海生物附著情況存在很大差異, 例如, 管內光線暗、營養物少就影響了海生物的附著。此外, 環保的防海生物附著方法應具備不使用毒性試劑, 不殺死海生物, 可長效對抗海生物附著的特點。

圖1 密閉腔體內外海生物附著情況

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、經濟有效, 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, 但毒料的釋放也會污染港灣和海洋環境, 破壞海洋生態平衡, 并通過食用海產品威脅人類健康。上世紀80年代起, 新的海洋環境保護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保、持久長效、耐泡且附著力強的防污生物漆的研制。

此外, 防污生物漆應具有耐海水浸泡及在透聲材料上附著力強等特點; 應是環保的易降解類、有機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, 也會采取在換能器的透聲硫化材料中復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。應用實踐表明, 防污生物漆涂料的有效期一般為1～2年, 隨著時間的延長, 也會逐漸附著海生物。

2.2 電解海水防污技術及使用

海水是一種含有多種鹽類的電解質, 濃度約為3%, 其中70%是NaCL, 可通過電解海水產生殺死或驅離海生物的物質, 并具有環保優點。海水電解時在陽極和陰極的電解反應式如下[8,11-12]。

陽極反應式

陰極反應式

海水電解法使用在密閉的環境, 常用于水下油氣生產系統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, 需要人為創造一個適當的環境布放電極, 程控定時電解海水控制強氧化劑濃度, 以達到持久長效驅離海生物的目的。

2.3 其他防海生物附著的技術及方法

防海生物附著的方法一般有化學和物理二種方式[1-6]。化學驅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, 有時還會在防污生物漆中添加辣味素等來增強對海生物的驅離效果。物理驅離方法有加熱高溫、超聲波振動、強電脈沖, 以及定時機械結構清掃等方法, 破壞海生物細胞或組織, 達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電解海水防海生物附著的原理, 在被防生物附著結構表面涂覆軟箔與導電涂膜相結合的導電涂料[13], 以防止冷卻水管道內的海生物附著, 使用證明該方法環保且長期有效。

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、溫度、氧氣、鹽度和硬著陸等環境條件, 其中營養、溫度和硬著陸等基礎條件尤為重要。受海區環境及與人群聚居點遠近等條件的影響, 使海生物附著生長存在較大差異。針對水下不同使用狀態的水聲換能器, 應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方法相結合的綜合防治措施, 以期滿足持久、長效、無毒環保, 且方便水下工程實施的要求。

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2年內水下固定安裝的水聲換能器。可準備細密高強度的纖維布1塊, 帶毛面的高強度纖維布1塊, 條形纖維布袋3個(內含濕態A/B組分的濕態防海生物漆約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(非信號檢測位置), 捆扎前在其根部內固定盛裝濕態防海生物漆的2個布袋。

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

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。包敷布內形成了密閉腔體, 腔體中的濕態防污生物漆刺激性強(安裝現場配制, 不固化), 緩慢釋放在腔體內, 會延長防污生物漆的時效, 起到持久長效驅離海生物的作用。同時換能器外層表面有包敷的毛面纖維布, 其提供的環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

針對長期(4年內)水下固定安裝的水聲換能器, 準備細密高強度的纖維布2塊, 帶毛面的高強度纖維布1塊, 條形纖維布袋4個(內含濕態A/B組分的濕態防海生物漆約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個盛裝濕態防海生物漆的布袋(非信號檢測位置)。

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

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個盛裝濕態防海生物漆的布袋。

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的防污生物漆會減緩釋放, 起到持久長效驅離海生物的作用。同時再用毛面(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落實電解法等措施, 通過周期性短時程控工作方式, 進一步阻止、驅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效。配合水聲換能器表面不利的附著條件, 長年對抗水聲換能器海生物附著。

4 工藝實施說明及效果

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

圖2 包敷換能器的工藝結構示意圖

圖3是水聲換能器基陣海底固定安裝時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, 創造晃動及不利附著的環境用于對抗防海生物附著, 該水聲換能器基陣在水下30 m持續工作已有3年多, 檢測性能基本穩定(被動聲吶基陣工作頻率2～6 kHz, 信號檢測能力穩定, 圖像聲吶工作頻率430 kHz, 信號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。

圖3 包敷的水聲換能器在海床安裝示意圖

5 結束語

針對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, 人為創造環境條件, 并添加多類別防治措施的方案。該方案綜合了物理、化學等不同方法, 含有破壞海生物硬著陸條件和驅離、隔離措施, 增強生物漆刺激效果及延長時效等功能, 可彌補單一方法的不足, 增強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, 具有推廣應用前景。

[1] 黃建南. 水聲換能器工程實施中的防海生物附著[J]. 應用聲學, 1984(2): 17-20.

[2] 黃修明, 尹建德, 劉建軍, 等. 中國海污損生物區域性差異的研究[J]. 海洋科學, 1993(2): 29-31.

[3] 陳翔峰, 侯健, 穆振軍, 等. 海洋污損生物變化及附著規律研究[J]. 材料開發與應用, 2011, 26(1): 24-28.

Chen Xiang-feng, Hou Jian, Mu Zhen-jun, et al. Study on the Adhesion and Variety of Marine Fouling Organisms[J]. Development and Application of Materials, 2011, 26(1): 24-28.

[4] 胡永明, 趙佳寧, 王子堂. 海生物對南海導管架平臺結構強度的影響[J]. 天津科技, 2018, 11(11): 39-41.

Hu Yong-ming, Zhao Jia-ning, Wang Zi-tang. Marine Growth Effect on Structural Strength of Jacket Platforms in South China Sea[J]. Tianjin Science & Technology, 2018, 11(11): 39-41.

[5] 馬志忠, 周吉平. 防污生物漆對透聲性能的影響[J]. 涂料工業, 1985(2): 4, 16-18.

[6] 陳瑤, 羅馬奇. 換能器表面防海生物試劑研究進展[J].聲學與電子工程, 2018(2): 23-26.

[7] 張立俠. 防海生物污損技術初探[J]. 橡塑資源利用, 2006(2): 7-11.

[8] 謝志鵬, 王晶晶, 黃從樹等. 無毒防污技術研究進展[J]. 材料開發與應用, 2011, 26(1): 85-88.

Xie Zhi-peng, Wang Jing-jing, Huang Cong-shu, et al. The Development of the Non-toxic Antifouling Technology[J]. Development and Application of Materials, 2011, 26(1): 85-88.

[9] 劉巍, 羅松. 海洋平臺導管架的生物危害和防治技術分析[J]. 石油礦場機械, 2014, 43(10): 61-64.

Liu Wei, Luo Song. Discussion of Offshore Platform Spud Leg Anti-Marine Organism Technology[J]. Oil Field Equi- pment, 2014, 43(10): 61-64.

[10] 劉繼華, 錢士強. 海洋生物附著及其防護技術[J]. 腐蝕與防護, 2010, 31(1): 78-81.

Liu Ji-hua, Qian Shi-qiang. Marine Bioadhesion and Defenses[J]. Corrosion and Protection, 2010, 31(1): 78-81.

[11] 李軍威, 田俊杰, 馬光皎. 電解防污技術及其實際應用情況探析[J]. 全面腐蝕控制, 2015, 29(10): 44-47.

Li Jun-wei, Tian Jun-jie, Ma Guang-jiao. Electrolytic Anti-Fouling System and Actual Applying Cases Analysis[J]. Total Corrosion Control, 2015, 29(10): 44-47.

[12] 商云祥, 何耀春. 電解海水防污技術[J]. 船舶工程, 1981(1): 37-42.

[13] 吳始棟, 用導電涂膜防止海生物附著[J]. 技術與工藝, 2000(3): 36-37.

Wu Shi-dong. The Electrified Coating for Anti-marine Foulings[J]. Marine Equipment/Materials & Marketing, 2000(3): 36-37.

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, 劉寶軍, 等. 水聲換能器防海生物附著方法及工藝研究[J]. 水下無人系統學報, 2021, 29(3): 333-337.

2020-03-19;

2020-06-26.

科技部重大專項子課題(2016ZX05028-005-005).

羅 松(1964-), 男, 碩士, 研究員, 主要研究方向為水下聲磁探測裝備研發應用.

(責任編輯: 楊力軍)