“雪龍2”號冰區表層海水采集系統的設計與實現

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計研究院, 上海 200011)

提要 表層海水采集系統是現代科學考察船裝備的基礎科考設備, 通過連續水樣采集, 可以為走航觀測設備、實驗室以及培養容器連續提供表層海水, 并獲取表層海水pCO2、溫度、鹽度、葉綠素、營養鹽等基礎數據。南、北極科考要求表層海水采集系統在南北極浮冰區以及南大洋區域提供實時、高保真以及連續的表層海水。由于極地考察海域的特殊性, 表層海水采集系統常會遇到問題, 如: 在浮冰區經常被碎冰堵塞吸口導致無法正常供應表層海水、海洋生物在管道內附著導致管道污染、海水在輸送過程中升溫導致無法保持其原位狀態、管道生銹污染海水等。為解決上述問題, “雪龍2”號在“雪龍”號的基礎上, 對防冰堵、海水高保真、實時性、防海生物污染等幾個關鍵技術點進行重點設計, 成功建成了一套可在冰區連續運行作業的表層海水采集系統, 經過中國第36次南極考察一個航次實踐, 大概率降低冰堵情況的發生, 獲取了大量珍貴的科考數據。

0 引言

表層海水采集系統是現代科考船的基礎科考裝備, 可以為表層海水監測系統、實驗室監測和分析儀器以及現場培養提供連續表層海水, 獲取表層海水中的溫度、鹽度、營養鹽、葉綠素、pCO2、pH、溶解氧和甲烷等觀測數據。南北極科考利用表層海水采集系統, 可以提供實時、高保真以及連續的表層海水, 并成功獲取大空間尺度的海洋表層數據。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, 發現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和分析設備, 獲取了連續的走航觀測數據(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期的強烈[4]。

圖1 中國第8次北極科學考察獲取的表層海水溫度(上)和鹽度(下)數據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

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

該系統在左舷水線下4 m處設置一個進水口,在進水口和水泵(轉子泵)間設有一個約1.5 m3容積的水箱, 在水箱低位和高位分別設有1個吸口(圖2), 使用轉子泵將表層海水輸送到實驗室以及甲板現場實驗培養箱。水箱可以起到緩解碎冰堵塞吸口的作用, 當碎冰進入系統后,表層海水采集系統采用低位吸口, 整個系統仍然可以正常工作, 但是當浮冰逐漸堵塞主吸口后, 整個系統就無法供水。系統水箱及部分管路采用普通鋼制材料, 銹蝕會導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”號表層系統雖然存在一定缺陷, 但經幾次升級改造, 系統功能已經完善, 設備可靠,運行穩定, 承擔了為近20個南、北極科學考察航次提供表層海水的任務, 同時也積累了大量的冰區使用經驗, 為“雪龍2”號表層海水采集系統的設計提供了技術儲備。依托“雪龍”號的表層海水采集系統, 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設計特點

“雪龍2”號于2019年入列交付使用, 并于2019年10月開赴南極執行中國第36次南極考察任務。“雪龍2”號的入列極大地延長了我國在南北極作業的時間跨度, 因其強大的破冰性能, 可以比“雪龍”號更早進入南北極冰區作業, 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”號在浮冰區航行的時間更長, 這對其搭載的表層海水采集系統提出了更高的要求。為了解決“雪龍”號表層海水系統存在的問題, 我們在“雪龍2”號研發前期就對表層海水采集系統設置了較高的技術指標, 并和船體結構設計同步進行, 充分利用目前成熟的產品和技術, 設計并實現了一套能夠連續工作、實時、潔凈、防冰堵的表層海水采集系統。

“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消毒清洗三種模式運行, 圖3采用不同的顏色標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))線路標識, 其中紫色代表兩條線路間的聯絡線, 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))線路標識; 系統消毒清洗模式采用紅色(3→5→1→19→20→22→9→3)和藍色(4→6→2→19→20→22→10→4)循環線路標識。為了清晰顯示系統運行路徑, 本段用數字(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)標識進出口, 5、6、7、8、9、10、15、16、19、20、21、22標識閥門, 3、4、20標識濾器, 1、2標識泵組。

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

2.1 實時性設計

“雪龍”號表層海水采集系統在水泵與吸水口之間會設置有一個約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(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研制方案中我們取消了水箱, 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中海底水箱的存在導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。

理想狀態下吸口處的海水到達標水泵需要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。

以同樣的數據, 取消水箱后,“雪龍2”號表層水系統輸送時間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, 若以同樣參數設計“雪龍2”系統, 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 高保真設計

表層海水是表層海水觀測系統(如FerryBox)、實驗室儀器以及甲板培養箱的用水來源, 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; 水泵的旋轉會破壞微生物、藻類等等。針對以上問題, 我們從管道材質、保溫材料以及水泵等環節進行詳細的調研和設計, 采用不銹鋼真空雙壁管、轉子泵等設備, 保障表層海水在管路輸送中的高保真性。

“雪龍2”號的表層海水系統布置在泵倉內。泵倉由于泵的運轉等, 其內部環境溫度跟外界海水溫度的溫差很大, 表層海水流經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。經過前期論證和市場調研, 我們選擇了一種不銹鋼真空雙壁管, 采用內外雙層不銹鋼預制管道, 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的高保真性的要求。圖5和表1為常規的絕緣管道和雙壁管的對比。

圖5 a)傳統絕緣管道; 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

水泵是表層水系統中最核心的部件, 水泵的選型至關重要, 如: 泵的運行應安全可靠, 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胞, 可方便進行流量壓力調節,對于含有碎冰等顆粒物的海水也能正常工作。經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研, 加上“雪龍”號表層水水泵的使用經驗, 最終選擇轉子泵。該型泵的特點是結構簡單、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; 轉子采用橡膠材質, 避免了重金屬及油類對海水的污染; 轉子之間存在縫隙, 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, 這在南北極應用中具有優勢。

2.3 防冰堵設計

在南北極使用表層海水系統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, 經過一定時間的積累,管道以及濾器就會被冰堵塞, 導致水泵無法吸水。“雪龍”號表層海水采集系統在水泵與吸水口之間會設置一個水箱, 通過水箱的緩沖來防止冰堵, 這在稀疏浮冰區有一定效果, 但是根據“雪龍”號的使用經驗, 在稍微密集浮冰區的冰堵現象仍然較為嚴重。

根據天津大學冰池試驗錄像分析, “雪龍”號在7節速度破冰(密集度100%)過程中, 碎冰會沿著船底漂至吸口附近(圖6a 紅色區域), 在表層海水系統運行過程中容易吸入碎冰發生冰堵。“雪龍2”號在以中速破冰過程中(密集度100%), 碎冰進入船底的部分要遠小于船舷部位。

基于冰池試驗分析, “雪龍2”號在表層海水采集系統研發階段就提出了在受浮冰影響最小的地方增加吸口的建議。經過多輪研討后, “雪龍2”號在船底箱型龍骨尾部設置了一個備用吸口(圖6b 黑色區域), 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); 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吸口進行優化設計的基礎上, 為了在冰堵后能夠快速解決堵塞并恢復使用, 針對性地設計了一套除冰結構, 能夠用蒸汽和壓縮空氣對堵塞濾器進行融冰和吹除。當濾器被堵塞后, 系統自動發出報警,此時可以開啟除冰模式, 系統會按照設定好的程序打開或關閉相關閥門, 蒸汽閥打開后蒸汽進入管路, 利用高溫蒸汽融化濾器內的碎冰, 融化后蒸汽壓力會將碎冰反向吹出。

“雪龍2”號在管路和電氣設計上都進行了冗余設計。本系統具有兩路取水口, 一是舷側取水口, 二是船底部取水口; 同時本系統具備兩套海水泵組及管路, 在一套取水口或濾器及管路發生冰堵時可自動切換至另一套管路進行供水, 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計保證了取水的連續性和可靠性。

2.4 防海生物污染

由于“雪龍2”號在海上航行時間較長, 表層海水管道內會有海洋生物附著, 包括細菌、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, 造成數據誤差。為了解決海洋生物附著和管道腐蝕問題, 表層海水采集系統使用一段時間后就需要進行沖洗和消毒, 達到清潔管路、防止海洋生物附著、保養管路的目的。“雪龍2”號表層水系統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, 在轉子泵的轉動下消毒水在系統內不斷地循環達到對管路進行消毒殺菌的作用。

3 實際應用

3.1 中國第36次南極科學考察航次中的應用情況介紹

中國第36次南極科學考察于2019年10月15日從上海出發, 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, 并在高緯度地區完成了環南極的航行, 為全面系統地檢驗表層海水連續采集系統提供了便利條件。航次中除經過他國專屬經濟區和停靠碼頭期間, 其余時間表層海水連續采集系統均連續運行, 合計運行時間達3790余小時, 其中浮冰區運行時間約1000 h。測試中連續不斷地為FerryBox、實驗室儀器以及培養箱等提供新鮮、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運行情況進行巡視檢查, 并執行周度、月度和季度維護保養工作。

該航次中“雪龍2”號通過采用該系統獲取了大量的連續、珍貴的表層海水相關數據, 為第36次南極科學考察提供了強有力的保障。具體情況如下。

1.在清水區, 系統使用水線下4 m的取水口進行取水, 系統持續運行一切正常。

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

3.在低航速和低密集度浮冰區整個系統連續運轉無冰堵現象發生。

4.在5成以上密集度浮冰區, “雪龍2”號以12節速度連續航行時, 系統正常連續運行時間超過24 h; 長時間連續工作的海底門吸口偶爾有冰堵情況發生, 使用系統自帶的除冰模式后系統能很快地恢復正常取水。

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

6.實驗室每7天執行一次系統管路清洗、消毒、淡水沖洗、海水潤洗的過程, 確保管道內潔凈且無生物附著。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天進行一次濾器的拆洗、清潔, 確保進水順暢。

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

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

3.2 積累經驗和升級改造

表層海水連續采集系統順利通過中國第36次南極科學考察現場的應用檢驗, 在使用過程中也積累了一些新的經驗, 為后續的優化提供了基礎。

1.系統在密集浮冰區偶有冰堵發生的現象。冰堵問題是在冰區航行時最常見也是最難解決的問題, 后期將結合船舶線型對冰池試驗數據進行分析整理, 對海水進口的結構形式進行改善, 盡可能減少發生冰堵的概率。

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

3.表層海水系統的水泵和主要管路均位于機艙內, 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, 將對薄弱環節進行保溫絕緣處理。

4 結論

“雪龍2”號表層海水采集系統針對實時性、高保真、防冰堵、防海生生物污染等關鍵技術進行了重點研發, 避免了“雪龍”號表層海水采集系統出現的問題。在中國第36次南極考察中, 表層海水采集系統作為最基礎的科考裝置, 為 FerryBox、實驗室儀器以及培養箱等設備提供連續的表層海水, 獲取了大量的科考數據, 同時也對這套系統的設計進行了有效驗證。雖然表層海水采集系統總體上能夠滿足在南北極作業的需求, 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, 有待進行進一步升級改造, 解決在實際應用中存在的問題。通過不斷的改進, “雪龍2”號的表層海水采集系統將更加完善, 運行更加穩定, 為我國南北極科考提供重要支撐。