科考表層海水采水系統規劃與設計1

李健樂，楊日魁，鞠家輝，常景龍，隋以勇，任 杰

（1. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海），廣東珠海 519000；2. 中山大學，a. 系統科學與工程學院；b. 海洋科學學院，廣州 510275）

0 引言

近年來，國家提出“海洋強國”“海上絲綢之路”等戰略目標[1]。海洋科技作為國家科技水平和綜合實力的重要標志[2]，世界各國均把海洋科學考察船隊建設作為探索海洋、開發海洋、管控海洋的最重要手段之一[1]，我國大力投資建設各種新型海洋科考船、探測船，在建的海洋科考船數量居世界首位[3]。

海洋學科可細分為物理海洋、海洋化學、海洋生物、海洋大氣、海洋地質等諸多專業。學科專業的復雜性和多樣性對船舶平臺搭載能力提出了可擴展、個性化的需求[4]。其中，走航狀態下連續抽水分析是海洋化學、海洋生物和海洋生態等學科開展海洋調查的最基本且有效的科研調查手段，因而多要素的表層海水分析系統（簡稱“分析系統”）屬于常規海洋科考船標配的專業設備之一。科考表層采水系統（簡稱“采水系統”）既是分析系統采樣的支撐單元，又是全船實驗海水的供水單元。分析系統輸出數據的有效性和精度除受設備自身因素影響外，也與采水系統息息相關。因此，良好的采水系統既是分析系統進行連續、穩定、真實測量的基礎保證，又是海洋科考船開展科考作業的關鍵支撐。

本文對常規科考表層海水采水系統污損積垢現象的成因進行分析，基于行業現狀和系統原理對科考表層海水采水系統優化進行深入的技術探索，并給出優化方案，以期為海洋科考船表層科考海水采水系統的建設和迭代升級提供思路和方向。

1 現狀分析

海洋科考船通常配置有手動控制的采水系統，在真空泵的作用下通過采水管道將艏部表層海水輸送到艙內所需場所，供實驗室和各類分析儀器等使用。

1.1 概述

船舶行業內通常將排污系統的輸出口布置在艏部左側，因此，采水系統的采集口通常開設在艏部右側的水位線下[5]。根據船級社的相關要求，采集口的通海端設有通海閥。為解決科考需求，在采水系統的后管道內安裝過濾大顆粒雜物的濾網，在濾網后安裝快速溫度傳感器以獲取最接近原位現場的海水溫度?？蓪⒃摐囟扰c艙內分析儀器測量的水溫進行對比，必要時可用于校準修正。

為滿足淡水沖洗和潔凈空氣吹干的需求，采水系統通常同時接駁沖洗淡水和船用壓縮空氣，在航次結束、船舶靠碼頭等情況下，可利用淡水對采水管路進行沖洗，并使用壓縮空氣吹干管路。采水系統一般具備采水、淡水清洗、吹干等3種模式。系統原理較為簡單，按照操作模式需要對管路系統的閥門進行合理設置即可。沖洗和吹干的手動操作步驟如下：1）關閉進取水閥門，打開排水閥門，打開透氣孔的單向閥門，把管路里殘留的海水通過排水管道實驗室的地漏排出艙外；2）關閉取水閥門，打開沖洗淡水閥門、啟動取水泵，引入淡水對主管路進行沖洗；3）關閉淡水接入閥門，打開船用壓縮空氣閥門，用高壓空氣持續吹干管路。常規采水管系的系統原理見圖1。

圖1 常規采水管系系統原理圖

1.2 常規采水系統的弊端

對多艘現役海洋科考船的管路拆檢，發現經過手動沖洗、吹干操作，采水和供水管路依然存在鹽垢、海生污染物等累積問題，管內的積垢腐蝕較為嚴重。

在船舶靠港、停航后，雖經過清洗吹干操作，但水管內仍殘留部分海水和海生物，這些會成為二次污染源。史艷華等[6]對不銹鋼316L 管路在殘留海水中的點蝕現象進行了研究，結果表明：316L 不銹鋼的點蝕與Cl-的離子濃度關系密切，點蝕程度隨著Cl-離子濃度的增加先增大后減弱，當Cl-離子濃度為3%時，點蝕最嚴重。隨著殘留海水中的水分逐漸蒸發，Cl-的離子濃度不斷升高，為二次電化學腐蝕提供了基礎條件。在殘留海水對海生物腐蝕的第二階段，生物膜的形成有不可忽視的促進作用[7-8]。常規采水管路內的污染情況見圖2，不銹鋼法蘭件內的結晶鹽、海生物污染較為嚴重。

圖2 常規采水管路內的污染情況

根據航次使用情況，推測分析管路污染與以下因素密切相關：1）不同海域的海溫和鹽度的變化；2）手動采水系統存在清洗盲區，部分支路無法清洗吹干；3）人工依靠經驗操作缺陷，存在清洗不到位、未吹干等偶然性操作問題。

綜上原因，在走航海水分析系統作業時，表層海水流經被海生物、鹽垢污染的管路后，必然受到二次污染，引起成分含量的變化，分析儀器所檢測的海水要素已與現場原位海水不同，影響海洋科考調查數據結果的準確性。

2 技術探索

采水系統在現代工業中應用廣泛，但在復雜的海洋環境中，需要更加縝密的設計和考量。因船體結構、海區溫度鹽度、科研分析儀器等諸多差異，不同海洋科考船采水系統的作業環境幾乎均不相同。因此，從原理設計上解決共性的核心問題是重中之重，本文以共性問題為導向，從以下4 個方面進行改進和優化。

2.1 管路的絕熱隔溫

海洋生物、生態要素的測量分析與水溫關系較大，即使是同一水樣品，在不同溫度下實測數據都會存在明顯差異[9]。走航海水分析系統的多個傳感器，如測量水中二氧化碳（CO2）體積分數、pH 值、總堿度等傳感器的結果均與測量水溫息息相關。此外，溫度過高會使海藻中的部分酶失活[10]，而蛋白酶是海洋化學關于海洋新藥物發現的重要部分。蔡潔等[11]建議從入水口到分析點的水溫差建議不得高于0.5 ℃。溫度變化越小，測量結果越接近原位值。因此，在設計方面，需要做好輸送水管路的絕熱隔溫；在工程方面，要盡量縮短采水管路的長度；在工藝方面，要做好必要的絕熱保溫工藝，包含選用絕熱保溫材料和雙相不銹鋼管等材質，特別要關注保溫材料的包裹工藝。此外，為避免316L不銹鋼的點蝕問題，鈍化膜厚度要根據實際情況作出相應調整。

2.2 采水口的布置

采水口的選擇和布置直接影響到管路的工程施工，蔡潔等[11]認為取水口應盡量布置于側推裝置之前。通常情況下，海洋科考船的艏部均配有側推裝置，為避免側推裝置對表層海水產生影響，一種合理的做法是將采水口設置在艏側推的前部。然而，在實際工程中要在有限的船艏側推前部有限空間上尋找合適的布置位置難度較大。此外，管路延長、多次穿艙均增加了工程實施難度和保溫效果。在艏側推作業時，艏部附近的水體會受到明顯擾動。從流場分布情況看，在動力定位運行后，艏側推隧道口前后半徑5～10 m 區域的水體均會受到較大的擾動，采水口周邊水體受到擾動，特征參數被破壞，采水分析會失去科學價值。

輸送水管路的延長對末端水體溫度的變化存在負向影響。過度追求將采水口布置在側推的前端，在艏尖區域狹小的空間內布置采水口和相關裝置，也將給后期的維護增加困難。動力定位作業時長占比偏小，側推在大部分時間里屬于關閉狀態，對表層海水的分析影響不大。根據上述分析，綜合考慮管路長度、穿艙情況、保溫條件等因素，在海洋科考船艏部區域的合適位置合理布置采水口即可。

2.3 管路循環流通

為增加系統管路的自清潔和消殺能力，引入實驗室常用的藥劑循環浸泡的概念，在采水任務完成后，自動將消毒桶里的消毒液注入管道，在管道內進行循環浸泡。

為滿足循環浸泡的要求，管路系統設計要滿足全管路可循環、可沖洗、可吹干的要求，保證在出水口使用端關閉的前提下所有支路都可構成一個循環流通的閉環，避免由于某些支路無法清洗、吹干而對管路造成二次腐蝕。因此，要對所有管路進行控制邏輯分解，在不同作業模式時，均能保證水流/氣流按照設計的要求在管道內循環流動。要合理設置單向電控閥門和雙向電控閥門，這些閥門除開關作用外，還可為各分支路建立起阻斷和聯通的橋梁。

2.4 全自動邏輯控制

海上科考作業任務繁重，船上實驗技術人員的工作負擔和壓力較大，傳統采水系統的人工控制難免出現經驗性和偶然性錯誤。此外，采水的運維管理需要根據科考調查需要進行動態調整，人工操作存在明顯的不便性和滯后性。按照作業模式，對采水、沖洗、消殺、吹干等流程進行智能控制非常關鍵。

在進行采水系統設計時，引入中央邏輯控制器，除少量與船舶安全相關的閥門（如通海閥等）采用手控外，其余均使用電控閥，在各主/支路之間架起啟閉的橋梁。每條管路均能在中央單元的邏輯控制下切換采水、沖洗、消殺、吹干等作業模式，有效避免傳統采水系統人工控制中出現的經驗性和偶然性錯誤。

根據實際情況，對系統控制邏輯進行合理的迭代調整，使整套采水系統始終保持最佳的工作狀態。此外，邏輯控制系統也能大大增強系統的可擴展性，借助靈活的邏輯動作組合使一些特殊的采樣需求成為可能，如設置不同航次、航區的采水模式等。

3 工程實現

為滿足循環浸泡的要求，在管路中增加一個容量合適的消毒桶并接駁到消毒支路上。在完成采水任務且排干后，自動將消毒桶里的消毒液注入管道，在管道內進行循環浸泡，實現管路自清潔和消殺的效果。根據工作任務需要，對該系統的模式動作進行分解，再按照工作情景進行動作組合?；緢绦袆幼靼脝?、采水、排出海水、淡水注入、排出淡水、壓縮空氣吹干、注入藥劑液、藥劑循環浸泡、排干藥劑液、循環沖洗、關閉所有電控閥門等，每個執行動作均由程序自動控制，按照邏輯控制要求打開關閉所需閥門等，其中，藥劑循環浸泡和排干藥劑步驟是自清潔的關鍵。

本文采用可編程邏輯控制器，搭載彩色觸摸屏，通過觸摸屏可實現啟?？刂啤存I和參數設置。編程采用模塊化、結構化相結合的方式完成執行動作的分解和組合，對系統內的電控閥門進行啟閉邏輯控制。

采水管路系統的工作情景及動作組合情況見表1。為了保證系統的穩定可靠運行，采用1#泵和2#泵雙通道雙泵互備模式。

表1 采水管路系統工作情景及動作組合

為監測和調節采水、沖洗、消殺、吹干等狀態，在各個主/支管路上根據執行動作的需要設置流量調節閥、電控閥門、流量傳感器和壓力傳感器，在進行流量和壓力監控的同時，利用流量傳感器和壓力傳感器檢測獲得的管路內水流瞬時動態數據，提供給控制單元作為工作情景的邏輯判斷依據，進而對壓力和流量進行優化調節控制。

考慮實際工程中傳感器精度隨時間漂移、管路長度、管徑、現場生產與設計存在的偏差等因素，系統采用觸摸屏實現人機交互，在使用中可根據航次的需要進行參數優化，包括各執行動作的啟閉時長、報警閾值等。所有參數可按照不同工作情景模式進行設置和保存，保證各個執行動作的運行效果。

系統可在執行任務時采集和記錄各監測數據，包含系統時間、泵轉速、各閥門流量、流速、壓力、入口水溫、出口水溫、經緯度、啟停時間等。數據可根據需要通過工業通訊協議向外發布，方便第三方軟件進行采集，以作為科考數據分析的參考依據。

為實現本地和遠程管理，除本地觸摸屏外，系統也搭載有遠程控制觸摸屏，可滿足在本地、遠程進行運行狀態監控和控制的要求。任何情況下均可通過觸摸屏對系統的運行狀態進行調節，包括開關機、修改運行參數、改變運行狀態等。改進后的系統結構見圖3。

圖3 改進后的系統結構圖

本文提出的改進方案已在某新海洋科考船上正式運行，經實際科考航次使用證明，改進后的系統可有效提升操作的便利性、使用的可靠性和穩定性，以及系統反應速度。

4 結論

本文分析了常規科考表層海水采水系統污損積垢現象的成因，基于行業現狀和系統原理對科考表層海水采水系統優化進行了深入的技術探索，并給出了優化方案，研究表明：改進后的系統可有效提升操作的便利性、使用的可靠性和穩定性，以及系統反應速度。研究成果可為科考船表層科考海水采水系統的建設和迭代升級提供一定參考。

致謝

感謝上海瑞業自動化有限公司為本研究提供圖紙和部分圖片。