深海玻璃浮球综述

王华文，董为勇

(国家浮法玻璃重点实验室，蚌埠 233000)



深海玻璃浮球综述

王华文，董为勇

(国家浮法玻璃重点实验室，蚌埠 233000)

摘要：浮标、潜标系统是海洋科考中的重要技术装备，而深海玻璃浮球则是浮标、潜标系统中的重要构成。该文介绍了深海玻璃浮球的应用现状以及国内研发情况，说明了选择深海玻璃浮球作为浮力系统的原因以及其在浮标、潜标系统中起到的作用，指出了深海玻璃浮球研究制备需要考虑的问题，简单叙述了蚌埠玻璃工业设计研究院深海浮球的研究开发情况。

关键词：深海玻璃浮球；浮标系统；潜标系统

浮标、潜标技术是20世纪60年代由一些海洋发达国家开始使用并发展起来的。浮标、潜标系统是海洋环境调查的重要技术装备，在恶劣的海洋环境条件下，可以无人值守，对海洋水文、气象诸要素进行长期、连续、同步、自动、全面的综合监测，具有观测时间长、隐蔽、不易受海面环境条件影响等优点，在国内外海洋科考中得到了广泛应用。

1潜标系统

潜标系统基本构成，见图1。此系统主要由重块、声学释放器、玻璃浮球、调查仪器、信标、缆绳和扣环组成。

1)重块的作用是固定整个系统，不让其被海流冲走。

2)声学释放器是一种紧凑的、利用微控制器控制的高可靠的声学释放系统。应用水声通信原理，通过一对水声换能器进行通讯，控制释放机构执行脱钩动作，释放锚定沉块，实现浮体带着仪器上浮。

3)玻璃浮球分两类，一类是仪器浮球，里面可以放置仪器设备；还有一类是单纯提供浮力的，是整套系统中浮力的承担者。玻璃浮球是系统能否成功回收的关键。

4)调查仪器根据海洋科考的目的而定，常见的有ADCO海流计、沉积物捕捉器等。

5)信标可以方便系统浮出海面后进行定位查找，且夜间会有灯光闪烁。

6)缆绳和扣环的作用主要是把各主要连接部件连为一体。

2深海玻璃浮球

在这里我们主要讨论玻璃浮球的作用。深海玻璃浮球，见图2。

一般而言，玻璃浮球主要是为潜标系统提供浮力，具有3方面的功能。

1)支持系统中的有效荷载。所谓有效荷载就是指系统中的有关系留部件、串联仪器、其他设备(如释放器等)在水中的重量的总和。浮球提供净浮力总和必须大于有效荷载，并且剩余一定的净浮力，才能保证系统不沉入水底，并在布放回收时使系统漂浮在海面。

2)为系统提供储备浮力，使系统具有一定的抗损能力。所谓储备浮力是指潜标系统中，任一部位以下浮力部件的净浮力与下面这段系统的有效负载(释放器以下的部件除外)之差。储备浮力沿系留索的分布均应是正值，而且还应有相当的盈余量，才能保证系统在任一部位断裂后，下面那一部分仍能使仪器正常工作，并保证释放器释放锚之后，这剩余部分仍能返回海面。

3)使系统呈紧绷状态，保持仪器良好的工作状态。系统在水下工作时，受海流作用，不可避免的要偏离直立状态，流体阻力越大系统倾斜越厉害。浮力部件的浮力则使其尽量保持直立状态。在我们设计的千米潜标中所使用的海流计在正常工作时倾斜不能超过15°，所以必须在每个仪器层上增加足够数量的玻璃浮球，使仪器的倾斜角度小于15°。

为什么选用玻璃浮球作为浮力提供装置呢？这是因为它们都是透明的、轻质的、经济的，耐腐蚀、易处理、有足够的强度、无污染。因此，在过去50多年中，全世界的海洋学家一直在深海技术中选用玻璃浮球。玻璃浮球是一种独特的、可靠的、经济的，既可提供浮力，又可作为海洋环境下电子设备存储元件的新型产品。

国外生产玻璃浮球的公司主要有美国的Teledyne Benthos公司和德国的SCHOTT DURAN @公司，同时在中国也设置了代理商。除此之外，日本也有自己的玻璃浮球产品。其中Teledyne Benthos公司是世界上生产玻璃浮球以及深海仪器浮球最好的公司，精益求精和持续提高的研发技术保证了深海玻璃浮球在极端环境下的可靠性；而先进的装配技术和已申请专利的真空封闭法可以保证深海玻璃浮球的高品质以及更长的使用寿命，公司发货之前为保证品质会对每一个玻璃浮球都进行密封压力测试。Teledyne Benthos公司对已申请专利产权保护的浮球和仪器浮球均采用模具脱模制备工艺以保证精度，每个半球边缘均研磨至非常平整。

3深海玻璃浮球保护壳

浅黄色的、有浮力的、聚乙烯硬质保护壳是每个玻璃浮球应具备的，可以为放在其中的玻璃浮球提供保护，免受机械碰撞，并且在使用玻璃浮球的时候更容易处理。硬质保护壳由法兰和不锈钢螺钉连接。边缘处可以通过螺钉与安装框架相连或者锁到锚链的链条上。深海玻璃浮球保护壳，见图3。

4深海玻璃浮球制备工艺

制备玻璃浮球时，这些玻璃半球先成对匹配，接着内部抽真空至低于0.3个大气压。抽真空过后，先在半球连接处涂上密封剂然后缠上保护胶带。以这种方式密封好的球在常压下几乎是不可能用外力打开的。以直径为43.2 m的浮球为例，打开需要超过880 kg的外力。

在玻璃仪器壳体上可以开一个钛合金的真空接口以方便打开或者关闭球体。对于需要频繁打开的浮球推荐使用这样的真空接口。

深海玻璃浮球的制备方法主要考虑3个方面：1)选择合适的玻璃成分；2)设计适宜的成型模具；3)玻璃浮球的后期打磨及密封工艺。

5深海玻璃浮球国内研发现状

尽管玻璃浮球在过去的50多年里一直在深海技术中得到应用，但是国内一直没有相关产品的出现,一直在进口国外的相关产品应用在实验中。仅以青岛海洋大学为例他们一年的使用量就在1 000个左右，而深海玻璃浮球的价格国外一般都在800~1 000美元/个。

蚌埠玻璃工业设计研究院也积极开展相关产品的开发研究。目前已经在玻璃配方和模具制造方面取得进展，解决了一系列问题，制备出玻璃浮球半球球体，为玻璃浮球的后期打磨处理以及密封工艺的探索奠定基础，相关试验人员正在积极准备相关性能验证试验，预计近期会有较大突破。

参考文献

[1]王明午.深海潜标系留系统的设计[J].海洋技术，1989，8(1)：11-15.

[2]朱志斌，吴平伟.深海探测用高强轻质浮力材料的研究与发展[J].现代技术陶瓷，2009，13(4)：15-20.

[3]邹志杰.深海玻璃球的密封[J].海洋技术，1984，3(2)：23-26.

[4] 周金磊.空心玻璃微珠/环氧树脂复合材料的制备及性能研究[D].青岛：中国海洋大学，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

作者简介：王华文(1980-)，工程师.E-mail:huawenwang224@163.com

收稿日期：2015-08-07

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.06.003