新型海洋污损生物抑制装置

陈雅雪，杨沈阳，彭竞仪

（武汉理工大学 法学与人文社会学院，湖北 武汉 430070）

1 研制背景及意义

随着人类科技的发展，人类的运输路线已经不局限于大陆地区，在海洋上也有很多海上运输方式，而海底管道作为目前海上最快、最便捷的液气海上运输方式，在海上运输中起到了重要作用。然而由于海洋中有多种海洋生物，海洋管道在水下放置一段时间后，海洋管道的管道口以及管道内壁上会附着大量藤壶、藻类等海洋污损生物，这些海洋污损生物会影响海洋运输的效率，也会导致海洋管道的腐蚀速度加快，严重影响了海底管线的使用寿命。

由于海底管道一般采用钢质管道，表面抗腐蚀涂剂耗损后，管道耐腐蚀性较差，修复费用较高且修复难度大。当海洋管道被吸附的海洋生物腐蚀洞穿以后，会造成海洋管道内部运输的液气的泄漏，不仅大大降低了海洋管道运输速率，还会造成泄漏管体周围水域的水体污染，加剧海洋生态环境的恶化。

而现有海洋管道管体及管内壁的海洋生物处理技术主要分为生物清理、物理清理、化学清理这三个方向。其中，多数清理方法只在实验室条件下得以应用，不具有普适性，且大部分方法不能达到低成本解决海洋生物附着问题的效果，常常需要停工清洗整条海洋管道，造成巨大的资源浪费、经济损失。因此需要寻找一种不影响海洋管道原有运输效率，且能有效处理海洋管道上海洋生物附着问题的装置。

2 设计方案

2.1 工作原理

该装置通过设置若干连续磁化装置对进入管道的海水进行磁化，磁化的海水水质发生变化，从而使其pH 值、电导率、水分子张力等条件变化至不再适应海洋附着生物生存，使附着生物幼虫无法分泌粘膜，难以依附在管道内壁。磁化海水时，装置核心部分通过多个励磁线圈产生叠加均匀磁场，当磁感应强度达到一定强度时，垂直于磁力线通过磁场的海水便可被磁化到能抑制附着生物所需要的程度。

2.2 各模块介绍

装置整体模型如图1 所示。

图1 装置整体模型示意图（去外壳）

2.2.1 海水磁化模块

磁化模块由多对励磁线圈绕组、对应磁极以及固定装置组成。

励磁线圈绕组分别成对缠绕在磁极上，主要负责产生强磁场，向励磁线圈之中通入变化的交流电流时，交流电流在沿线圈中心方向激发出径向磁场。当多个励磁线圈绕组产生的叠加磁场达到一定强度时，可以将海水磁化到能抑制海洋生物生存的程度。同时，产生的磁力线始终与水流运动方向相互垂直，使具有导电性的海洋水流在按一定流速通过磁化装置进入海水管道时能够被最大化磁化。

磁极个数为偶数，且极性交替出现，可以按对称结构设置。固定装置主要包括环状外壳与若干个固定压杆，环状外壳直径设计为可与海水管道对接配合，固定压杆设计为连杆结构，环绕在外壳一周。固定压杆可以实现联动，即可同时与海水管道上对应的凸出部分相连，以保证磁化装置的稳固性，而环外侧上下左右四个方位分别固定磁极与励磁线圈绕组。

2.2.2 安装清理模块

本装置通过改变海水管道进水口内水体环境的方式，从源头抑制微生物吸附。但对于部分管道口已存在吸附生物的老旧管道仍需设置一次性清理装置。

装置采用钟表指针结构，由驱动杆、旋转杆、固定滑块组成。旋转杆一端固定于驱动杆中点处，驱动杆中点始终位于海水管道中心轴处，固定滑块有两个分别固定于旋转杆两端，二者成90°垂直固定，以防止旋转杆侧倒，滑块可以在管道内部滑动。驱动杆与旋转杆迎水面均为长风扇形状，海水从管道口进入时驱动杆与旋转杆前进，由于杆迎水面成风扇状面，因此两杆在前进时也会随之旋转。而在旋转杆远端为角块，可以在旋转过程中刮下附着在管道内壁上的海洋生物。由于对管道内水体环境的改变，不会有新生污损生物附着在管道内，清理装置只需进行一次清理即可。通过实验，得到清理时间，在工作一段时间后，装置自行解体，随管道进入管道原有设计的过滤网中，进行收集。

2.2.3 能量供电模块

由于装置的磁化模块，需要输入高频交变电流来维持磁场的强度，因此采用移动充电装置作为供电模块，供电模块主要由海面漂浮平台、电线、升压装置组成。

为方便定期更换电池，海洋漂浮平台内置有电池，同时装置也可与其他海洋发电设备，如太阳能发电、波浪能发电设备等直接相连，以实现能源供应。

电线包含于特殊软管之中，电线一端与海洋漂浮平台相连，另一端与磁化模块上升压装置相连。

升压装置主要位于磁化模块上，主要用升压装置来将电压升高到所需强度，电压经过升压模块升高后直接加在励磁线圈之中。

2.2.4 可调节模块

调节模块主要实现调节磁感应强度与通信的功能，具体可分成两个部分。

由于海水管道在一年中不同时期被附着生物侵入的频率并不是恒定不变的，相反有规律可循，因此可以根据附着污染生物的密度来调节磁化模块产生的磁场强度。同时采用脉冲间歇式电流为装置供电，实现装置的即用即停，从而减少电量的损耗。

通信部分位于海洋漂浮平台上，主要用于发送和接收各种指令，当装置中电池本身储存电量减少到一定程度时，装置通过通信模块向总船发送对应指令与位置，总船定期更换电池。

2.3 工作流程

本装置设计有两个工作模式，即磁化模式与静默模式。

当海洋污损生物处于繁殖高峰期时（如夏秋季节），磁化装置通过远程控制进入磁化模式并进行高频率工作，并可以根据海洋污损生物的密度适当地调整产生的磁场强度大小与工作频率；当海洋污损生物处于传播低谷期时，磁化装置通过远程控制进入静默模式，开始由持续磁化转变为定期间隔磁化状态。装置工作流程如图2 所示。

图2 装置工作流程图

3 效益分析

海洋生物（生物污损）在海水管道内大量生长会明显阻塞管道，特别是一些小型幼虫虫卵，会轻易躲过滤网依附于管道内壁之上进行生长繁殖，这不仅影响相关设备工作性能，减少使用寿命，还会增加运转能耗。以下分两个方面对装置产生的效益进行分析。

3.1 节能减排效益

减少管道堵塞：由于海水管道内部水流单向流动，大量生物附着生物必然导致可能管道堵塞，从而影响抽水设备使用寿命，还会增加运转能耗，耗费更多能源。同时管道内污损生物产生生物酸碱会影响水质，增加后续净化难度。

假设管道通径Φ=1.6 m，设计深度35 m（压强P=5.1×106Pa），联合抽水泵单体功率P=100 kW，设计流量Q=15 m3/min。查阅资料可知，当海洋污损生物附着后，通流面减小会产生流量损失γ=2%～5%。

则实际抽水泵工作功率为：

海水淡化站一天工作12 h，则每单体泵可节约电量（Pp－P）×12=63.12 kW·h。

即通过本项目优化后，降低联合抽水泵的能耗，节省63.12 kW·h 电能，节能减排效益可观。

3.2 经济效益

减少管道腐蚀：以微生物所致海底管道腐蚀占主要部分，而微生物腐蚀海水管道主要以孔蚀为主。微生物引起的局部腐蚀速率破坏速率约为v=1 mm/年，一个正常海水管道的厚度s≈12 mm，则最快出现孔蚀的时间t=s/v，考虑到管道新旧的因素（假设从第5 年开始海洋微生物污损达到一定程度，开始对管道产生影响），则t=12 年，即从17 年之后便开始对管道进行修补型维护。

海底管道腐蚀深度对于剩余寿命及失效压力的影响如图3 所示。

图3 海底管道腐蚀深度对于剩余寿命及失效压力的影响

相比之下，采用本装置可有效避免微生物污损进入管道内部对管道造成影响，可有效提高使用年限10～20 年左右，具有一定的经济效益。

4 结论

本装置主要应用于海水管道内部生物附着的清理，装置可以直接外挂在海水管道入水口，装卸方便，并且从源头阻止微生物在内壁附着，也无需进入管道内，使用方便。同时，本装置经过改进后还可应用于其他类型管道（如船舶管道、湖泊淡水管道、排水管道等）进水口，未来应用前景较大。