水声换能器防海生物附着方法及工艺研究

罗 松, 宋 坚, 刘宝军, 周昳慧, 梁 黎

水声换能器防海生物附着方法及工艺研究

罗 松1,2, 宋 坚2, 刘宝军2, 周昳慧2, 梁 黎1,2

(1. 海洋工程装备检测试验技术国家工程实验室, 云南 昆明, 650051; 2. 昆明船舶设备研究试验中心, 云南 昆明, 650051)

针对海底固定基座安装应用环境的水声换能器防海生物附着需求, 分析了海生物生长环境特点及生活习性, 介绍了水声换能器防治海生物附着的常用方法, 从建立不利于海生物生存生长环境的角度, 提出了在水声换能器外部人为采取包敷、涂防海生物漆等综合性的防海生物附着措施。将有关方法和工艺措施应用在近海区域水下固定安装的水声换能器上, 可使水底高频430 kHz探测声呐的声换能器稳定检测信号达3年以上, 应用实践验证了文中方法的有效性。

水声换能器; 海生物附着; 防治

0 引言

橡胶、钢材、混凝土和玻璃等硬质水下结构装置浸入到海水后, 很快会被多种细菌贴附,细菌的分泌物又具有胶粘性, 可使海水中的微生物和营养碎屑不断贴附, 形成牢固的粘膜附着在水下结构装置表面[1-3], 为海生物附着提供了良好的硬质附着基础条件和食物来源。在营养、水温、阳光、氧气和盐度都适宜的情况下, 附着海生物会快速生长, 特别是在近海和油气导管架下部, 有人群生活排放物的水下环境, 如果浅海环境温度高、光线好并属于富氧区, 海生物附着生长特别快, 每年可达数厘米至数十厘米量级。

水声换能器外部常采用硫化透声橡胶, 一般情况下1个月内即可见到海生物附着在其表面。水下结构装置长期在海水中搁置, 存在着防腐蚀和防海生物附着需求, 电化学产生的腐蚀可以采用抗腐蚀材料及阴极保护等措施, 已有成熟的措施来保证水下结构装置在设计寿命期内长期安全工作; 海生物附着会带来水下结构装置负重、受力面增加及结构功能失效等问题, 严重威胁着其安全运行, 需要定期清理, 极大地增加了水下装备维护成本。目前, 针对防海生物附着的长效、可根治的解决办法和措施还未见报道。

表1 水声换能器防海生物附着常用方法

表1所示方法中, 针对运动状态下使用的水声换能器防海生物附着, 一般采用在硫化橡胶中添加防海生物试剂的方法[6-7], 开发能降解、弱毒性且具长效的试剂已成为趋势[6-8]。而对水下长久固定安装应用的水声换能器, 要求具有长久稳定的性能, 现有方法都不能满足其防海生物附着持久性要求, 同时存在实施困难、会产生腐蚀等不足。为此, 文中通过分析海生物生存环境及生长习性, 总结了不同防治海生物附着方法的特点, 提出了一种用于水声换能器防海生物附着的综合防治方案, 从建立不利于海生物附着及生存的环境, 以及驱离海生物的角度, 在水声换能器外部采取了以包敷为主的、环保的防海生物附着综合性对抗措施, 并开展了相应的工艺方法研究, 应用实践证明该方法在不影响水声换能器检测性能的基础上, 可以达到长久防海生物附着的目的。

1 海生物生存习性和环境特点

防海生物附着机理的研究已较为成熟, 要有效地防止海生物附着于水声换能器表面, 还需进一步了解海生物生活习性和生存环境特点, 从中找出对抗海生物附着有效的综合治理措施。文中通过已有资料总结出海生物的主要生活习性和生存条件如下[1-4, 9-10]。

1) 合适的水温条件。一般认为在深水低温环境和冬季, 海生物附着生长慢; 最适宜海生物生存的水温是15～30℃, 我国东南沿海的水下温度一年四季均适宜海生物生存, 故水下结构装置上的海生物附着量大, 生长较快。

2) 有食物来源。海生物的食物链主要为近岸人类生活排放的营养碎屑和水中微生物, 故海洋油气平台导管架浅水潮差带和人类群居近海区域水下结构装置上的海生物附着较多; 而在深远海有珊瑚、水质能见度极好的水域及远离人类居住的海域, 海生物附着较少。

3) 合适的盐度条件。一般认为最适宜海生物生存的盐度为1.5%～4%, 幼虫时喜盐度低, 而在江河水港口, 基本无生物附着问题。

4) 有良好的氧气和光线条件。在浅水区潮差带有富氧和良好的光线环境条件, 水下结构装置上的海生物附着生长较快, 如深度0～35 m范围, 附着海生物量大且生长较快(特别是晚上也有光照的条件下); 而在深水区含氧量少、光线弱, 海生物附着量较少, 如深度100 m以上范围。

5) 有硬着陆条件。海生物在海边泥土及海底粘土上难以附着, 需要寻找相对较硬的着陆基础条件, 如石头、钢材及混泥土等硬质水下结构物。

以上条件均是海生物生存和生长重要的环境条件, 欠缺任何一个条件, 都会影响海生物的附着生存环境, 从而产生防海生物附着的效果。图1是航标灯水下结构部件管内外的海生物附着情况对比(时间约1年, 外部附着物厚度约5 cm, 内部极少)。可以看出, 管内外环境的不同, 使得海生物附着情况存在很大差异, 例如, 管内光线暗、营养物少就影响了海生物的附着。此外, 环保的防海生物附着方法应具备不使用毒性试剂, 不杀死海生物, 可长效对抗海生物附着的特点。

图1 密闭腔体内外海生物附着情况

2 防海生物附着方法及效果

2.1 防污生物漆及涂敷方法

防污生物漆涂敷是迄今为止最简单、经济有效, 且最常用的水声换能器防海生物附着方法。

早期的防污生物漆中加入了锡、铜、汞和铅料等类重金属毒料, 使海生物中毒而难以附着, 但毒料的释放也会污染港湾和海洋环境, 破坏海洋生态平衡, 并通过食用海产品威胁人类健康。上世纪80年代起, 新的海洋环境保护法禁用或限制在防污生物漆中加入锡、铜、汞及铅料等材料, 促使世界各国致力于环保、持久长效、耐泡且附着力强的防污生物漆的研制。

此外, 防污生物漆应具有耐海水浸泡及在透声材料上附着力强等特点; 应是环保的易降解类、有机物类或是低表面能类的防污生物漆[6]。为了使水声换能器具有长久的防海生物附着效果, 也会采取在换能器的透声硫化材料中复合添加防海生物试剂, 通过试剂的缓慢释放阻止海生物附着, 增加防海生物附着时效和持久性。

防污生物漆涂敷在水声换能器的透声硫化橡胶表面, 经常采用的涂敷方法是在布放水声换能器前多次涂敷(2次以上), 每次间隔1～2 h, 其刺激性能阻止海水物靠近。应用实践表明, 防污生物漆涂料的有效期一般为1～2年, 随着时间的延长, 也会逐渐附着海生物。

2.2 电解海水防污技术及使用

海水是一种含有多种盐类的电解质, 浓度约为3%, 其中70%是NaCL, 可通过电解海水产生杀死或驱离海生物的物质, 并具有环保优点。海水电解时在阳极和阴极的电解反应式如下[8,11-12]。

阳极反应式

阴极反应式

海水电解法使用在密闭的环境, 常用于水下油气生产系统中含有冷却水管路装备的管路通道中, 一般通过冷却水流量大小来控制电解过程[8,12]。如用于水声换能器的防海生物附着, 需要人为创造一个适当的环境布放电极, 程控定时电解海水控制强氧化剂浓度, 以达到持久长效驱离海生物的目的。

2.3 其他防海生物附着的技术及方法

防海生物附着的方法一般有化学和物理二种方式[1-6]。化学驱离方法有涂敷防污生物漆、海水电解法、紫铜条包敷以及密闭腔体法等, 有时还会在防污生物漆中添加辣味素等来增强对海生物的驱离效果。物理驱离方法有加热高温、超声波振动、强电脉冲, 以及定时机械结构清扫等方法, 破坏海生物细胞或组织, 达到阻止海生物靠近或附着的目的。另外, 日本三菱重工股份有限公司依据电解海水防海生物附着的原理, 在被防生物附着结构表面涂覆软箔与导电涂膜相结合的导电涂料[13], 以防止冷却水管道内的海生物附着, 使用证明该方法环保且长期有效。

3 水声换能器防海生物附着综合措施

海生物生存和附着需要具备营养、温度、氧气、盐度和硬着陆等环境条件, 其中营养、温度和硬着陆等基础条件尤为重要。受海区环境及与人群聚居点远近等条件的影响, 使海生物附着生长存在较大差异。针对水下不同使用状态的水声换能器, 应充分考虑海生物附着的各种因素, 采用包敷、海水电解、防污生物漆涂敷以及隔离等物理和化学方法相结合的综合防治措施, 以期满足持久、长效、无毒环保, 且方便水下工程实施的要求。

1) 短期水下固定安装的水声换能器防海生物附着工艺

针对2年内水下固定安装的水声换能器。可准备细密高强度的纤维布1块, 带毛面的高强度纤维布1块, 条形纤维布袋3个(内含湿态A/B组分的湿态防海生物漆约100 ml), 捆扎绳少量备用。

水声换能器水下安装前, 用纤维布包敷水声换能器表面, 在其根部捆扎固定(非信号检测位置), 捆扎前在其根部内固定盛装湿态防海生物漆的2个布袋。

同样, 用毛面(或勾面)纤维布包敷水声换能器表面, 捆扎前在其根部内固定1个盛装湿态防海生物漆的布袋。

用纤维布包敷水声换能器表面, 包敷布基本不影响声换能器性能。包敷布内形成了密闭腔体, 腔体中的湿态防污生物漆刺激性强(安装现场配制, 不固化), 缓慢释放在腔体内, 会延长防污生物漆的时效, 起到持久长效驱离海生物的作用。同时换能器外层表面有包敷的毛面纤维布, 其提供的环境不利于海生物附着。

2) 长期水下固定安装水声换能器的防海生物附着工艺

针对长期(4年内)水下固定安装的水声换能器, 准备细密高强度的纤维布2块, 带毛面的高强度纤维布1块, 条形纤维布袋4个(内含湿态A/B组分的湿态防海生物漆约200 ml), 捆扎绳少量备用。

水声换能器水下安装前, 用柔性细密纤维布包敷水声换能器表面, 在其根部捆扎固定, 捆扎前在其根部固定2个盛装湿态防海生物漆的布袋(非信号检测位置)。

再用柔性细密纤维布包敷水声换能器表面, 捆扎前在其根部固定1个盛装湿态防海生物漆的布袋。

同样, 用毛面(或勾面)纤维布包敷水声换能器表面, 捆扎前在其根部固定1个盛装湿态防海生物漆的布袋。

通过多层纤维布包敷水声换能器, 包敷布基本不影响水声换能器性能。包敷布形成的密闭腔体不利海生物生存且腔体内的防污生物漆会减缓释放, 起到持久长效驱离海生物的作用。同时再用毛面(或勾面)布包敷换能器表面, 使海生物附着条件较差。

3) 长年水下固定安装水声换能器的防海生物附着工艺

在1)、2)所述的措施和工艺中, 采取在包敷形成的密闭腔体内落实电解法等措施, 通过周期性短时程控工作方式, 进一步阻止、驱离海生物在密闭腔体外靠近或附着, 延长防海生物附着措施的时效。配合水声换能器表面不利的附着条件, 长年对抗水声换能器海生物附着。

4 工艺实施说明及效果

需要强调的是, 文中所述包敷布具有强度高、柔性好, 且耐海水浸泡不变质的特性, 不会因海水浸泡硬化, 不利于海生物硬着陆。纤维布包敷时不宜过紧, 捆扎应牢固。图2为水声换能器的纤维布包敷工艺结构示意图, 在换能器透声硫化层外有多层包敷布形成的密闭腔体结构(方便时也可在包敷布上涂防海生物漆)。

图2 包敷换能器的工艺结构示意图

图3是水声换能器基阵海底固定安装时遥控水下航行器的摄像截图, 含2层包敷纤维布和防污生物漆涂敷, 最外层包敷布为自粘布的毛面, 创造晃动及不利附着的环境用于对抗防海生物附着, 该水声换能器基阵在水下30 m持续工作已有3年多, 检测性能基本稳定(被动声呐基阵工作频率2～6 kHz, 信号检测能力稳定, 图像声呐工作频率430 kHz, 信号检测能力无明显下降), 说明采用的防海生物附着措施有效, 工艺方法得当。

图3 包敷的水声换能器在海床安装示意图

5 结束语

针对在水下长期固定使用的水声换能器防海生物附着需求, 提出一种以包敷为主, 人为创造环境条件, 并添加多类别防治措施的方案。该方案综合了物理、化学等不同方法, 含有破坏海生物硬着陆条件和驱离、隔离措施, 增强生物漆刺激效果及延长时效等功能, 可弥补单一方法的不足, 增强了防海生物附着的持久效果, 且包敷布不含禁用材料。与常用的涂敷防海生物漆等单一的防海生物附着方法相比, 文中提出的水声换能器防海生物附着方法和工艺, 有效解决了水声换能器水下固定安装的长期防海生物附着问题, 具有推广应用前景。

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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

罗松, 宋坚, 刘宝军, 等. 水声换能器防海生物附着方法及工艺研究[J]. 水下无人系统学报, 2021, 29(3): 333-337.

2020-03-19;

2020-06-26.

科技部重大专项子课题(2016ZX05028-005-005).

罗 松(1964-), 男, 硕士, 研究员, 主要研究方向为水下声磁探测装备研发应用.

(责任编辑: 杨力军)