科考表层海水采水系统规划与设计1

2024-04-10李健乐杨日魁鞠家辉常景龙隋以勇

船舶标准化工程师 2024年2期

李健乐，杨日魁，鞠家辉，常景龙，隋以勇，任杰

（1. 南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），广东珠海 519000；2. 中山大学，a. 系统科学与工程学院；b. 海洋科学学院，广州 510275）

0 引言

近年来，国家提出“海洋强国”“海上丝绸之路”等战略目标[1]。海洋科技作为国家科技水平和综合实力的重要标志[2]，世界各国均把海洋科学考察船队建设作为探索海洋、开发海洋、管控海洋的最重要手段之一[1]，我国大力投资建设各种新型海洋科考船、探测船，在建的海洋科考船数量居世界首位[3]。

海洋学科可细分为物理海洋、海洋化学、海洋生物、海洋大气、海洋地质等诸多专业。学科专业的复杂性和多样性对船舶平台搭载能力提出了可扩展、个性化的需求[4]。其中，走航状态下连续抽水分析是海洋化学、海洋生物和海洋生态等学科开展海洋调查的最基本且有效的科研调查手段，因而多要素的表层海水分析系统（简称“分析系统”）属于常规海洋科考船标配的专业设备之一。科考表层采水系统（简称“采水系统”）既是分析系统采样的支撑单元，又是全船实验海水的供水单元。分析系统输出数据的有效性和精度除受设备自身因素影响外，也与采水系统息息相关。因此，良好的采水系统既是分析系统进行连续、稳定、真实测量的基础保证，又是海洋科考船开展科考作业的关键支撑。

本文对常规科考表层海水采水系统污损积垢现象的成因进行分析，基于行业现状和系统原理对科考表层海水采水系统优化进行深入的技术探索，并给出优化方案，以期为海洋科考船表层科考海水采水系统的建设和迭代升级提供思路和方向。

1 现状分析

海洋科考船通常配置有手动控制的采水系统，在真空泵的作用下通过采水管道将艏部表层海水输送到舱内所需场所，供实验室和各类分析仪器等使用。

1.1 概述

船舶行业内通常将排污系统的输出口布置在艏部左侧，因此，采水系统的采集口通常开设在艏部右侧的水位线下[5]。根据船级社的相关要求，采集口的通海端设有通海阀。为解决科考需求，在采水系统的后管道内安装过滤大颗粒杂物的滤网，在滤网后安装快速温度传感器以获取最接近原位现场的海水温度。可将该温度与舱内分析仪器测量的水温进行对比，必要时可用于校准修正。

为满足淡水冲洗和洁净空气吹干的需求，采水系统通常同时接驳冲洗淡水和船用压缩空气，在航次结束、船舶靠码头等情况下，可利用淡水对采水管路进行冲洗，并使用压缩空气吹干管路。采水系统一般具备采水、淡水清洗、吹干等3种模式。系统原理较为简单，按照操作模式需要对管路系统的阀门进行合理设置即可。冲洗和吹干的手动操作步骤如下：1）关闭进取水阀门，打开排水阀门，打开透气孔的单向阀门，把管路里残留的海水通过排水管道实验室的地漏排出舱外；2）关闭取水阀门，打开冲洗淡水阀门、启动取水泵，引入淡水对主管路进行冲洗；3）关闭淡水接入阀门，打开船用压缩空气阀门，用高压空气持续吹干管路。常规采水管系的系统原理见图1。

图1 常规采水管系系统原理图

1.2 常规采水系统的弊端

对多艘现役海洋科考船的管路拆检，发现经过手动冲洗、吹干操作，采水和供水管路依然存在盐垢、海生污染物等累积问题，管内的积垢腐蚀较为严重。

在船舶靠港、停航后，虽经过清洗吹干操作，但水管内仍残留部分海水和海生物，这些会成为二次污染源。史艳华等[6]对不锈钢316L 管路在残留海水中的点蚀现象进行了研究，结果表明：316L 不锈钢的点蚀与Cl-的离子浓度关系密切，点蚀程度随着Cl-离子浓度的增加先增大后减弱，当Cl-离子浓度为3%时，点蚀最严重。随着残留海水中的水分逐渐蒸发，Cl-的离子浓度不断升高，为二次电化学腐蚀提供了基础条件。在残留海水对海生物腐蚀的第二阶段，生物膜的形成有不可忽视的促进作用[7-8]。常规采水管路内的污染情况见图2，不锈钢法兰件内的结晶盐、海生物污染较为严重。

图2 常规采水管路内的污染情况

根据航次使用情况，推测分析管路污染与以下因素密切相关：1）不同海域的海温和盐度的变化；2）手动采水系统存在清洗盲区，部分支路无法清洗吹干；3）人工依靠经验操作缺陷，存在清洗不到位、未吹干等偶然性操作问题。

综上原因，在走航海水分析系统作业时，表层海水流经被海生物、盐垢污染的管路后，必然受到二次污染，引起成分含量的变化，分析仪器所检测的海水要素已与现场原位海水不同，影响海洋科考调查数据结果的准确性。

2 技术探索

采水系统在现代工业中应用广泛，但在复杂的海洋环境中，需要更加缜密的设计和考量。因船体结构、海区温度盐度、科研分析仪器等诸多差异，不同海洋科考船采水系统的作业环境几乎均不相同。因此，从原理设计上解决共性的核心问题是重中之重，本文以共性问题为导向，从以下4 个方面进行改进和优化。

2.1 管路的绝热隔温

海洋生物、生态要素的测量分析与水温关系较大，即使是同一水样品，在不同温度下实测数据都会存在明显差异[9]。走航海水分析系统的多个传感器，如测量水中二氧化碳（CO2）体积分数、pH 值、总碱度等传感器的结果均与测量水温息息相关。此外，温度过高会使海藻中的部分酶失活[10]，而蛋白酶是海洋化学关于海洋新药物发现的重要部分。蔡洁等[11]建议从入水口到分析点的水温差建议不得高于0.5 ℃。温度变化越小，测量结果越接近原位值。因此，在设计方面，需要做好输送水管路的绝热隔温；在工程方面，要尽量缩短采水管路的长度；在工艺方面，要做好必要的绝热保温工艺，包含选用绝热保温材料和双相不锈钢管等材质，特别要关注保温材料的包裹工艺。此外，为避免316L不锈钢的点蚀问题，钝化膜厚度要根据实际情况作出相应调整。

2.2 采水口的布置

采水口的选择和布置直接影响到管路的工程施工，蔡洁等[11]认为取水口应尽量布置于侧推装置之前。通常情况下，海洋科考船的艏部均配有侧推装置，为避免侧推装置对表层海水产生影响，一种合理的做法是将采水口设置在艏侧推的前部。然而，在实际工程中要在有限的船艏侧推前部有限空间上寻找合适的布置位置难度较大。此外，管路延长、多次穿舱均增加了工程实施难度和保温效果。在艏侧推作业时，艏部附近的水体会受到明显扰动。从流场分布情况看，在动力定位运行后，艏侧推隧道口前后半径5～10 m 区域的水体均会受到较大的扰动，采水口周边水体受到扰动，特征参数被破坏，采水分析会失去科学价值。

输送水管路的延长对末端水体温度的变化存在负向影响。过度追求将采水口布置在侧推的前端，在艏尖区域狭小的空间内布置采水口和相关装置，也将给后期的维护增加困难。动力定位作业时长占比偏小，侧推在大部分时间里属于关闭状态，对表层海水的分析影响不大。根据上述分析，综合考虑管路长度、穿舱情况、保温条件等因素，在海洋科考船艏部区域的合适位置合理布置采水口即可。

2.3 管路循环流通

为增加系统管路的自清洁和消杀能力，引入实验室常用的药剂循环浸泡的概念，在采水任务完成后，自动将消毒桶里的消毒液注入管道，在管道内进行循环浸泡。

为满足循环浸泡的要求，管路系统设计要满足全管路可循环、可冲洗、可吹干的要求，保证在出水口使用端关闭的前提下所有支路都可构成一个循环流通的闭环，避免由于某些支路无法清洗、吹干而对管路造成二次腐蚀。因此，要对所有管路进行控制逻辑分解，在不同作业模式时，均能保证水流/气流按照设计的要求在管道内循环流动。要合理设置单向电控阀门和双向电控阀门，这些阀门除开关作用外，还可为各分支路建立起阻断和联通的桥梁。

2.4 全自动逻辑控制

海上科考作业任务繁重，船上实验技术人员的工作负担和压力较大，传统采水系统的人工控制难免出现经验性和偶然性错误。此外，采水的运维管理需要根据科考调查需要进行动态调整，人工操作存在明显的不便性和滞后性。按照作业模式，对采水、冲洗、消杀、吹干等流程进行智能控制非常关键。

在进行采水系统设计时，引入中央逻辑控制器，除少量与船舶安全相关的阀门（如通海阀等）采用手控外，其余均使用电控阀，在各主/支路之间架起启闭的桥梁。每条管路均能在中央单元的逻辑控制下切换采水、冲洗、消杀、吹干等作业模式，有效避免传统采水系统人工控制中出现的经验性和偶然性错误。

根据实际情况，对系统控制逻辑进行合理的迭代调整，使整套采水系统始终保持最佳的工作状态。此外，逻辑控制系统也能大大增强系统的可扩展性，借助灵活的逻辑动作组合使一些特殊的采样需求成为可能，如设置不同航次、航区的采水模式等。

3 工程实现

为满足循环浸泡的要求，在管路中增加一个容量合适的消毒桶并接驳到消毒支路上。在完成采水任务且排干后，自动将消毒桶里的消毒液注入管道，在管道内进行循环浸泡，实现管路自清洁和消杀的效果。根据工作任务需要，对该系统的模式动作进行分解，再按照工作情景进行动作组合。基本执行动作包含泵启动、采水、排出海水、淡水注入、排出淡水、压缩空气吹干、注入药剂液、药剂循环浸泡、排干药剂液、循环冲洗、关闭所有电控阀门等，每个执行动作均由程序自动控制，按照逻辑控制要求打开关闭所需阀门等，其中，药剂循环浸泡和排干药剂步骤是自清洁的关键。

本文采用可编程逻辑控制器，搭载彩色触摸屏，通过触摸屏可实现启停控制、按键和参数设置。编程采用模块化、结构化相结合的方式完成执行动作的分解和组合，对系统内的电控阀门进行启闭逻辑控制。

采水管路系统的工作情景及动作组合情况见表1。为了保证系统的稳定可靠运行，采用1#泵和2#泵双通道双泵互备模式。