“雪龙2”号冰区表层海水采集系统的设计与实现

袁东方 王硕仁 陈清满 刘志兵 廖周鑫 夏寅月

(1中国极地研究中心, 上海 200136;2中国船舶及海洋工程设计研究院, 上海 200011)

提要 表层海水采集系统是现代科学考察船装备的基础科考设备, 通过连续水样采集, 可以为走航观测设备、实验室以及培养容器连续提供表层海水, 并获取表层海水pCO2、温度、盐度、叶绿素、营养盐等基础数据。南、北极科考要求表层海水采集系统在南北极浮冰区以及南大洋区域提供实时、高保真以及连续的表层海水。由于极地考察海域的特殊性, 表层海水采集系统常会遇到问题, 如: 在浮冰区经常被碎冰堵塞吸口导致无法正常供应表层海水、海洋生物在管道内附着导致管道污染、海水在输送过程中升温导致无法保持其原位状态、管道生锈污染海水等。为解决上述问题, “雪龙2”号在“雪龙”号的基础上, 对防冰堵、海水高保真、实时性、防海生物污染等几个关键技术点进行重点设计, 成功建成了一套可在冰区连续运行作业的表层海水采集系统, 经过中国第36次南极考察一个航次实践, 大概率降低冰堵情况的发生, 获取了大量珍贵的科考数据。

0 引言

表层海水采集系统是现代科考船的基础科考装备, 可以为表层海水监测系统、实验室监测和分析仪器以及现场培养提供连续表层海水, 获取表层海水中的温度、盐度、营养盐、叶绿素、pCO2、pH、溶解氧和甲烷等观测数据。南北极科考利用表层海水采集系统, 可以提供实时、高保真以及连续的表层海水, 并成功获取大空间尺度的海洋表层数据。例如: 2008年瑞典“奥登”号(Oden)破冰船从瑞典哥德堡驶往南极洲麦克默多站, 发现表层海水中均含六氯化苯(α-HCH、γ-HCH)、六氯苯(HCB)、硫丹和多氯联苯(PCB)等持久性有机污染物[1]。我国利用“雪龙”号配备的表层海水采集系统和分析设备, 获取了连续的走航观测数据(图1)[2-3], 成功描绘出横跨南北极大断面的海洋表层CO2分布, 并且通过2008年我国第3次北极科学考察航次对加拿大海盆的观测, 得出北极海冰融化可增加海洋对大气CO2的吸收, 但很快就达到平衡, 显示海冰融化对北冰洋CO2的吸收能力提高并没有原来预期的强烈[4]。

图1 中国第8次北极科学考察获取的表层海水温度(上)和盐度(下)数据Fig.1.Temperature and salinity of surface water along the cruise during 8th Chinese Arctic Research Expedition

1 “雪龙”号表层海水采集系统

“雪龙”号极地科考破冰船购自乌克兰, 原为一艘极区运输船,为满足极地考察之需而经多次改造, 增加了多套科考设备和作业辅助装置,其中就包括表层海水采集系统。

该系统在左舷水线下4 m处设置一个进水口,在进水口和水泵(转子泵)间设有一个约1.5 m³容积的水箱, 在水箱低位和高位分别设有1个吸口(图2), 使用转子泵将表层海水输送到实验室以及甲板现场实验培养箱。水箱可以起到缓解碎冰堵塞吸口的作用, 当碎冰进入系统后,表层海水采集系统采用低位吸口, 整个系统仍然可以正常工作, 但是当浮冰逐渐堵塞主吸口后, 整个系统就无法供水。系统水箱及部分管路采用普通钢制材料, 锈蚀会导致表层海水受到一定的污染。

图2 “雪龙”号吸口示意图Fig.2.Schematic diagram of Xuelong suction port

“雪龙”号表层系统虽然存在一定缺陷, 但经几次升级改造, 系统功能已经完善, 设备可靠,运行稳定, 承担了为近20个南、北极科学考察航次提供表层海水的任务, 同时也积累了大量的冰区使用经验, 为“雪龙2”号表层海水采集系统的设计提供了技术储备。依托“雪龙”号的表层海水采集系统, 我国科研人员取得了北冰洋海洋酸化等一系列科研成果[5-6]。

2 “雪龙2”号表层海水采集系统设计特点

“雪龙2”号于2019年入列交付使用, 并于2019年10月开赴南极执行中国第36次南极考察任务。“雪龙2”号的入列极大地延长了我国在南北极作业的时间跨度, 因其强大的破冰性能, 可以比“雪龙”号更早进入南北极冰区作业, 也可以更晚从南北极返航。时间跨度的延长同时意味着“雪龙2”号在浮冰区航行的时间更长, 这对其搭载的表层海水采集系统提出了更高的要求。为了解决“雪龙”号表层海水系统存在的问题, 我们在“雪龙2”号研发前期就对表层海水采集系统设置了较高的技术指标, 并和船体结构设计同步进行, 充分利用目前成熟的产品和技术, 设计并实现了一套能够连续工作、实时、洁净、防冰堵的表层海水采集系统。

“雪龙2”号表层海水采集可分正常取水、冰堵时反冲融冰和系统消毒清洗三种模式运行, 图3采用不同的颜色标识三种模式的运行路径。正常取水模式采用粉色((2)→16→8→4→6→2→19→20→21→(6))和橙色((1)→15→7→3→5→1→19→20→21→(6))线路标识, 其中紫色代表两条线路间的联络线, 通过其可切换为(2)→16→8→4→6→24→1→19→20→21→(6)或(1)→15→7→3→5→24→2→19→20→21→(6); 冰堵时反冲融冰模式采用绿色((3)/(4)→12→4→8→16→(2))和青黄色((3)/(4)→11→3→7→15→(1))线路标识; 系统消毒清洗模式采用红色(3→5→1→19→20→22→9→3)和蓝色(4→6→2→19→20→22→10→4)循环线路标识。为了清晰显示系统运行路径, 本段用数字(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)标识进出口, 5、6、7、8、9、10、15、16、19、20、21、22标识阀门, 3、4、20标识滤器, 1、2标识泵组。

图3 “雪龙2”号表层海水采集系统图Fig.3.Surface seawater collection system of Xuelong 2

2.1 实时性设计

“雪龙”号表层海水采集系统在水泵与吸水口之间会设置有一个约1.5 m³水箱, 通过水箱来防止冰堵, 但是水箱的存在也延长了海水从吸口到观测系统(如FerryBox)的时间, 影响表层海水的实时性, 在“雪龙2”号的表层海水采集系统研制方案中我们取消了水箱, 同时加大了采集海水泵的流量, 有效地缩短了海水在管道中输送的时间, 提高了海水采集的实时性(图4)。

图4 “雪龙2”号吸口示意图Fig.4.Schematic diagram of Xuelong 2 suction port

“雪龙”号表层海水采集系统中海底水箱的存在导致表层海水的实时性大打折扣, 15 kn船速、水泵流量20 m³·h-1、水管直径125 mm、吸口至水泵20 m, 经过计算:管路中的水的总体积V=水箱容积V箱+管路中水的容积V管=1.5+3.14×0.06252×20≈1.75 m³, 输送时间T=V/Q=1.75/20=0.0875 h=5.25 min。其中, T为水在管路中流动的时间; V为管路中的水的总体积; Q为水泵流量。

理想状态下吸口处的海水到达标水泵需要5.25 min, 此时船舶航行距离L=H×T=15×0.0875≈1.3 nm。其中, H为船速: 15 kn; L为航行距离。

以同样的数据, 取消水箱后,“雪龙2”号表层水系统输送时间T=V/Q=3.14×0.1252×20/20=0.012 h=0.72 min, 此时船舶航行距离L=H×T=15×0.012=0.18 nm。

取消水箱后的效果非常明显, 若以同样参数设计“雪龙2”系统, 表层海水从吸口至水泵只需要不到1 min的时间, 船舶航行0.18 nm, 大大提高了表层海水样品的精度和实时性。

2.2 高保真设计

表层海水是表层海水观测系统(如FerryBox)、实验室仪器以及甲板培养箱的用水来源, 要求海水中的微生物、藻类以及海水物理参数在管道中保持不变, 这对海水的高保真性提出了要求。但是在现实使用中管道的保温性能不能完全阻止海水温升; 管道的腐蚀、生锈会污染海水; 水泵的旋转会破坏微生物、藻类等等。针对以上问题, 我们从管道材质、保温材料以及水泵等环节进行详细的调研和设计, 采用不锈钢真空双壁管、转子泵等设备, 保障表层海水在管路输送中的高保真性。

“雪龙2”号的表层海水系统布置在泵仓内。泵仓由于泵的运转等, 其内部环境温度跟外界海水温度的温差很大, 表层海水流经泵仓后海水温升要求要很小才能保证海水的高保真性,这对表层海水管路绝缘要求很高。经过前期论证和市场调研, 我们选择了一种不锈钢真空双壁管, 采用内外双层不锈钢预制管道, 双层管之间抽真空从而能使这种管材具备良好的绝缘保温效果, 从而保证了表层海水系统的高保真性的要求。图5和表1为常规的绝缘管道和双壁管的对比。

图5 a)传统绝缘管道; b)不锈钢真空双壁管Fig.5.a) conventional insulated pipes; b) stainless steel vacuum double-wall pipes

表1 传统绝缘管道和不锈钢真空双壁管对比Table 1.Comparison of conventional insulated pipe with stainless steel vacuum double-wall pipe

水泵是表层水系统中最核心的部件, 水泵的选型至关重要, 如: 泵的运行应安全可靠, 泵壳和机械密封等不会污染水体, 泵在运行时不会破坏海水中的生物细胞, 可方便进行流量压力调节,对于含有碎冰等颗粒物的海水也能正常工作。经过对目前市场上各种型号的水泵以及各个品牌之间水泵的调研, 加上“雪龙”号表层水水泵的使用经验, 最终选择转子泵。该型泵的特点是结构简单、零部件少、维修方便、可靠性高; 泵腔和齿轮箱之间有一个隔离腔, 避免了油对海水的污染; 转子采用橡胶材质, 避免了重金属及油类对海水的污染; 转子之间存在缝隙, 对海水中的微生物、藻类等不会造成破坏; 能够输送带有碎冰的海水, 不会对泵本身造成损坏; 机械密封带润滑, 在管路被碎冰堵塞后, 即使干磨也不会损坏泵体, 这在南北极应用中具有优势。

2.3 防冰堵设计

在南北极使用表层海水系统面临的最大问题是吸口的冰堵。冲撞式破冰航行中, 一些碎冰会沿着船底顺流至吸口附近, 经过一定时间的积累,管道以及滤器就会被冰堵塞, 导致水泵无法吸水。“雪龙”号表层海水采集系统在水泵与吸水口之间会设置一个水箱, 通过水箱的缓冲来防止冰堵, 这在稀疏浮冰区有一定效果, 但是根据“雪龙”号的使用经验, 在稍微密集浮冰区的冰堵现象仍然较为严重。

根据天津大学冰池试验录像分析, “雪龙”号在7节速度破冰(密集度100%)过程中, 碎冰会沿着船底漂至吸口附近(图6a 红色区域), 在表层海水系统运行过程中容易吸入碎冰发生冰堵。“雪龙2”号在以中速破冰过程中(密集度100%), 碎冰进入船底的部分要远小于船舷部位。

基于冰池试验分析, “雪龙2”号在表层海水采集系统研发阶段就提出了在受浮冰影响最小的地方增加吸口的建议。经过多轮研讨后, “雪龙2”号在船底箱型龙骨尾部设置了一个备用吸口(图6b 黑色区域), 备用吸口的投入可以有效缓解冰堵问题。

图6 a)“雪龙”号冰池实验 (天津大学); b)“雪龙2”号的冰池试验(ARKER)Fig.6.a) ice pool test of Xuelong (Tianjin University); b) ice pool test of Xuelong 2 (ARKER)

“雪龙2”号在取消了水箱以及对系统吸口进行优化设计的基础上, 为了在冰堵后能够快速解决堵塞并恢复使用, 针对性地设计了一套除冰结构, 能够用蒸汽和压缩空气对堵塞滤器进行融冰和吹除。当滤器被堵塞后, 系统自动发出报警,此时可以开启除冰模式, 系统会按照设定好的程序打开或关闭相关阀门, 蒸汽阀打开后蒸汽进入管路, 利用高温蒸汽融化滤器内的碎冰, 融化后蒸汽压力会将碎冰反向吹出。

“雪龙2”号在管路和电气设计上都进行了冗余设计。本系统具有两路取水口, 一是舷侧取水口, 二是船底部取水口; 同时本系统具备两套海水泵组及管路, 在一套取水口或滤器及管路发生冰堵时可自动切换至另一套管路进行供水, 供水的自动切换信号来自于管路中压力传感器的信号。取水口及海水泵的冗余设计保证了取水的连续性和可靠性。

2.4 防海生物污染

由于“雪龙2”号在海上航行时间较长, 表层海水管道内会有海洋生物附着, 包括细菌、真菌、藻类等。海洋生物的附着不仅会腐蚀管道[7], 还会污染表层海水, 造成数据误差。为了解决海洋生物附着和管道腐蚀问题, 表层海水采集系统使用一段时间后就需要进行冲洗和消毒, 达到清洁管路、防止海洋生物附着、保养管路的目的。“雪龙2”号表层水系统配置有一套反冲洗消毒装置, 可以自动控制向表层海水的管系中注入淡水, 同时计量泵会注入一定浓度的消毒水, 在转子泵的转动下消毒水在系统内不断地循环达到对管路进行消毒杀菌的作用。

3 实际应用

3.1 中国第36次南极科学考察航次中的应用情况介绍

中国第36次南极科学考察于2019年10月15日从上海出发, 2020年4月23日返回母港, 历时198天。该航次中“雪龙2”号的航线纬度跨越南北半球, 并在高纬度地区完成了环南极的航行, 为全面系统地检验表层海水连续采集系统提供了便利条件。航次中除经过他国专属经济区和停靠码头期间, 其余时间表层海水连续采集系统均连续运行, 合计运行时间达3790余小时, 其中浮冰区运行时间约1000 h。测试中连续不断地为FerryBox、实验室仪器以及培养箱等提供新鲜、洁净的表层海水。运行期间“雪龙2”号实验室安排专人对系统运行情况进行巡视检查, 并执行周度、月度和季度维护保养工作。

该航次中“雪龙2”号通过采用该系统获取了大量的连续、珍贵的表层海水相关数据, 为第36次南极科学考察提供了强有力的保障。具体情况如下。

1.在清水区, 系统使用水线下4 m的取水口进行取水, 系统持续运行一切正常。

2.在极地冰区使用时, 实验室将系统取水口切换到低位吸口, 系统能够正常采集表层海水。

3.在低航速和低密集度浮冰区整个系统连续运转无冰堵现象发生。

4.在5成以上密集度浮冰区, “雪龙2”号以12节速度连续航行时, 系统正常连续运行时间超过24 h; 长时间连续工作的海底门吸口偶尔有冰堵情况发生, 使用系统自带的除冰模式后系统能很快地恢复正常取水。

5.系统采用的双壁管保温性能良好, 海水吸口附近和检测系统所在位置测得的海水温差较小,确保了表层海水的温度数值的真实性。

6.实验室每7天执行一次系统管路清洗、消毒、淡水冲洗、海水润洗的过程, 确保管道内洁净且无生物附着。每15天切换运行泵组一次, 确保每个泵组均得到充分的磨合和休整。每30天进行一次滤器的拆洗、清洁, 确保进水顺畅。

7.表层海水采集系统采用了可编程逻辑控制器(PLC), 每台转子泵使用一台变频器驱动, 可以精确地控制泵的流量; 泵出口主管路上设置一个三通恒压阀, 可以根据实验室用水量调节开度;PLC程序根据实验室用水量对三通阀和变频器进行调节, 表层海水系统在低速航行或者实验室用水量少的情况下转子泵会以低速运行, 达到节能减排的目的。

8.设计了友好的人机界面以及丰富的控制功能, 设计了取水模式、除冰模式以及消毒模式,正常情况下一键操作, 出现故障报警后自动保护,极大地减轻了实验室人员的操作压力。

3.2 积累经验和升级改造

表层海水连续采集系统顺利通过中国第36次南极科学考察现场的应用检验, 在使用过程中也积累了一些新的经验, 为后续的优化提供了基础。

1.系统在密集浮冰区偶有冰堵发生的现象。冰堵问题是在冰区航行时最常见也是最难解决的问题, 后期将结合船舶线型对冰池试验数据进行分析整理, 对海水进口的结构形式进行改善, 尽可能减少发生冰堵的概率。

2.虽然使用了真空双壁管等新产品新技术,但是目前安装的双壁管真空度无法在现场进行检测, 而真空度是管路实现保温绝缘的重要前提。后期将在管路上增加真空表, 现场可直观地检查双壁管真空是否被破坏, 如真空度不符合设定值,将采取措施重新抽真空或用其他保温绝缘措施进行处理。

3.表层海水系统的水泵和主要管路均位于机舱内, 机舱温度较高, 虽然主要管路采用了双壁真空管, 但是分支管路以及泵体仍有部分热交换存在, 将对薄弱环节进行保温绝缘处理。

4 结论

“雪龙2”号表层海水采集系统针对实时性、高保真、防冰堵、防海生生物污染等关键技术进行了重点研发, 避免了“雪龙”号表层海水采集系统出现的问题。在中国第36次南极考察中, 表层海水采集系统作为最基础的科考装置, 为 FerryBox、实验室仪器以及培养箱等设备提供连续的表层海水, 获取了大量的科考数据, 同时也对这套系统的设计进行了有效验证。虽然表层海水采集系统总体上能够满足在南北极作业的需求, 但是仍然存在一定的缺陷与不足, 例如仍然有冰堵发生、双壁管真空度检查问题以及附属管路的保温绝缘处理等, 有待进行进一步升级改造, 解决在实际应用中存在的问题。通过不断的改进, “雪龙2”号的表层海水采集系统将更加完善, 运行更加稳定, 为我国南北极科考提供重要支撑。