朱賢輝

（浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316000）

國(guó)內(nèi)外深海環(huán)境模擬裝置的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)研究

朱賢輝

（浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316000）

深海大洋開(kāi)發(fā)是現(xiàn)代海洋開(kāi)發(fā)和海洋技術(shù)發(fā)展的前沿和制高點(diǎn)，集中體現(xiàn)了國(guó)家的綜合實(shí)力，也是目前世界大力發(fā)展的一個(gè)方向。深海環(huán)境模擬裝置主要是指模擬深海壓力環(huán)境的壓力筒和模擬深海環(huán)境的生物培養(yǎng)裝置。文章綜合了國(guó)內(nèi)外深海環(huán)境模擬裝置的最新成果，研究了國(guó)內(nèi)外深海環(huán)境模擬裝置的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)了解和認(rèn)識(shí)我國(guó)與世界先進(jìn)水平之間的差距，深入開(kāi)展我國(guó)深海環(huán)境模擬裝置的發(fā)展具有重要意義。

深海環(huán)境模擬裝置；壓力筒；發(fā)展趨勢(shì)

隨著世界經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，能源需求急劇增加，陸地可利用的不可再生資源日益匱乏。為此，世界各大國(guó)已將目光投向了深邃的海洋，并積極參與其中的資源和能源開(kāi)發(fā)和利用。

但由于深海環(huán)境惡劣復(fù)雜，海洋資源的開(kāi)發(fā)很大程度上取決于水下作業(yè)裝備的發(fā)展水平，隨著海洋資源的開(kāi)發(fā)利用區(qū)域的擴(kuò)大，并不斷向遠(yuǎn)海、深海延伸，這也要求水下作業(yè)設(shè)備同樣具備能在深海、遠(yuǎn)海工作的能力，同時(shí)也對(duì)其安全性和可靠性提出了更高的要求。由于受海洋環(huán)境條件的限制以及基于安全性的考慮，不能所有測(cè)試都進(jìn)行實(shí)際出海實(shí)驗(yàn)。因此，研究深海模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，即通過(guò)深海模擬裝置模擬實(shí)際工作環(huán)境，以檢驗(yàn)與論證相關(guān)設(shè)備在深海中的使用性能，對(duì)深海作業(yè)裝備的研制具有重要意義。

壓力是深海環(huán)境的一個(gè)重要特征，主要是受海水重力作用而產(chǎn)生，并隨著海水深度增加而增大（10 m水深處的壓力為0.1 MPa），由于深海壓力對(duì)于水下作業(yè)設(shè)備及作業(yè)工具等工作特性有著十分重要的影響。因此，基于深海壓力模擬的深海環(huán)境模擬裝置成為了深海作業(yè)設(shè)備研制過(guò)程中的重要組成部分，其結(jié)合相關(guān)設(shè)備可以在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)時(shí)模擬深海壓力環(huán)境，為水下作業(yè)設(shè)備的設(shè)計(jì)與研制提供便捷、可靠的陸地實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并方便獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果，縮短新型設(shè)備的研究周期，降低研制成本，對(duì)減少因?qū)嶋H航行和海上實(shí)驗(yàn)時(shí)造成意外的損失等具有重要的意義和實(shí)際價(jià)值。

1 國(guó)內(nèi)外深海模擬裝置的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外一些高校和科研單位對(duì)深海環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)開(kāi)展了較多研究，并基于實(shí)際應(yīng)用要求，研制了相關(guān)的深海模擬裝置，但由于各種原因，這些模擬實(shí)驗(yàn)裝置仍然存在一些不足，如功能結(jié)構(gòu)單一、或可使用容積小等。對(duì)此，本文從深海環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置發(fā)展方面出發(fā)，分別對(duì)其國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析論述。

1.1 國(guó)外深海模擬裝置的發(fā)展現(xiàn)狀

基于深海環(huán)境模擬技術(shù)不同的應(yīng)用要求以及實(shí)際工程目的，目前國(guó)外進(jìn)行的相關(guān)研究?jī)?nèi)容主要集中在對(duì)深海壓力環(huán)境的穩(wěn)壓控制或?qū)?jiǎn)單變化的動(dòng)態(tài)壓力進(jìn)行模擬等方面，技術(shù)相對(duì)較為成熟，其中以美國(guó)、日本等最具代表性。根據(jù)不同試驗(yàn)需求，上述國(guó)家通過(guò)對(duì)深海環(huán)境壓力模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行研究，研制出了多種不同應(yīng)用要求的深海環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置，主要可以分為兩大類：（1）為了研究深海裝備的工作性能而研制的以壓力為主要參數(shù)的大容積的深海環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置；（2）為了研究深海微生物的生存習(xí)性而研制的微小型、超高壓深海極端環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置。

日本海洋-地球科技研究所（Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology Center，JAMSTEC）的深海模擬裝置（壓力筒）直徑為1.4 m，有效工作深度為3 m，最高工作壓力為147 MPa（可模擬近15 km水深的壓力），可用于水下幾點(diǎn)裝備、客體、各類材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度、密封性能及高壓條件下的操作運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)（見(jiàn)圖1）。

圖1 JAMSTEC深海模擬壓力筒

美國(guó)西南研究院（SwRI?）在模擬深海壓力環(huán)境方面提供多種多樣的服務(wù)，可進(jìn)行靜壓、循環(huán)和破壞測(cè)試，其所具有的壓力筒如圖2所示。其所屬設(shè)備涵蓋系列化直徑為0.2～2.3 m，有效工作長(zhǎng)度為0.86～7.3 m，工作壓力23～207 MPa，可測(cè)試內(nèi)容包括：深海設(shè)備、耐壓管、水下儀器儀表、電纜、接頭、油田生產(chǎn)設(shè)備及安全設(shè)備等。

圖2 SwRI?深海模擬壓力筒

挪威Oslo FMC 采油樹(shù)制造工廠的深海模擬壓力筒（見(jiàn)圖3）是專用于水下采油樹(shù)SCM模塊的外壓測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)，該壓力筒直徑為0.8 m，有效工作深度為0.8 m，最高工作壓力為34.5 MPa（可模擬近3.5 km水深的壓力），可測(cè)試內(nèi)容包括：SCM模塊靜水環(huán)境下壓力、密封測(cè)試；SCM模塊靜水環(huán)境下壓力循環(huán)測(cè)試；SCM模塊的帶壓控制功能操作測(cè)試。由加壓水泵及管路系統(tǒng)、分體式圓柱筒體、SCM控制用加壓油泵及管路系統(tǒng)、筒體上測(cè)試SCM帶壓控制功能用電液接口、筒內(nèi)測(cè)試用支架、控制臺(tái)、吊裝等分系統(tǒng)組成。

圖3 SCM外壓測(cè)試用壓力筒

美國(guó)Minnesota大學(xué)地質(zhì)地球物理系研制了一套深海極端環(huán)境模擬裝置，如圖4所示，該模擬裝置的設(shè)計(jì)方案比較簡(jiǎn)單，整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)高壓微量泵以及單向閥給反應(yīng)釜進(jìn)行加壓，采用現(xiàn)成的商業(yè)化控制閥技術(shù)，即通過(guò)步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開(kāi)口大小對(duì)反應(yīng)釜出口的培養(yǎng)液流量進(jìn)行微量控制，流量控制精度可達(dá)±0.1 mL，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于不同極端壓力環(huán)境的模擬內(nèi)容，其最高工作壓力可達(dá)45 MPa，相當(dāng)于4.500 km深海對(duì)應(yīng)的壓力環(huán)境。但由于該模擬裝置的反應(yīng)釜容積較小，致使其實(shí)際使用功能存在一定的局限性，僅僅適用于對(duì)深海微生物進(jìn)行培養(yǎng)等較少的場(chǎng)合。

圖4 美國(guó)Minnesota大學(xué)研制的深海微生物培養(yǎng)裝置

1.2 國(guó)內(nèi)深海模擬裝置的發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，我國(guó)的一些高校和科研單位在深海環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面也開(kāi)展了較多的研究，并取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，研究?jī)?nèi)容主要集中在“定深靜壓”等方面，其主要目的是為相關(guān)水下設(shè)備的研制提供一個(gè)穩(wěn)定的靜壓實(shí)驗(yàn)環(huán)境，相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)主要為上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)以及中船重工研究所等。

上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)建造了2 km深海環(huán)境模擬裝置和4 km深水高壓環(huán)境試驗(yàn)筒，主要用于水下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性試驗(yàn)設(shè)備（見(jiàn)圖5）。

圖5 上海交大的深海模擬壓力筒

浙江大學(xué)在舟山校區(qū)建設(shè)的總投資3500多萬(wàn)元的60 MPa壓力筒項(xiàng)目，已于2016年11月通過(guò)了由中科院三亞深海所許惠平教授任組長(zhǎng)的專家組的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和驗(yàn)收。該壓力筒是模擬水下壓力環(huán)境的設(shè)備，主要承擔(dān)深海裝備的承壓設(shè)備和耐壓結(jié)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間在深水條件下的性能模擬實(shí)驗(yàn)任務(wù)。60 MPa壓力筒可以模擬相當(dāng)于水下6 km的壓力環(huán)境，涵蓋了地球95%以上深海大洋區(qū)域。該壓力筒內(nèi)徑3 m，有效工作高度4 m，可以將小型深潛器放進(jìn)去做整體性能測(cè)試（見(jiàn)圖6）。該項(xiàng)目的建成，大大提高了浙江大學(xué)的海洋裝備水平及水下運(yùn)載工具試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

中船重工某研究所有一個(gè)專門(mén)的高壓艙車(chē)間，對(duì)實(shí)體或模型進(jìn)行壓力測(cè)試，壓力測(cè)試的對(duì)象主要是軍工方面，如潛艇壓力艙的模型。目前有6個(gè)壓力筒，壓力等級(jí)從7 MPa到90 MPa不等，關(guān)鍵接口使用水密接插件。該研究所計(jì)劃在青島建造臥式8 m直徑，長(zhǎng)30 m，20 MPa壓力筒及一個(gè)壓力90 MPa，直徑3 m，高4.5 m的壓力筒（見(jiàn)圖7）。

2 深海模擬裝置的發(fā)展趨勢(shì)

綜合上述分析，由于實(shí)際應(yīng)用要求的不同，目前國(guó)內(nèi)外研制的深海環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置仍然存在一些不足，比如壓力筒，其主要功能為模擬深海某一深度對(duì)應(yīng)的壓力環(huán)境，相對(duì)而言試驗(yàn)內(nèi)容單一。又如深海微生物培養(yǎng)裝置，雖然其模擬的壓力范圍大并且模擬深海微生物生存環(huán)境，但其使用容積較小。

2.1 深海模擬裝置向自動(dòng)化、大體積、高壓力發(fā)展

未來(lái)的深海模擬裝置將朝著自動(dòng)化、大體積、高壓力方向發(fā)展。適應(yīng)各種大型復(fù)雜的深潛設(shè)備、裝置的試驗(yàn)的同時(shí)，提高深海模擬裝置的試驗(yàn)效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度及減少人為操作的誤差。同時(shí)，可對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行整體投放測(cè)試，免去了模型制作的麻煩及帶來(lái)的試驗(yàn)誤差，并盡可能涵蓋全水域壓力。

圖6 浙江大學(xué)的60 MPa壓力筒

圖7 中船重工某研究所的深海模擬壓力筒

2.2 深海模擬裝置向綜合化、可視化發(fā)展

現(xiàn)階段，很多深海模擬裝置都缺乏測(cè)試全過(guò)程監(jiān)控，同時(shí)，模擬單一，缺乏深海環(huán)境的綜合模擬。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和新材料的不斷革新，耐深海高壓的水下攝像系統(tǒng)的價(jià)格不會(huì)再像現(xiàn)在這么昂貴。而配備了水下攝像系統(tǒng)之后，整個(gè)加壓過(guò)程可視，更有助于深海裝備的研制。

伴隨著不同的需求，深海裝備、深海取樣保壓技術(shù)、深海微生物培養(yǎng)等需要一個(gè)完整的試驗(yàn)系統(tǒng)，而不是一個(gè)功能性試驗(yàn)造一個(gè)系統(tǒng)。這樣既有利于一次進(jìn)行綜合環(huán)境試驗(yàn)，也有利于減少同類設(shè)備的重復(fù)投入。

2.3 深海模擬裝置向?qū)崢I(yè)支撐方向發(fā)展

深海模擬裝置提供的服務(wù)，歸根到底是為了服務(wù)社會(huì)，服務(wù)人的發(fā)展，為此，隨著社會(huì)對(duì)深海的不斷探索，相關(guān)產(chǎn)業(yè)勢(shì)必會(huì)蓬勃發(fā)展。伴隨著這些發(fā)展而來(lái)的深海裝備制造將更好的服務(wù)于海洋資源勘探，以滿足人類源源不斷的能源礦產(chǎn)需求。而深海微生物的取樣保真及培養(yǎng)技術(shù)則將有助于使其基因資源在農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用更為廣泛。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外深海環(huán)境模擬裝置的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)深海環(huán)境模擬裝置在隨著現(xiàn)階段海洋大開(kāi)發(fā)特別是向深海大洋開(kāi)發(fā)的背景下，有了切實(shí)的科研生產(chǎn)需求及應(yīng)用，但同時(shí)也存在著一些不足，根據(jù)國(guó)內(nèi)外的這些裝備信息與實(shí)際存在的不足，本文提出了關(guān)于該行業(yè)領(lǐng)域深海環(huán)境模擬裝置的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)了解和認(rèn)識(shí)我國(guó)與世界先進(jìn)水平之間的差距，深入開(kāi)展我國(guó)深海環(huán)境模擬裝置的發(fā)展具有重要的意義。

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Study on the current status and develop trend of simulating devices in deep sea environment at home and abroad

Zhu Xianhui
（Ocean College, Zhejiang University, Zhoushan 316000, China）

The deep sea ocean development is the frontier and commanding point of modern marine development and marine technology development, which embodies the comprehensive strength of the country. It is one of the vigorously develop directions in the world. The simulating devices in deep sea environment mainly refers to the simulation of deep sea pressure environment of the pressure tube and simulating deep sea environment of biological culture device. This paper integrated the latest achievements and studied the current status and develop trend of simulating devices in deep sea environment at home and abroad. It is good to help people to understand the gap the advanced level between China and the world, it also has important signi fi cance to develop simulating devices in deep sea environment in China.

simulating devices in deep sea environment; pressure tube; develop trend

朱賢輝（1984— ），男，浙江舟山人，碩士，工程師；研究方向：傳感器設(shè)計(jì)制造與應(yīng)用，海洋工程類大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行與管理。