陳雅雪，楊沈陽，彭競(jìng)儀

（武漢理工大學(xué) 法學(xué)與人文社會(huì)學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 研制背景及意義

隨著人類科技的發(fā)展，人類的運(yùn)輸路線已經(jīng)不局限于大陸地區(qū)，在海洋上也有很多海上運(yùn)輸方式，而海底管道作為目前海上最快、最便捷的液氣海上運(yùn)輸方式，在海上運(yùn)輸中起到了重要作用。然而由于海洋中有多種海洋生物，海洋管道在水下放置一段時(shí)間后，海洋管道的管道口以及管道內(nèi)壁上會(huì)附著大量藤壺、藻類等海洋污損生物，這些海洋污損生物會(huì)影響海洋運(yùn)輸?shù)男?，也?huì)導(dǎo)致海洋管道的腐蝕速度加快，嚴(yán)重影響了海底管線的使用壽命。

由于海底管道一般采用鋼質(zhì)管道，表面抗腐蝕涂劑耗損后，管道耐腐蝕性較差，修復(fù)費(fèi)用較高且修復(fù)難度大。當(dāng)海洋管道被吸附的海洋生物腐蝕洞穿以后，會(huì)造成海洋管道內(nèi)部運(yùn)輸?shù)囊簹獾男孤粌H大大降低了海洋管道運(yùn)輸速率，還會(huì)造成泄漏管體周圍水域的水體污染，加劇海洋生態(tài)環(huán)境的惡化。

而現(xiàn)有海洋管道管體及管內(nèi)壁的海洋生物處理技術(shù)主要分為生物清理、物理清理、化學(xué)清理這三個(gè)方向。其中，多數(shù)清理方法只在實(shí)驗(yàn)室條件下得以應(yīng)用，不具有普適性，且大部分方法不能達(dá)到低成本解決海洋生物附著問題的效果，常常需要停工清洗整條海洋管道，造成巨大的資源浪費(fèi)、經(jīng)濟(jì)損失。因此需要尋找一種不影響海洋管道原有運(yùn)輸效率，且能有效處理海洋管道上海洋生物附著問題的裝置。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 工作原理

該裝置通過設(shè)置若干連續(xù)磁化裝置對(duì)進(jìn)入管道的海水進(jìn)行磁化，磁化的海水水質(zhì)發(fā)生變化，從而使其pH 值、電導(dǎo)率、水分子張力等條件變化至不再適應(yīng)海洋附著生物生存，使附著生物幼蟲無法分泌粘膜，難以依附在管道內(nèi)壁。磁化海水時(shí)，裝置核心部分通過多個(gè)勵(lì)磁線圈產(chǎn)生疊加均勻磁場(chǎng)，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，垂直于磁力線通過磁場(chǎng)的海水便可被磁化到能抑制附著生物所需要的程度。

2.2 各模塊介紹

裝置整體模型如圖1 所示。

圖1 裝置整體模型示意圖（去外殼）

2.2.1 海水磁化模塊

磁化模塊由多對(duì)勵(lì)磁線圈繞組、對(duì)應(yīng)磁極以及固定裝置組成。

勵(lì)磁線圈繞組分別成對(duì)纏繞在磁極上，主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，向勵(lì)磁線圈之中通入變化的交流電流時(shí)，交流電流在沿線圈中心方向激發(fā)出徑向磁場(chǎng)。當(dāng)多個(gè)勵(lì)磁線圈繞組產(chǎn)生的疊加磁場(chǎng)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，可以將海水磁化到能抑制海洋生物生存的程度。同時(shí)，產(chǎn)生的磁力線始終與水流運(yùn)動(dòng)方向相互垂直，使具有導(dǎo)電性的海洋水流在按一定流速通過磁化裝置進(jìn)入海水管道時(shí)能夠被最大化磁化。

磁極個(gè)數(shù)為偶數(shù)，且極性交替出現(xiàn)，可以按對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)置。固定裝置主要包括環(huán)狀外殼與若干個(gè)固定壓桿，環(huán)狀外殼直徑設(shè)計(jì)為可與海水管道對(duì)接配合，固定壓桿設(shè)計(jì)為連桿結(jié)構(gòu)，環(huán)繞在外殼一周。固定壓桿可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，即可同時(shí)與海水管道上對(duì)應(yīng)的凸出部分相連，以保證磁化裝置的穩(wěn)固性，而環(huán)外側(cè)上下左右四個(gè)方位分別固定磁極與勵(lì)磁線圈繞組。

2.2.2 安裝清理模塊

本裝置通過改變海水管道進(jìn)水口內(nèi)水體環(huán)境的方式，從源頭抑制微生物吸附。但對(duì)于部分管道口已存在吸附生物的老舊管道仍需設(shè)置一次性清理裝置。

裝置采用鐘表指針結(jié)構(gòu)，由驅(qū)動(dòng)桿、旋轉(zhuǎn)桿、固定滑塊組成。旋轉(zhuǎn)桿一端固定于驅(qū)動(dòng)桿中點(diǎn)處，驅(qū)動(dòng)桿中點(diǎn)始終位于海水管道中心軸處，固定滑塊有兩個(gè)分別固定于旋轉(zhuǎn)桿兩端，二者成90°垂直固定，以防止旋轉(zhuǎn)桿側(cè)倒，滑塊可以在管道內(nèi)部滑動(dòng)。驅(qū)動(dòng)桿與旋轉(zhuǎn)桿迎水面均為長風(fēng)扇形狀，海水從管道口進(jìn)入時(shí)驅(qū)動(dòng)桿與旋轉(zhuǎn)桿前進(jìn)，由于桿迎水面成風(fēng)扇狀面，因此兩桿在前進(jìn)時(shí)也會(huì)隨之旋轉(zhuǎn)。而在旋轉(zhuǎn)桿遠(yuǎn)端為角塊，可以在旋轉(zhuǎn)過程中刮下附著在管道內(nèi)壁上的海洋生物。由于對(duì)管道內(nèi)水體環(huán)境的改變，不會(huì)有新生污損生物附著在管道內(nèi)，清理裝置只需進(jìn)行一次清理即可。通過實(shí)驗(yàn)，得到清理時(shí)間，在工作一段時(shí)間后，裝置自行解體，隨管道進(jìn)入管道原有設(shè)計(jì)的過濾網(wǎng)中，進(jìn)行收集。

2.2.3 能量供電模塊

由于裝置的磁化模塊，需要輸入高頻交變電流來維持磁場(chǎng)的強(qiáng)度，因此采用移動(dòng)充電裝置作為供電模塊，供電模塊主要由海面漂浮平臺(tái)、電線、升壓裝置組成。

為方便定期更換電池，海洋漂浮平臺(tái)內(nèi)置有電池，同時(shí)裝置也可與其他海洋發(fā)電設(shè)備，如太陽能發(fā)電、波浪能發(fā)電設(shè)備等直接相連，以實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)。

電線包含于特殊軟管之中，電線一端與海洋漂浮平臺(tái)相連，另一端與磁化模塊上升壓裝置相連。

升壓裝置主要位于磁化模塊上，主要用升壓裝置來將電壓升高到所需強(qiáng)度，電壓經(jīng)過升壓模塊升高后直接加在勵(lì)磁線圈之中。

2.2.4 可調(diào)節(jié)模塊

調(diào)節(jié)模塊主要實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)磁感應(yīng)強(qiáng)度與通信的功能，具體可分成兩個(gè)部分。

由于海水管道在一年中不同時(shí)期被附著生物侵入的頻率并不是恒定不變的，相反有規(guī)律可循，因此可以根據(jù)附著污染生物的密度來調(diào)節(jié)磁化模塊產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度。同時(shí)采用脈沖間歇式電流為裝置供電，實(shí)現(xiàn)裝置的即用即停，從而減少電量的損耗。

通信部分位于海洋漂浮平臺(tái)上，主要用于發(fā)送和接收各種指令，當(dāng)裝置中電池本身儲(chǔ)存電量減少到一定程度時(shí)，裝置通過通信模塊向總船發(fā)送對(duì)應(yīng)指令與位置，總船定期更換電池。

2.3 工作流程

本裝置設(shè)計(jì)有兩個(gè)工作模式，即磁化模式與靜默模式。

當(dāng)海洋污損生物處于繁殖高峰期時(shí)（如夏秋季節(jié)），磁化裝置通過遠(yuǎn)程控制進(jìn)入磁化模式并進(jìn)行高頻率工作，并可以根據(jù)海洋污損生物的密度適當(dāng)?shù)卣{(diào)整產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小與工作頻率；當(dāng)海洋污損生物處于傳播低谷期時(shí)，磁化裝置通過遠(yuǎn)程控制進(jìn)入靜默模式，開始由持續(xù)磁化轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄆ陂g隔磁化狀態(tài)。裝置工作流程如圖2 所示。

圖2 裝置工作流程圖

3 效益分析

海洋生物（生物污損）在海水管道內(nèi)大量生長會(huì)明顯阻塞管道，特別是一些小型幼蟲蟲卵，會(huì)輕易躲過濾網(wǎng)依附于管道內(nèi)壁之上進(jìn)行生長繁殖，這不僅影響相關(guān)設(shè)備工作性能，減少使用壽命，還會(huì)增加運(yùn)轉(zhuǎn)能耗。以下分兩個(gè)方面對(duì)裝置產(chǎn)生的效益進(jìn)行分析。

3.1 節(jié)能減排效益

減少管道堵塞：由于海水管道內(nèi)部水流單向流動(dòng)，大量生物附著生物必然導(dǎo)致可能管道堵塞，從而影響抽水設(shè)備使用壽命，還會(huì)增加運(yùn)轉(zhuǎn)能耗，耗費(fèi)更多能源。同時(shí)管道內(nèi)污損生物產(chǎn)生生物酸堿會(huì)影響水質(zhì)，增加后續(xù)凈化難度。

假設(shè)管道通徑Φ=1.6 m，設(shè)計(jì)深度35 m（壓強(qiáng)P=5.1×106Pa），聯(lián)合抽水泵單體功率P=100 kW，設(shè)計(jì)流量Q=15 m3/min。查閱資料可知，當(dāng)海洋污損生物附著后，通流面減小會(huì)產(chǎn)生流量損失γ=2%～5%。

則實(shí)際抽水泵工作功率為：

海水淡化站一天工作12 h，則每單體泵可節(jié)約電量（Pp－P）×12=63.12 kW·h。

即通過本項(xiàng)目優(yōu)化后，降低聯(lián)合抽水泵的能耗，節(jié)省63.12 kW·h 電能，節(jié)能減排效益可觀。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

減少管道腐蝕：以微生物所致海底管道腐蝕占主要部分，而微生物腐蝕海水管道主要以孔蝕為主。微生物引起的局部腐蝕速率破壞速率約為v=1 mm/年，一個(gè)正常海水管道的厚度s≈12 mm，則最快出現(xiàn)孔蝕的時(shí)間t=s/v，考慮到管道新舊的因素（假設(shè)從第5 年開始海洋微生物污損達(dá)到一定程度，開始對(duì)管道產(chǎn)生影響），則t=12 年，即從17 年之后便開始對(duì)管道進(jìn)行修補(bǔ)型維護(hù)。

海底管道腐蝕深度對(duì)于剩余壽命及失效壓力的影響如圖3 所示。

圖3 海底管道腐蝕深度對(duì)于剩余壽命及失效壓力的影響

相比之下，采用本裝置可有效避免微生物污損進(jìn)入管道內(nèi)部對(duì)管道造成影響，可有效提高使用年限10～20 年左右，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

本裝置主要應(yīng)用于海水管道內(nèi)部生物附著的清理，裝置可以直接外掛在海水管道入水口，裝卸方便，并且從源頭阻止微生物在內(nèi)壁附著，也無需進(jìn)入管道內(nèi)，使用方便。同時(shí)，本裝置經(jīng)過改進(jìn)后還可應(yīng)用于其他類型管道（如船舶管道、湖泊淡水管道、排水管道等）進(jìn)水口，未來應(yīng)用前景較大。