李友熾, 王 貴, 吳敬權(quán), 鄧培昌, 張福泉, 黃俊毅

海洋污損生物藤壺生長過程及附著強度研究

李友熾1, 王 貴1, 吳敬權(quán)1, 鄧培昌2, 張福泉1, 黃俊毅1

(1. 廣東海洋大學(xué) 機械工程學(xué)院, 廣東 湛江 524000; 2. 廣東海洋大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院, 廣東 湛江 524000)

研究海洋污損生物藤壺()不同生長階段附著強度, 可為科學(xué)制定藤壺清除規(guī)范及設(shè)計相關(guān)機械設(shè)備提供依據(jù)。本文采用浸泡法在湛江調(diào)順島(21°31′N, 110°41′E)實海中掛板, 結(jié)合形貌觀察藤壺生長過程, 利用自行設(shè)計的剪切強度測試裝置, 選取網(wǎng)紋藤壺測試不同生長階段剪切強度。結(jié)果表明: 試板浸泡10 d, 幼體藤壺開始附著; 30 d試板表面藤壺覆蓋面積約占30%, 基底直徑1～6 mm, 部分藤壺死亡形成空殼; 60 d試板約50%面積被藤壺覆蓋, 試板表面有覆膜, 空殼現(xiàn)象加劇, 藤壺基底直徑最大達(dá)10 mm; 90 d試板約95%面積被藤壺覆蓋, 出現(xiàn)藤壺相疊現(xiàn)象, 基底直徑1～13 mm。藤壺附著生長過程中, 剪切強度變化符合“快-慢”的特點, 以藤壺基底直徑為變量, 構(gòu)建藤壺剪切強度Logistic增長模型, 決定系數(shù)2=0.99, 說明模型擬合良好。利用構(gòu)建的Logistic增長模型將藤壺剪切強度劃分為速增期(基底直徑4.0～6.4 mm), 緩增期(基底直徑6.4～8.7 mm)及漸停期(基底直徑>8.7 mm)3個階段。結(jié)合藤壺附著生長過程, 藤壺在附著后采用機械方式清除的最佳清除時期在速增期。

網(wǎng)紋藤壺(); 生長過程; 實驗裝置; 剪切強度; Logistic增長模型

海洋污損生物指附著在船舶、浮標(biāo)、海底管線、養(yǎng)殖設(shè)施等海洋工程裝備表面, 對人類經(jīng)濟活動產(chǎn)生不良影響的動物、植物和微生物的總稱[1]。海洋污損生物附著是長期且復(fù)雜的自然選擇、生態(tài)演替過程[2]。污損生物大量附著會降低艦船航速, 堵塞海水管道系統(tǒng), 降低水中設(shè)備、儀表及轉(zhuǎn)動部件的靈敏度, 干擾海洋聲學(xué)儀器正常工作, 增加海洋工程設(shè)施重量, 加大其外載荷, 削弱抵抗風(fēng)浪能力, 縮短使用壽命[3-5]。此外, 海洋污損生物在金屬表面附著改變腐蝕環(huán)境, 進一步增加了金屬材料發(fā)生局部腐蝕或腐蝕穿孔的風(fēng)險, 嚴(yán)重影響金屬構(gòu)件的使用壽命及安全[6-8]。海洋污損生物清除是人類開發(fā)海洋資源不可逾越的障礙, 也是各國迫不及待需要解決的問題。

NOBUHIRO[9]根據(jù)海洋污損生物對基體附著力大小分為微污損生物, 軟性污損生物和硬性污損生物。藤壺()屬于硬性污損生物[10-11], 是南海海域具有代表性的一類海洋污損生物, 具有很好的環(huán)境適應(yīng)能力, 繁殖能力較強[12-13]。幼體藤壺分泌藤壺膠將藤壺鈣質(zhì)外殼與附著基體黏附在一起[14]。藤壺膠具有粘性大、不溶于水的特點[15]。成年藤壺分泌的膠結(jié)厚度約為5～6 μm, 一旦附著, 若沒有受到外力作用, 便不會移動或分離[16-19]。目前, 關(guān)于藤壺污損防除的研究主要集中于藤壺膠成分分析, 藤壺附著強度研究相對較少。HUI等[20]建立了垂直力作用下藤壺脫落力學(xué)模型, 通過有限元模擬分析藤壺基底直徑1.5～5 mm的附著強度, 然而未考慮到藤壺在海洋環(huán)境下生長的復(fù)雜性以及基底直徑大于5 mm后的附著強度變化。HUANG等[21]建立了剪切力作用下藤壺脫落力學(xué)模型, 主要討論kendall模型的適用性和非均勻性的影響, 藤壺附著強度變化問題仍然沒有得到很好解決。

藤壺附著強度測試根據(jù)加載方式不同分為拉伸強度測試和剪切強度測試。YULE等[22]設(shè)計一種藤壺拉伸強度測試裝置如圖1a, 用鑷子將藤壺體掏空, 向空殼內(nèi)注入氰基丙烯酸酯黏合劑固定鋼絲繩, 再使用拉伸裝置測試其附著強度。但在掏空藤壺時, 易破壞藤壺鈣質(zhì)外殼, 影響鈣質(zhì)基底的黏接, 且無法保證氰基丙烯酸酯粘合劑對藤壺拉伸強度的影響。劉建林等[23]設(shè)計了海洋生物黏附力測試裝置如圖1b, 力傳感器首端用連接線連接沙盒, 末端使用專用夾具夾住附著物, 向沙盒里緩慢施加水, 直至附著物脫落。此裝置的力傳感器處于懸空狀態(tài), 運動過程中無法保證測量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性, 需要設(shè)計專門的夾具。相較而言, 本文設(shè)計的剪切強度測試裝置無需對藤壺進行處理, 且不需設(shè)計專用夾具, 操作簡單, 效率較高, 便于對不同生長階段的藤壺進行測試。

圖1 拉伸強度測試裝置示意圖

a. 藤壺拉伸強度測試裝置[22]; b. 海洋生物黏附力測試裝置[23]

藤壺剪切強度測試國內(nèi)尚無相關(guān)試驗標(biāo)準(zhǔn), 美國材料試驗協(xié)會制定試驗標(biāo)準(zhǔn)D5618-20[24]。ASTM D5618-20試驗規(guī)范中, 通過手持測力裝置, 向藤壺基底施加力, 直至將其從表面移除, 然而手持測力計向藤壺施力過程無法保證力的均衡性且不能記錄力的變化和峰值。為獲取不同生長階段藤壺附著強度, 在湛江調(diào)順島(21°31′N, 110°41′E)實海中進行掛板, 選取南海海域常見的網(wǎng)紋藤壺為研究對象, 設(shè)計剪切法測試藤壺附著強度試驗裝置, 結(jié)合藤壺附著生長過程, 測試藤壺不同生長階段的附著強度。通過分析藤壺在不同生長階段的附著強度, 為科學(xué)制定藤壺清除規(guī)范及設(shè)計相關(guān)機械設(shè)備提供依據(jù)。

1 實驗材料與方法

1.1 試板的制備

試驗材料選取鈦合金板(TC4), 制備3個平行樣, 試板尺寸為350 mm×250 mm×3 mm, 并在試板的四個角鉆孔, 直徑為8 mm。實驗前, 分別利用丙酮, 無水乙醇對試板進行除油、脫水處理。試板固定框架材料采用304不銹鋼材質(zhì)的角鋼, 截面尺寸為25 mm×25 mm×3 mm, 將角鋼焊接成3檔框架, 尺寸為950 mm×450 mm。使用扎帶將試板固定在框架上, 試板與框架之間保持一定的間距, 如圖2所示。

圖2 試板固定示意圖

1.2 藤壺剪切強度測試裝置設(shè)計

圖3是剪切法測試藤壺附著強度裝置, 主要包括工作臺、驅(qū)動模塊、推拉力計、刀具、測試平臺和升降臺。驅(qū)動模塊和升降臺分別設(shè)在工作臺的兩端, 其中驅(qū)動模塊包括直流電源、步進電機、兩相驅(qū)動器和DKC-Y110步進電機控制器, 測試平臺設(shè)在升降臺上, 推拉力計的一端與驅(qū)動模塊的輸出端連接, 另一端與刀具連接; 測試平臺用于固定試板, 驅(qū)動模塊用于驅(qū)動刀具并對樣板上的測試藤壺底部施加作用力。圖4是剪切強度測試裝置實體圖, 由于藤壺之間間距較小, 且為避免撞擊, 試驗前先在DKC-Y110步進電機控制器中設(shè)置步進電機運行速度為1 mm/s, 試板固定在測試平臺, 調(diào)節(jié)測試平臺上的軸運動模組, 使待測藤壺處于刀具中間位置, 再調(diào)整升降臺在軸方向運動, 使刀具底面盡可能貼近試板, 啟動步進電機驅(qū)動刀具在軸方向運動, 直至測試完成。與手持測力裝置相比, 藤壺剪切強度測試裝置在步進電機的驅(qū)動下, 能夠提供穩(wěn)定的運行速度、路徑和方向, 優(yōu)化了手持測力裝置操作角度偏差以及力不穩(wěn)定的情況。且在測試過程中, 推拉力計所受的阻力變化可通過數(shù)據(jù)端口傳輸?shù)缴衔粰C軟件保存, 簡單方便。

圖3 測試裝置模型圖

圖4 測試裝置實體圖

1.3 試驗方法

試板投放于湛江調(diào)順島(21°31′N, 110°41′E), 全年月平均水溫16.3～32.6 ℃, 鹽度為24.2～26.9, pH在8.10～8.22, 濁度在8.60～13.6 FTU范圍內(nèi)。將試板浸入海中2 m深處, 使用Nikon D800E相機記錄藤壺不同生長階段形貌, 使用超景深顯微鏡對藤壺脫落面進行觀察, 使用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測量藤壺基底直徑等生長參數(shù), 藤壺剪切強度按照如下公式進行計算:

其中,為藤壺基底直徑(mm);為藤壺基底附著面積(mm2);為剪切力(N);為藤壺剪切強度(MPa)。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 藤壺的生長過程

藤壺生活周期有4個階段[25], 分別為無節(jié)幼蟲時期、金星幼蟲時期、幼體藤壺和成體藤壺, 主要生活方式分為浮游生活和固著生活, 金星幼蟲探尋到合適的區(qū)域后就會開始附著。圖5為試板在海水中浸泡不同時期藤壺的生長情況。在浸泡10 d時, 觀察有幼體藤壺附著在試板表面, 個體較小, 基底直徑約1～3 mm(圖5a)。幼體藤壺分泌藤壺初生膠, 將藤壺鈣質(zhì)外殼與試板黏附在一起。30 d時, 藤壺數(shù)量逐漸增多, 覆蓋試板約30%面積, 基底直徑約1～6 mm, 幼體藤壺出現(xiàn)死亡, 形成空殼(圖5b), 部分空殼在海水的沖刷下脫落。60 d時, 試板50%的面積被藤壺覆蓋, 試板表面存在一層覆膜, 對藤壺的生存造成影響, 空殼現(xiàn)象加劇, 該時期存活下來的藤壺基底直徑達(dá)10 mm(圖5c)。90 d時, 試板表面約95%的位置被藤壺覆蓋, 個別位置出現(xiàn)藤壺相疊現(xiàn)象, 藤壺基底直徑大小不一, 約為1～13 mm(圖5d)。根據(jù)BERTALANFFY[26]構(gòu)建的生物個體生長模型:′=r[∞–()],為時刻藤壺基底直徑,為生長時間,r代表生長率,∞為藤壺個體極限基底直徑, 這表明藤壺與大多數(shù)無脊椎動物類似, 若生長時間足夠長, 同一種群的個體最終趨向于相同大小, 即藤壺的生長過程可以使用生長時間和藤壺基底直徑表示。

試板表層除了可見污損生物, 還存在顆粒狀的“生物泥”。“生物泥”由微生物、有機或無機顆粒沉積、微藻、苔蘚蟲幼體、管棲多毛類的泥管和石灰質(zhì)管組成, 如圖6所示?！吧锬唷钡男纬墒且驗榧?xì)菌和硅藻等微生物膜加上有機或無機顆粒的運動、黏附和沉積作用, 使微生物膜增厚[27]。藤壺幼體在生物膜上附著, 以微生物為餌料繁衍, 與多種生物競爭, 最后因繁殖力強、數(shù)量大, 在一定時期內(nèi)成為優(yōu)勢群體。

圖5 試板在海水中浸泡不同時期藤壺的生長

a. 10 d; b. 30 d; c. 60 d; d. 90 d

圖6 試板表面附著組成結(jié)構(gòu)示意圖

1. 基體; 2. “生物泥”: 微生物、有機或無機顆粒沉積、微藻、苔蘚蟲幼體、管棲多毛類的泥管、石灰質(zhì)管等

2.2 藤壺不同生長階段剪切強度測試結(jié)果

對不同生長階段的藤壺進行篩選, 將外殼破損、開裂、空殼和基底隆起的藤壺清除, 保留基底平坦且完全附著于試板上的藤壺進行測試, 測試樣本數(shù)為200。圖7為藤壺脫落后試板的表面形貌圖。藤壺從試板上脫落后, 使用超景深顯微鏡對試板上藤壺脫落位置進行觀察, 發(fā)現(xiàn)表面平整光滑, 條紋清晰。BERGLIN等[28]通過電子顯微鏡和紅外光譜分析表明鈣以方解石的形式存在于藤壺的鈣質(zhì)外殼和基底中。方解石由不規(guī)則的柱狀碳酸鈣晶體排列而成, 每個晶體間由有機基質(zhì)連接, 受到外力時, 裂紋會沿著碳酸鈣向外擴展, 因此方解石的斷裂韌性相對薄弱[29]。故在對藤壺進行剪切強度測試時, 藤壺鈣質(zhì)外殼受力并不會發(fā)生變形。同時, 根據(jù)ASTM D5618-20試驗規(guī)范要求, 將測試中藤壺基底在試板上殘留面積超過10%的數(shù)據(jù)剔除, 結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出, 隨著藤壺基底直徑的增大, 藤壺剪切強度總體趨勢在逐漸增大, 數(shù)據(jù)點相對集中, 表明藤壺直徑與剪切強度之間具有較強的相關(guān)性。

圖7 藤壺脫落后試板的表面形貌圖

圖8 藤壺直徑與剪切強度散點圖

圖9為藤壺單位直徑范圍平均剪切強度。藤壺剪切強度測試受環(huán)境因素或人為操作誤差等多種因素影響, 測試結(jié)果存在不一致的偏差, 對藤壺單位直徑范圍的剪切強度取平均值作圖, 圖中的紅色誤差棒為上偏差, 藍(lán)色誤差棒為下偏差。從圖中的變化趨勢可以看出, 藤壺剪切強度變化呈現(xiàn)“快-慢”的特點, 符合Logistic曲線方程的變化規(guī)律, 因此使用Logistic曲線方程進行擬合。

圖9 藤壺單位直徑范圍平均剪切強度

利用Logistic曲線方程對藤壺剪切強度變化進行擬合, Logistic曲線方程:

式中:為藤壺剪切強度, 單位MPa;為藤壺基底直徑, 單位為mm,和為待求系數(shù)。經(jīng)過Logistic曲線方程擬合, 求得=16.29;=35.46;=0.56。即擬合方程所得Logistic曲線方程為:

2=0.99, 說明方程擬合良好, 如圖10。

圖10 單位基底直徑范圍下的藤壺剪切強度平均值擬合

對擬合求得的Logistic曲線方程求二階導(dǎo), 公式如下:

令″=0, 求得的值為6.4mm, 在該點藤壺剪切強度增長速率最大, 同時也是剪切強度由速增至緩增的分界點。

對Logistic曲線方程求三階導(dǎo), 公式如下:

令″′=0, 求得值為4.0和8.7 mm。=4.0 mm是藤壺附著后至剪切強度開始速增的分界點, 而8.7 mm是剪切強度由緩增至漸停的分界點。

3個點均為Logistic曲線方程的拐點, 結(jié)合所測數(shù)據(jù)將藤壺剪切強度變化情況劃分為3個階段, 速增期4.0～6.4 mm, 該時期剪切強度增長速率逐漸加快, 到6.4 mm時, 增速達(dá)到最大。WENDT等[30]研究表明, 當(dāng)藤壺的基底直徑達(dá)到5～6 mm時, 藤壺的生長速度相對較快, 藤壺膠產(chǎn)生的速度也更快, 因此藤壺剪切強度變化也處于頂峰。緩增期6.4～8.7 mm, 剪切強度增速由最大逐步減小, 到達(dá)8.7 mm后增速逼近0。STAFSLIEN等[31]研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)藤壺在它們基底直徑達(dá)到7～8 mm時, 已經(jīng)有成熟卵巢, 藤壺的生長能量轉(zhuǎn)變?yōu)樯尺^程的能量, 生長速度也逐漸減緩, 藤壺膠分泌也減少, 故藤壺剪切強度變化趨向于平緩。8.7 mm后是漸停期, 此時增速趨向于0, 藤壺剪切強度逐漸趨于平穩(wěn)。結(jié)合藤壺附著生長過程, 藤壺在附著后采用機械方式清除的最佳清除時期為速增期, 緩增期剪切強度增長速率減緩, 但依舊保持增長趨勢, 此時清除效果與速增期對比較差, 進入漸停期, 剪切強度趨于平穩(wěn)。

3 結(jié)論

鈦合金試板在實海中浸泡10 d, 觀察發(fā)現(xiàn)幼體藤壺附著于試板表面, 基底直徑1～3 mm。30 d時, 試板表面藤壺數(shù)量逐漸增多, 覆蓋面積約30%, 基底直徑約1～6 mm, 藤壺出現(xiàn)死亡, 形成空殼, 在海水的沖刷下脫落。60 d時, 試板約50%面積被藤壺覆蓋, 試板表面有一層覆膜, 對藤壺的生存造成影響, 空殼現(xiàn)象加劇, 該時期藤壺最大基底直徑達(dá)10 mm。90 d時, 試板表面約95%面積被藤壺覆蓋, 個別位置出現(xiàn)藤壺相疊現(xiàn)象, 基底直徑1～13 mm。

根據(jù)Logistic增長模型將不同生長階段的藤壺剪切強度變化劃分為速增期(基底直徑4.0～6.4 mm), 緩增期(基底直徑6.4～8.7 mm)及漸停期(基底直徑>8.7 mm)3個階段。結(jié)合藤壺變態(tài)發(fā)育附著后的生長過程, 可知藤壺在附著后采用機械方式清除的最佳清除時期為速增期, 該時期藤壺生長時間約30 d; 60 d后, 藤壺基底直徑達(dá)到10 mm, 進入剪切強度漸停期, 藤壺剪切強度變化不明顯。

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Study on the growth process and attachment strength of marine- fouling barnacles

LI You-chi1, WANG Gui1, WU Jing-quan1, DENG Pei-chang2, ZHANG Fu-quan1, HUANG Jun-yi1

(1. College of Mechanical Engineering, Ocean University of Guangdong, Zhanjiang 524000, China; 2. College of Chemistry and Environment, Ocean University of Guangdong, Zhanjiang 524000, China)

Studying the adhesion strength of marine-fouling barnacles in different growth cycles can provide a basis for scientifically formulating barnacle removal specifications and designing related mechanical equipment. In this study, the growth process of barnacles was observed through barnacle immersion in a sea on Diaoshun island (21°31′N, 110°41′E) in Zhanjiang, and the shear strength of the barnacles at different growth periods was measured using a self-designed shear test device. The results showed that the barnacle larvae began to attach to the surface of the sample after 10 d of immersion. Barnacles covered ～30% of the sample surface on day 30, and the barnacle diameter was approximately 1–6 mm, and some barnacles died to form empty shells. On day 60, ～50% of the sample surface was covered with barnacles, and the surface was covered with a film, which aggravated the formation of empty shells, and the largest barnacle diameter was 10 mm.Approximately 95% of the 90 d sample was covered with barnacles, which overlapped to reach a diameter of 1–13 mm. During the barnacle attachment process, the barnacle shear strength first rapidly increased and then slowly increased with time. A logistic growth model of barnacle shear strength change with the barnacle diameter was established, with the determination coefficient2= 0.99, which indicates that the model fits well. According to the logistic growth model, the change in barnacle shear strength can be divided into three stages: a rapid growth stage (base diameter 4.0–6.4 mm), slow growth stage (base diameter 6.4–8.7 mm), and gradual stop stage (base diameter>8.7 mm). The best period of the mechanical removal of attached barnacles was the rapid increase period.

; growth process; experimental device; shear strength; logistic growth model

Nov. 4, 2022

[Supported Project for the Construction of Guangdong Provincial Marine Equipment and Manufacturing Engineering Technology Research Center, No. A16287]

TG174

A

1000-3096(2023)8-0060-08

10.11759/hykx20221104002

2022-11-04;

2023-01-03

廣東省海洋裝備及制造工程技術(shù)研究中心建設(shè)資助項目(A16287)

李友熾(1993—), 男, 廣東湛江人, 碩士研究生, 主要從事海洋工程裝備及材料腐蝕與防護工作, E-mail: leeyochi0920@163. com; 吳敬權(quán)(1981—), 通信作者, 廣東興寧人, 碩士, 實驗師, 主要從事海洋工程裝備及材料腐蝕與防護工作, E-mail: lengfeng402@ 163.com

(本文編輯: 譚雪靜)