超声波技术在防治海生物中的应用

王 丹，郑晓涛，于 超，谢小波

(中海油能源发展采油服务公司 技术中心，天津 300452)



超声波技术在防治海生物中的应用

王 丹，郑晓涛，于 超，谢小波

(中海油能源发展采油服务公司 技术中心，天津 300452)

介绍新的防海生物技术——超声波防海生物的特点，以及超声波杀死海生物的工作原理，包括超声波技术的不断升级改造的过程，以及在海上平台的应用案例，针对不同平台海水系统存在问题，提出系统化解决方案，解决海上平台的海生物污损问题。

防海生物；超声波；海上平台

海水作为廉价、方便的介质被广泛应用于海上平台及浮式结构的油气生产中。但由于海水中存在大量的海生物(幼虫及受精卵)，在适宜的环境条件下海生物将附着生长，侵蚀管道，并造成管道、滤器、冷却器的堵塞，影响海水流量和降低热交换率，导致成本加大和能源浪费，甚至造成生产工艺系统关断停产。据不完全统计，目前渤海地区有平台49座，7艘FPSO，海水系统均不同程度出现了海生物附着、堵塞的现象，每年花费大量资金进行海水滤器、主机中冷器等设备的清洗工作。目前海上一般采用电解海水制氯防污、电解铜铝防污2种技术，但产生的有毒的氯和金属离子给海洋环境造成一定的危害。近年来，超声波作为一种新的防治海生物技术取得了阶段性应用成果，具有无污染、运行维护成本低、可靠性高、兼容性好等特点[1-5]。为此，进行相关应用分析。

1 超声波防海生物原理

超声波信号发生器产生高频振荡信号，通过换能器转换成每秒几万次的高频机械振荡，传递到液体中形成超声波。液体在振动过程中产生数以万计的微小气泡，也就是空化泡。这些气泡在超声波纵向传播中形成的负压区生长，而在正压区迅速闭合，从而在交替正负压强下收到压缩和拉伸作用。在气泡被压缩直至溃灭的一瞬间，会产生局部瞬时高温、高压，一般可高达几十至上百MPa。据相关实验测得：空化作用可以使气相反应区的温度达到5 200 K左右，液相反应区的温度达到1 900 K，局部压力在50.5 MPa。在这种连续不断瞬间高压和高温强烈冲击下，击碎海生物的表皮细胞，从而达到防海生物的目的[6]。

2 超声波装置组成

超声波防海生物装置由超声波信号发生器、换能器、变幅杆及振子组成。电能通过超声波信号发生器和超声换能器转化为同频率振动的机械能，由振子传递到海水中，形成超声波声场，通过“空化效应”杀死海生物。

信号发生器是将普通的市电，转换成超声波换能器所需要的高频、高压电流。换能器是将电能转换为超声波能量的器件。换能器品种特别多，要求也特别高，换能器是整套装置的关键核心。变幅杆是超声振幅的机械放大，提高超声的功效，进一步增大换能器前端面的振幅。

3 超声波防海生物技术发展

截止目前，超声波防海生物装置经历了3个发展及应用阶段，从最初单一的海水滤器内放置超声波装置，发展到多样式超声波振子的形式，防海生物效果及装置的可靠性取得了显著的提高[7-8]。

3.1 振板式超声波海水滤器

振板式超声波装置应用于海水滤器内，在滤器内部设置有2块超声波振板，每块超声波振板的内部设置有若干振子，电源线由接线管保护并引出接线管和定位棒，将超声波振板固定在盖板上，见图1。

图1 振板式超声波装置

振板式超声波装置在海洋石油113FPSO及QK 17-2平台的防海生物中起到了良好的效果，连续工作数月而没有海生物的附着污损，不需要进行开盖清理，但也存在海水滤器内滤芯有泥沙海草等物的堵塞。

在该超声波装置使用过程中，出现了振板内部进水导致超声波装置无法工作的情况，原因在于超声波的振动作用导致振板的焊缝裂开，海水进入内部。因此，发展了第2代的振棒式超声波装置。

3.2 振棒式超声波海水滤器

振棒式作为新一代的超声波防海生物装置，与振板式最大的不同在于振子的结构改变，由多个小功率振子变为单体振子。其特点是功率大，单体作用强，寿命长，应用的范围更广，不仅可在海水滤器内应用，而且还能在管线内应用。振棒式解决了振板式存在的焊缝容易开裂的问题，仅是振子部分浸入水中，电路部分得到了保护。振棒式的超声波振子结构见图2。

图2 振棒式超声波装置的振子

3.3 超声波模块化装置

针对海水管线出现的海生物附着，堵塞并腐蚀管道的情况，经过多次尝试性探索研究，成功推出了超声波短节装置以及超声波模块装置，如图3所示，极大地丰富了超声波防海生物装置的应用范围，可以更好的解决整个海水系统及各用户的海生物堵塞问题。

图3 超声波模块化装置

其中超声波短节装置已取得了实用新型专利，并在海上平台成功应用，获得了客户的青睐，有效解决了海水管线的脏堵问题。

3.4 PO涂层应用

对于超声波防海生物装置，超声波的空化效应作用在杀灭海生物的同时，也会造成海水滤器筒体和海水管道内壁防腐涂层脱落，导致筒体和管道的腐蚀破坏，图4为超声波对金属板的防腐涂层破坏对比。防腐涂层被破坏，出现剥落、裂纹。

图4 超声波对金属板防腐涂层破坏对比

通过研究发现，PTFE、PO和聚脲这些弹性防腐材料可以有效的阻隔超声波的能量，从而保护金属板表面遭受空化腐蚀。因此，将海水滤器采用PO防腐处理措施，避免超声波对滤器内壁防腐涂层的影响。

4 应用

截止到目前为止，超声波防海生物装置(包括之前应用的超声波海水滤器)分别应用在海洋石油113FPSO、QHD32-6FPSO(渤海世纪号)、海洋石油161平台、QK17-2平台、BZ28-2SCEP平台，有效解决海水滤器的脏堵问题，具有投入少、操作维护简单、防护效率高等优点，减少了现场人工清理工作量，具体见表1。

表1 应用情况统计表

以BZ28-2SCEP平台为例，具体展示下超声波防海生物装置的现场应用情况。根据现场调研情况，在BZ28-2SCEP平台两处加装超声波防海生物装置，分别是：2台篮式海水过滤器内部及海水滤器出口总管汇。

2013年3月20日超声波防海生物装置投入使用。6个月后第1次开盖进行检查，11个月后进行第2次开盖检查。图5为超声波防海生物装置使用前后滤器内情况的对比。

图5 BZ28-2SCEP平台应用情况

结论。整个装置不间断工作330天。超声波装置状态良好，滤芯内存积少量海生物；备用工具头上附着少量水垢。

效果分析。经过查阅该平台的工单，对海水滤器和冷却器的清洗记录进行统计，得到如图6所示的结果。

图6 工单统计

结果显示，加装超声波防海生物装置后，海水滤器的清洗次数为零，实现了零维护，效果显著。

5 结论

超声波防海生物技术，依靠超声波的空化效应杀死海生物卵细胞和幼虫，解决了海生物的卵细胞和幼虫在海水系统内的附着和生长问题，节约了成本，降低了生产工艺系统故障概率。超声波防海生物技术在实践中不断进行升级改进，由振板式发展到振棒式再到模块化装置的应用，为系统化解决海生物污损问题奠定了基础。

超声波防海生物装置定位于中海油各类海上生产设施(海上平台、FPSO等)，立足于全面解决海生物的防治方案，通过现场调研海水系统管线、设备的情况，根据存在的海生物污损位置和状况，设计完整的解决方案，可更加有效地解决海生物的困扰问题。超声波防海生物技术作为一种新兴的技术，凭借超声波高效、环保、易维护的特点，有广泛的应用对象和前景。

[1] 杨波,王忠波,郑晓涛,等.超声波防治海生物的技术分析与应用[J].油气田环境保护,2012,22(2):11-13.

[2] 候辰光.海洋平台防海生物装置的应用[J].中国修船,2004(6):35-36.

[3] 刘姗姗,严涛.海洋污损生物防除的现状及展望[J].海洋学研究,2006,24(4):53-54.[4] 黄运涛,彭乔.海洋生物污损的防治方法及研究进展[J].全面腐蚀控制,2004,18(1):3-4.

[5] 胡晗,李德堂.海洋石油281平台防海生物系统的设计[J].中国造船,2010,51(191):117-120.

[6] 郑晓涛,王丹,陈景峰.超声波防海生物技术试验研究[J].声学技术,2015,34(6):525-528.

[7] 杨波,郑晓涛,李大华,等.超声波海水滤器的研究与应用[J].化工自动化及仪表,2011,38(10):1203-1205.

[8] 张旭辉,杨勇,张绍谦.超声波防海生物技术在FPSO上的应用研究[J].创新技术,2009(5):47-49.

Application of Ultrasonic Technology in the Bio-fouling Prevention System

WANG Dan, ZHENG Xiao-tao, YU Chao, XIE Xiao-bo

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China)

The characteristic of the new bio-fouling prevention technology, the ultrasonic technology, was introduced, as well as the working principle of the ultrasonic killing sea creatures, the processes of ultrasound technology continuously upgrades, and the application in offshore platforms. On account of different problems in seawater system, the systematic solutions were proposed for platform bio-fouling prevention.

bio-fouling prevention; ultrasonic; offshore platform

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.023

2016-07-10

中海油采油服务分公司项目(2069F1120001)

王丹 (1986—)，男，硕士，工程师

U665.262

A

1671-7953(2016)05-0091-04

修回日期：2016-08-10

研究方向:海洋石油装备、设备密封

E-mail:wangdanbulls2008@126.com