国内外深海环境模拟装置的现状与发展趋势研究

朱贤辉

（浙江大学海洋学院，浙江 舟山 316000）

国内外深海环境模拟装置的现状与发展趋势研究

朱贤辉

（浙江大学海洋学院，浙江 舟山 316000）

深海大洋开发是现代海洋开发和海洋技术发展的前沿和制高点，集中体现了国家的综合实力，也是目前世界大力发展的一个方向。深海环境模拟装置主要是指模拟深海压力环境的压力筒和模拟深海环境的生物培养装置。文章综合了国内外深海环境模拟装置的最新成果，研究了国内外深海环境模拟装置的现状和发展趋势，对了解和认识我国与世界先进水平之间的差距，深入开展我国深海环境模拟装置的发展具有重要意义。

深海环境模拟装置；压力筒；发展趋势

随着世界经济高速发展，能源需求急剧增加，陆地可利用的不可再生资源日益匮乏。为此，世界各大国已将目光投向了深邃的海洋，并积极参与其中的资源和能源开发和利用。

但由于深海环境恶劣复杂，海洋资源的开发很大程度上取决于水下作业装备的发展水平，随着海洋资源的开发利用区域的扩大，并不断向远海、深海延伸，这也要求水下作业设备同样具备能在深海、远海工作的能力，同时也对其安全性和可靠性提出了更高的要求。由于受海洋环境条件的限制以及基于安全性的考虑，不能所有测试都进行实际出海实验。因此，研究深海模拟实验技术，即通过深海模拟装置模拟实际工作环境，以检验与论证相关设备在深海中的使用性能，对深海作业装备的研制具有重要意义。

压力是深海环境的一个重要特征，主要是受海水重力作用而产生，并随着海水深度增加而增大（10 m水深处的压力为0.1 MPa），由于深海压力对于水下作业设备及作业工具等工作特性有着十分重要的影响。因此，基于深海压力模拟的深海环境模拟装置成为了深海作业设备研制过程中的重要组成部分，其结合相关设备可以在实验室条件下实时模拟深海压力环境，为水下作业设备的设计与研制提供便捷、可靠的陆地实验平台，并方便获取实验数据与结果，缩短新型设备的研究周期，降低研制成本，对减少因实际航行和海上实验时造成意外的损失等具有重要的意义和实际价值。

1 国内外深海模拟装置的发展现状

目前，国内外一些高校和科研单位对深海环境模拟实验技术开展了较多研究，并基于实际应用要求，研制了相关的深海模拟装置，但由于各种原因，这些模拟实验装置仍然存在一些不足，如功能结构单一、或可使用容积小等。对此，本文从深海环境模拟实验装置发展方面出发，分别对其国内外研究现状进行分析论述。

1.1 国外深海模拟装置的发展现状

基于深海环境模拟技术不同的应用要求以及实际工程目的，目前国外进行的相关研究内容主要集中在对深海压力环境的稳压控制或对简单变化的动态压力进行模拟等方面，技术相对较为成熟，其中以美国、日本等最具代表性。根据不同试验需求，上述国家通过对深海环境压力模拟实验技术进行研究，研制出了多种不同应用要求的深海环境模拟实验装置，主要可以分为两大类：（1）为了研究深海装备的工作性能而研制的以压力为主要参数的大容积的深海环境模拟实验装置；（2）为了研究深海微生物的生存习性而研制的微小型、超高压深海极端环境模拟实验装置。

日本海洋-地球科技研究所（Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology Center，JAMSTEC）的深海模拟装置（压力筒）直径为1.4 m，有效工作深度为3 m，最高工作压力为147 MPa（可模拟近15 km水深的压力），可用于水下几点装备、客体、各类材料结构强度及疲劳强度、密封性能及高压条件下的操作运动试验（见图1）。

图1 JAMSTEC深海模拟压力筒

美国西南研究院（SwRI®）在模拟深海压力环境方面提供多种多样的服务，可进行静压、循环和破坏测试，其所具有的压力筒如图2所示。其所属设备涵盖系列化直径为0.2～2.3 m，有效工作长度为0.86～7.3 m，工作压力23～207 MPa，可测试内容包括：深海设备、耐压管、水下仪器仪表、电缆、接头、油田生产设备及安全设备等。

图2 SwRI®深海模拟压力筒

挪威Oslo FMC 采油树制造工厂的深海模拟压力筒（见图3）是专用于水下采油树SCM模块的外压测试试验平台，该压力筒直径为0.8 m，有效工作深度为0.8 m，最高工作压力为34.5 MPa（可模拟近3.5 km水深的压力），可测试内容包括：SCM模块静水环境下压力、密封测试；SCM模块静水环境下压力循环测试；SCM模块的带压控制功能操作测试。由加压水泵及管路系统、分体式圆柱筒体、SCM控制用加压油泵及管路系统、筒体上测试SCM带压控制功能用电液接口、筒内测试用支架、控制台、吊装等分系统组成。

图3 SCM外压测试用压力筒

美国Minnesota大学地质地球物理系研制了一套深海极端环境模拟装置，如图4所示，该模拟装置的设计方案比较简单，整个系统通过高压微量泵以及单向阀给反应釜进行加压，采用现成的商业化控制阀技术，即通过步进电机调节节流阀的开口大小对反应釜出口的培养液流量进行微量控制，流量控制精度可达±0.1 mL，从而实现对于不同极端压力环境的模拟内容，其最高工作压力可达45 MPa，相当于4.500 km深海对应的压力环境。但由于该模拟装置的反应釜容积较小，致使其实际使用功能存在一定的局限性，仅仅适用于对深海微生物进行培养等较少的场合。

图4 美国Minnesota大学研制的深海微生物培养装置

1.2 国内深海模拟装置的发展现状

近年来，我国的一些高校和科研单位在深海环境模拟实验技术方面也开展了较多的研究，并取得了长足的进步，研究内容主要集中在“定深静压”等方面，其主要目的是为相关水下设备的研制提供一个稳定的静压实验环境，相关的研究机构主要为上海交通大学、浙江大学以及中船重工研究所等。

上海交通大学设计建造了2 km深海环境模拟装置和4 km深水高压环境试验筒，主要用于水下结构强度和稳定性试验设备（见图5）。

图5 上海交大的深海模拟压力筒

浙江大学在舟山校区建设的总投资3500多万元的60 MPa压力筒项目，已于2016年11月通过了由中科院三亚深海所许惠平教授任组长的专家组的现场检测和验收。该压力筒是模拟水下压力环境的设备，主要承担深海装备的承压设备和耐压结构长时间在深水条件下的性能模拟实验任务。60 MPa压力筒可以模拟相当于水下6 km的压力环境，涵盖了地球95%以上深海大洋区域。该压力筒内径3 m，有效工作高度4 m，可以将小型深潜器放进去做整体性能测试（见图6）。该项目的建成，大大提高了浙江大学的海洋装备水平及水下运载工具试验能力。

中船重工某研究所有一个专门的高压舱车间，对实体或模型进行压力测试，压力测试的对象主要是军工方面，如潜艇压力舱的模型。目前有6个压力筒，压力等级从7 MPa到90 MPa不等，关键接口使用水密接插件。该研究所计划在青岛建造卧式8 m直径，长30 m，20 MPa压力筒及一个压力90 MPa，直径3 m，高4.5 m的压力筒（见图7）。

2 深海模拟装置的发展趋势

综合上述分析，由于实际应用要求的不同，目前国内外研制的深海环境模拟实验装置仍然存在一些不足，比如压力筒，其主要功能为模拟深海某一深度对应的压力环境，相对而言试验内容单一。又如深海微生物培养装置，虽然其模拟的压力范围大并且模拟深海微生物生存环境，但其使用容积较小。

2.1 深海模拟装置向自动化、大体积、高压力发展

未来的深海模拟装置将朝着自动化、大体积、高压力方向发展。适应各种大型复杂的深潜设备、装置的试验的同时，提高深海模拟装置的试验效率、降低劳动强度及减少人为操作的误差。同时，可对被测设备进行整体投放测试，免去了模型制作的麻烦及带来的试验误差，并尽可能涵盖全水域压力。

图6 浙江大学的60 MPa压力筒

图7 中船重工某研究所的深海模拟压力筒

2.2 深海模拟装置向综合化、可视化发展

现阶段，很多深海模拟装置都缺乏测试全过程监控，同时，模拟单一，缺乏深海环境的综合模拟。随着科学技术的发展和新材料的不断革新，耐深海高压的水下摄像系统的价格不会再像现在这么昂贵。而配备了水下摄像系统之后，整个加压过程可视，更有助于深海装备的研制。

伴随着不同的需求，深海装备、深海取样保压技术、深海微生物培养等需要一个完整的试验系统，而不是一个功能性试验造一个系统。这样既有利于一次进行综合环境试验，也有利于减少同类设备的重复投入。

2.3 深海模拟装置向实业支撑方向发展

深海模拟装置提供的服务，归根到底是为了服务社会，服务人的发展，为此，随着社会对深海的不断探索，相关产业势必会蓬勃发展。伴随着这些发展而来的深海装备制造将更好的服务于海洋资源勘探，以满足人类源源不断的能源矿产需求。而深海微生物的取样保真及培养技术则将有助于使其基因资源在农业、医药领域的应用更为广泛。

3 结语

本文通过对国内外深海环境模拟装置的现状进行分析，发现深海环境模拟装置在随着现阶段海洋大开发特别是向深海大洋开发的背景下，有了切实的科研生产需求及应用，但同时也存在着一些不足，根据国内外的这些装备信息与实际存在的不足，本文提出了关于该行业领域深海环境模拟装置的发展趋势，对了解和认识我国与世界先进水平之间的差距，深入开展我国深海环境模拟装置的发展具有重要的意义。

[1]方银霞，包更生，金翔龙.21世纪深海资源开发利用的展望[J].海洋通报，2000，19（5）：73-77.

[2]李维嘉，李绍安，罗兴贵.高精度压力筒实验系统[J].中国造船，2008，12（1）：72-76.

[3]蒋凯.高温高压深海极端环境模拟装置及其控制策略研究[D].杭州：浙江大学，2007.

[4]侯继伟.深海极端环境模拟平台电液比例压力控制技术研究[D].杭州：浙江大学，2005.

[5]Southwest Research Institute. Deep ocean pressure simulation testing[EB/OL].（2014-11-08）[2017-08-25].http://www.swri.org/4org/d18/ struceng/marine/pressim/default.htm.

[6]董贤信，蒋凯，陈杭，等.深海极端环境模拟装置设计[J].热带海洋学报，2014（2）：101-108.

[7]董贤信.深海环境模拟装置监测与控制系统设计[D].杭州：浙江大学，2012.

[8]张雷励.深海环境模拟实验技术研究及其实验装置研制[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2015.

[9]黄进浩，邱昌贤，张平平，等.高压深海压力环境模拟装置耐压试验技术研究[C].大连：中国造船工程学会船舶力学学术委员会全体会议，2014：209-217.

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

朱贤辉（1984— ），男，浙江舟山人，硕士，工程师；研究方向：传感器设计制造与应用，海洋工程类大型实验设备运行与管理。