海洋科考船自动化表层海水系统设计

段玉龙，段玉廷

(1.中国船舶工业集团公司第七〇八研究所，上海 200011；2.爱可伦贸易(上海)有限公司，上海 200025)

海洋科考船相当于一个将生物、化学、地质、气象、声学，以及电磁等学科集一身的大型综合移动实验室。海洋科考船通常主要配备三大类系统：样品采集系统、仪器探测系统、实验分析系统。样品采集系统主要包括走航表层海水、痕量金属海水、CTD采水、浮游生物、海底表层沉积物、海底深层物质、气溶胶等采集的子系统；仪器探测系统主要包括海洋地质地貌、海底矿物、海流、鱼群、气象、声学、海气通量等探测的子系统；而实验分析系统主要包括生物、化学、地质等实验分析的子系统。海洋科考的数据及样品的真实性的关键在于采样系统。目前我国海洋科考船上的表层海水采样系统基本为全手动操作，存在清洗时间短、冲洗效果不佳、操作复杂、管内残留较多液体、存在清洗死角、仅可单方向冲刷、严重浪费清洗药剂、易出现人为失误等等问题，无法确保采集样品的准确性及真实性。由于海水作为海洋科考船的最重要研究对象之一，故考虑设计解决上述问题的专用的自动化表层海水采样系统。

1 科考海水种类及用途

目前科考海水主要分为三类：走航表层海水、痕量金属海水、现场海水。

1.1 走航表层海水

走航表层海水是在船舶低速航行的情况下，提取的海洋表层处海水。表层海水的温度、盐度、颗粒物(如浮游生物等)，以及溶解氧等等生化指标的变化情况，最能直接反应人类活动对海洋生态环境产生的影响，并能为科学家分析海洋、气候的变化，以及探索海洋的奥秘提供最原始的数据。

对于走航表层海水的分析主要是通过表层海水分析仪来完成的，在船舶走航过程中，实时分析表层海水并记录对应海域坐标、时间及分析结果。其对取样的要求主要是：连续性、实时性及真实性。为此，表层海水取水泵不可采用断续供水的活塞泵；取样口不得从海水门上直接引入，而需在舷侧设置专门的取水口，以防止海水门内积存的海水影响实验结果；取样过程应尽可能减少来自外界环境的影响，如管路包覆绝缘材料以保证原海水温度的稳定性，采用塑料管或双相不锈钢管以减少对海水的污染等。

1.2 痕量金属海水

痕量金属元素在海洋生物的整个生命周期中起着至关重要的作用，有些痕量金属对于海洋生物的生长起着促进作用，但有些痕量金属对海洋生物的生长有着抑制作用，这些作用与痕量金属的存在形态有关。不少痕量金属在古海洋学研究中发挥着重要的作用，是解开地球环境变迁历史的重要指标。

通过对海水中痕量金属种类及含量的分析，不仅能够帮助人类进一步了解海洋生态结构，而且还能够真实地反映工农业废水对于海洋的污染情况。

痕量金属海水的采集主要是通过升降鳍板，从海洋较为深处获取未受船舶污染的海水。其取水的主要要求与走航表层海水基本相同，但特别要求防止所取海水与金属材料直接接触，避免发生任何金属离子污染。

1.3 现场海水

现场海水主要是用于甲板及样品的冲洗，以及海生物的培养及养殖。对于海水的洁净度及温度等没有特殊要求，仅需保证供水系统耐腐蚀。

常规设计的表层海水系统见图1。

图1 常规设计的表层海水系统示意

2 设计方案

表层海水系统在所有科考海水系统中设计最为复杂。目前常规设计的表层海水系统除存在引言中所述问题外，由于船上科学家非船员，对于管路系统的设计不了解，很难按正常流程操作；而船员也非科学家，也难以按科学研究的要求标准对管路系统进行清洁。

为了解决上述问题，以中山大学科考船为例，对自动化表层海水系统组成、功能及设计要点进行介绍。

自动化表层海水系统组成见图2。

图2 自动化表层海水系统示意

自动化表层海水系统中应设有两台表层海水取水泵，相互备用，可实现故障自动切换，确保供水的连续性。表层海水取水泵可采用气动隔膜泵，也可采用食品级不锈钢螺杆泵(变频)。采用气动隔膜泵可有效地杜绝海水与金属物质直接接触，但需要消耗大量的压缩空气，甚至配置额外的压缩空气系统；而采用食品级不锈钢螺杆泵(变频)，虽不能避免海水直接与金属物质接触，但其材质为食品级不锈钢，也可防止对海水样品的影响。此外，食品级不锈钢螺杆泵(变频)可有效调节供水量，实现平稳运转，防止紊流的发生，更能有效的防止对海水样品的影响，确保表层海水取样的真实性及准确性。

为了防止取样海水被污染，并确保取样的实时性，通常在右舷艏侧推前设置专用的系统取水口，排水口设置在左舷(科考船其他排水口均布置在左舷)水面附近。按规范要求，系统在机器处所内的管路，通常采用双相不锈钢管，其他处所管路可采用PVDF管，管路外均包覆隔热材料，以减少对海水样品的污染。在表层海水取水泵的进口需设置滤器，以减少海水中杂物对泵及监测仪器的影响。

系统中走航表层海水分析仪前还需设置涡流除泡器，以去除海水中气泡及涡流，降低对试验分析结果的影响，并确保走航表层海水分析仪对表层海水进行不间断的分析监测。

通过在表层海水取水泵的出口总管上设置流量计及压力传感器，取水泵的进口总管以及用户的进口总管上设置压力传感器和温度传感器，表层海水控制箱可实现对整个系统功能的监测及故障报警，并通过对遥控阀及表层海水取水泵的控制，完成自动纠错功能。

此外，表层海水控制箱采用一键触屏式，简化操作流程，便于操作，减少人为操作失误，并可使系统实现自动采样、自动清洗、自动循环浸泡消毒以及自动干燥等功能，解决常规表层海水系统中存在问题及弊端。

2.1 自动采样工况

当需要采集或连续监测走航表层海水时，仅需点击表层控制箱触屏上的自动采样按钮，系统将自动开启相应的遥控阀，并通过监测流量、压力等参数，调节表层海水取水泵(变频)转速及三通阀开度，为用户或走航表层海水分析仪提供连续、稳定的表层海水。当供压或流量异常、泵故障时，系统可自动切换至备用泵组，确保供水的连续性。

2.2 自动清洗工况

当采样完成，停止使用时，为防止管路内海生物附着，首先采用技术淡水或蒸馏水对整个管系进行彻底冲洗，将原管路内海水排至舷外。

2.3 自动循环浸泡消毒工况

待系统经技术淡水或蒸馏水彻底冲洗后，通过开关遥控阀，调整管路内液体流向，引入消毒桶内液体，使消毒液充满整个系统，并在系统管路内不断循环及静置浸泡消毒，彻底消除管路内海生物，以防对后续采样试验产生影响。循环及浸泡的时间可通过表层海水控制箱进行调整，消毒桶的容量必须大于清洗管路的容积。

在完成循环浸泡消毒工况时，需再次按照自动清洗工况，引入技术淡水或蒸馏水，对整个系统管路进行彻底冲洗，并将系统管路内的消毒液排至舷外。

2.4 自动干燥工况

通过接入干燥清洁的压缩空气，将管路内遗留的技术淡水或蒸馏水，压至舷外。待管路内液体基本排净后，暂停引入压缩空气，通过开启泄放管及进气管上的遥控阀，将系统内残留的液体彻底排放干净。然后，再次接入压缩空气，对管路内壁进行不断冲刷，直至管内水蒸气彻底消除为止。

自动干燥工况的冲刷时间也可在表层海水控制箱上进行调整。在冲刷完成后，系统内所有遥控阀均将自动关闭，使系统管路一直处于干燥清洁的状态，以备下次使用。

除自动采样工况外，其他各项工况，可单独运行操作，也可按预定程序组合运行操作。

3 结论

实船的运行及拆检试验结果表明，自动化表层海水系统不仅操作方便，简化了人员操作步骤，极大的降低了操作失误的可能；而且各工况运行状况良好，各管段经清洗后干燥清洁，无残留液体，较好的解决了常规手动操作的表层海水系统的问题及弊端，更加符合海洋科考的需求，可确保表层海水采样的准确性及真实性。同样，痕量金属海水的自动化取样系统也可参照上述自动化表层海水系统的设计原理进行设计，以减少科考人员工作量及人为失误，并提高取样的准确性及真实性。