國內外深海環境模擬裝置的現狀與發展趨勢研究

朱賢輝

（浙江大學海洋學院，浙江 舟山 316000）

國內外深海環境模擬裝置的現狀與發展趨勢研究

朱賢輝

（浙江大學海洋學院，浙江 舟山 316000）

深海大洋開發是現代海洋開發和海洋技術發展的前沿和制高點，集中體現了國家的綜合實力，也是目前世界大力發展的一個方向。深海環境模擬裝置主要是指模擬深海壓力環境的壓力筒和模擬深海環境的生物培養裝置。文章綜合了國內外深海環境模擬裝置的最新成果，研究了國內外深海環境模擬裝置的現狀和發展趨勢，對了解和認識我國與世界先進水平之間的差距，深入開展我國深海環境模擬裝置的發展具有重要意義。

深海環境模擬裝置；壓力筒；發展趨勢

隨著世界經濟高速發展，能源需求急劇增加，陸地可利用的不可再生資源日益匱乏。為此，世界各大國已將目光投向了深邃的海洋，并積極參與其中的資源和能源開發和利用。

但由于深海環境惡劣復雜，海洋資源的開發很大程度上取決于水下作業裝備的發展水平，隨著海洋資源的開發利用區域的擴大，并不斷向遠海、深海延伸，這也要求水下作業設備同樣具備能在深海、遠海工作的能力，同時也對其安全性和可靠性提出了更高的要求。由于受海洋環境條件的限制以及基于安全性的考慮，不能所有測試都進行實際出海實驗。因此，研究深海模擬實驗技術，即通過深海模擬裝置模擬實際工作環境，以檢驗與論證相關設備在深海中的使用性能，對深海作業裝備的研制具有重要意義。

壓力是深海環境的一個重要特征，主要是受海水重力作用而產生，并隨著海水深度增加而增大（10 m水深處的壓力為0.1 MPa），由于深海壓力對于水下作業設備及作業工具等工作特性有著十分重要的影響。因此，基于深海壓力模擬的深海環境模擬裝置成為了深海作業設備研制過程中的重要組成部分，其結合相關設備可以在實驗室條件下實時模擬深海壓力環境，為水下作業設備的設計與研制提供便捷、可靠的陸地實驗平臺，并方便獲取實驗數據與結果，縮短新型設備的研究周期，降低研制成本，對減少因實際航行和海上實驗時造成意外的損失等具有重要的意義和實際價值。

1 國內外深海模擬裝置的發展現狀

目前，國內外一些高校和科研單位對深海環境模擬實驗技術開展了較多研究，并基于實際應用要求，研制了相關的深海模擬裝置，但由于各種原因，這些模擬實驗裝置仍然存在一些不足，如功能結構單一、或可使用容積小等。對此，本文從深海環境模擬實驗裝置發展方面出發，分別對其國內外研究現狀進行分析論述。

1.1 國外深海模擬裝置的發展現狀

基于深海環境模擬技術不同的應用要求以及實際工程目的，目前國外進行的相關研究內容主要集中在對深海壓力環境的穩壓控制或對簡單變化的動態壓力進行模擬等方面，技術相對較為成熟，其中以美國、日本等最具代表性。根據不同試驗需求，上述國家通過對深海環境壓力模擬實驗技術進行研究，研制出了多種不同應用要求的深海環境模擬實驗裝置，主要可以分為兩大類：（1）為了研究深海裝備的工作性能而研制的以壓力為主要參數的大容積的深海環境模擬實驗裝置；（2）為了研究深海微生物的生存習性而研制的微小型、超高壓深海極端環境模擬實驗裝置。

日本海洋-地球科技研究所（Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology Center，JAMSTEC）的深海模擬裝置（壓力筒）直徑為1.4 m，有效工作深度為3 m，最高工作壓力為147 MPa（可模擬近15 km水深的壓力），可用于水下幾點裝備、客體、各類材料結構強度及疲勞強度、密封性能及高壓條件下的操作運動試驗（見圖1）。

圖1 JAMSTEC深海模擬壓力筒

美國西南研究院（SwRI?）在模擬深海壓力環境方面提供多種多樣的服務，可進行靜壓、循環和破壞測試，其所具有的壓力筒如圖2所示。其所屬設備涵蓋系列化直徑為0.2～2.3 m，有效工作長度為0.86～7.3 m，工作壓力23～207 MPa，可測試內容包括：深海設備、耐壓管、水下儀器儀表、電纜、接頭、油田生產設備及安全設備等。

圖2 SwRI?深海模擬壓力筒

挪威Oslo FMC 采油樹制造工廠的深海模擬壓力筒（見圖3）是專用于水下采油樹SCM模塊的外壓測試試驗平臺，該壓力筒直徑為0.8 m，有效工作深度為0.8 m，最高工作壓力為34.5 MPa（可模擬近3.5 km水深的壓力），可測試內容包括：SCM模塊靜水環境下壓力、密封測試；SCM模塊靜水環境下壓力循環測試；SCM模塊的帶壓控制功能操作測試。由加壓水泵及管路系統、分體式圓柱筒體、SCM控制用加壓油泵及管路系統、筒體上測試SCM帶壓控制功能用電液接口、筒內測試用支架、控制臺、吊裝等分系統組成。

圖3 SCM外壓測試用壓力筒

美國Minnesota大學地質地球物理系研制了一套深海極端環境模擬裝置，如圖4所示，該模擬裝置的設計方案比較簡單，整個系統通過高壓微量泵以及單向閥給反應釜進行加壓，采用現成的商業化控制閥技術，即通過步進電機調節節流閥的開口大小對反應釜出口的培養液流量進行微量控制，流量控制精度可達±0.1 mL，從而實現對于不同極端壓力環境的模擬內容，其最高工作壓力可達45 MPa，相當于4.500 km深海對應的壓力環境。但由于該模擬裝置的反應釜容積較小，致使其實際使用功能存在一定的局限性，僅僅適用于對深海微生物進行培養等較少的場合。

圖4 美國Minnesota大學研制的深海微生物培養裝置

1.2 國內深海模擬裝置的發展現狀

近年來，我國的一些高校和科研單位在深海環境模擬實驗技術方面也開展了較多的研究，并取得了長足的進步，研究內容主要集中在“定深靜壓”等方面，其主要目的是為相關水下設備的研制提供一個穩定的靜壓實驗環境，相關的研究機構主要為上海交通大學、浙江大學以及中船重工研究所等。

上海交通大學設計建造了2 km深海環境模擬裝置和4 km深水高壓環境試驗筒，主要用于水下結構強度和穩定性試驗設備（見圖5）。

圖5 上海交大的深海模擬壓力筒

浙江大學在舟山校區建設的總投資3500多萬元的60 MPa壓力筒項目，已于2016年11月通過了由中科院三亞深海所許惠平教授任組長的專家組的現場檢測和驗收。該壓力筒是模擬水下壓力環境的設備，主要承擔深海裝備的承壓設備和耐壓結構長時間在深水條件下的性能模擬實驗任務。60 MPa壓力筒可以模擬相當于水下6 km的壓力環境，涵蓋了地球95%以上深海大洋區域。該壓力筒內徑3 m，有效工作高度4 m，可以將小型深潛器放進去做整體性能測試（見圖6）。該項目的建成，大大提高了浙江大學的海洋裝備水平及水下運載工具試驗能力。

中船重工某研究所有一個專門的高壓艙車間，對實體或模型進行壓力測試，壓力測試的對象主要是軍工方面，如潛艇壓力艙的模型。目前有6個壓力筒，壓力等級從7 MPa到90 MPa不等，關鍵接口使用水密接插件。該研究所計劃在青島建造臥式8 m直徑，長30 m，20 MPa壓力筒及一個壓力90 MPa，直徑3 m，高4.5 m的壓力筒（見圖7）。

2 深海模擬裝置的發展趨勢

綜合上述分析，由于實際應用要求的不同，目前國內外研制的深海環境模擬實驗裝置仍然存在一些不足，比如壓力筒，其主要功能為模擬深海某一深度對應的壓力環境，相對而言試驗內容單一。又如深海微生物培養裝置，雖然其模擬的壓力范圍大并且模擬深海微生物生存環境，但其使用容積較小。

2.1 深海模擬裝置向自動化、大體積、高壓力發展

未來的深海模擬裝置將朝著自動化、大體積、高壓力方向發展。適應各種大型復雜的深潛設備、裝置的試驗的同時，提高深海模擬裝置的試驗效率、降低勞動強度及減少人為操作的誤差。同時，可對被測設備進行整體投放測試，免去了模型制作的麻煩及帶來的試驗誤差，并盡可能涵蓋全水域壓力。

圖6 浙江大學的60 MPa壓力筒

圖7 中船重工某研究所的深海模擬壓力筒

2.2 深海模擬裝置向綜合化、可視化發展

現階段，很多深海模擬裝置都缺乏測試全過程監控，同時，模擬單一，缺乏深海環境的綜合模擬。隨著科學技術的發展和新材料的不斷革新，耐深海高壓的水下攝像系統的價格不會再像現在這么昂貴。而配備了水下攝像系統之后，整個加壓過程可視，更有助于深海裝備的研制。

伴隨著不同的需求，深海裝備、深海取樣保壓技術、深海微生物培養等需要一個完整的試驗系統，而不是一個功能性試驗造一個系統。這樣既有利于一次進行綜合環境試驗，也有利于減少同類設備的重復投入。

2.3 深海模擬裝置向實業支撐方向發展

深海模擬裝置提供的服務，歸根到底是為了服務社會，服務人的發展，為此，隨著社會對深海的不斷探索，相關產業勢必會蓬勃發展。伴隨著這些發展而來的深海裝備制造將更好的服務于海洋資源勘探，以滿足人類源源不斷的能源礦產需求。而深海微生物的取樣保真及培養技術則將有助于使其基因資源在農業、醫藥領域的應用更為廣泛。

3 結語

本文通過對國內外深海環境模擬裝置的現狀進行分析，發現深海環境模擬裝置在隨著現階段海洋大開發特別是向深海大洋開發的背景下，有了切實的科研生產需求及應用，但同時也存在著一些不足，根據國內外的這些裝備信息與實際存在的不足，本文提出了關于該行業領域深海環境模擬裝置的發展趨勢，對了解和認識我國與世界先進水平之間的差距，深入開展我國深海環境模擬裝置的發展具有重要的意義。

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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

朱賢輝（1984— ），男，浙江舟山人，碩士，工程師；研究方向：傳感器設計制造與應用，海洋工程類大型實驗設備運行與管理。