淺談高密度聚乙烯管道在深海網箱養殖領域的應用

彭伏弟，陳曉梅，高潔，陳鵲，陳文彬

(福建亞通新材料科技股份有限公司，福建 福清 350304)

0 概述

隨著近海養殖規模的日益擴大以及港口的開發，近海養殖區域日益緊張，養殖密度增加，海水污染嚴重，養殖產品品質提高受限。為了解決養殖安全問題和擴展養殖空間，提出“深?！别B殖的概念。漁業上的“深?！本W箱，是相對于近岸網箱的一個概念，是指離岸25 km遠的水域，隨之養殖水深也從傳統網箱10～15 m拓展到20～30 m、甚至50 m的海域[1]。養殖海域的推廣，海域資源利用率的提高，有效改善近海養殖帶來的環境壓力、解決養殖產品質量受限等一些問題。但由于海域養殖面積的外推，網箱除受海水腐蝕和陽光曝曬外，還要承受更大的外力沖擊，需常年承受風、浪、流單一荷載或其復合荷載作用[2]，因此，對深海網箱的性能提出抗風浪、抗急流、耐老化的要求。

深海網箱系統主要由具有足夠浮力的剛性框架結構、維持養殖空間，防止逃逸用的網衣系統、對網箱系統安全起保障作用的錨泊系統構成。剛性框架結構是深海網箱中最重要的組成部分之一，是支撐網衣箱體和錨泊系纜繩索的承載組件，也是養殖操作和管理的工作平臺。在投入使用時，網箱必須保證在規定的工作環境下安全可靠，不發生開裂、爆管等現象，此外還要求構成框架結構用的材料具有價格低廉、不宜腐蝕、耐老化、使用年限長、易于安裝施工、組裝密封性強等優點。由于框架結構是網箱的主體，在深海網箱工程中需用的數量較多，占比重較大，因此，必須經濟合理地選用主體材質。目前可供網箱選擇的主體材質有HDPE管、金屬管、木質或竹制的天然材料等。

1 HDPE管道特性

近年來，HDPE管道因其良好的機械性能和加工特性而廣泛應用于深海網箱養殖領域，產品性能如下：

（1）密封性好，可實現零滲漏。HDPE管道連接采用電熔焊接技術，使接口處的兩段管完全熔為一體，密封性良好，保證了管道接口不會滲漏。

（2）抗風浪性好。HDPE 材料由于具有優越的柔彈性和伸長率（不低于350%，甚至可達7 倍），能隨波浪同步起伏變形，從而吸收波浪能量，達到防臺風破壞的目的，因此具有優良的抗風浪性能。

（3）耐腐蝕、抗老化性能好。由于HDPE管的原材料為高分子的聚乙烯，它能有效地抵抗酸、堿、鹽等介質的腐蝕，其抗老化性能比PVC管要好，能夠較好承受日光暴曬、鹽水腐蝕的海洋環境。

（4）柔韌性好。HDPE管屬于柔性管，延伸性能好，在安裝時可以承受一定程度的彎折，因此適用于制作各種形狀的網箱，比如圓形網箱、方形網箱等。

（5）強度高，使用壽命長。由于HDPE管是采用高密度聚乙烯在熱熔狀態下制成的整體管道，其整體性較好，化學性質穩定，強度高，在深海網箱養殖領域一般情況下其使用壽命可達15年以上[3]。

（6）對環境影響小。HDPE是無毒性材料，對海水無害，并且能夠再生使用。

2 HDPE管材與其他材質在深海網箱領域中的適用性比較

2.1 天然材料制作的網箱

天然材料制作的網箱指采用天然材料，如木制和竹制的網箱。早期的網箱多半屬此類，因成本較低，被廣泛應用于內陸水庫和湖泊的淡水養殖。

傳統木制網箱是目前國內最普遍使用的網箱，也是發展最久的網箱。傳統木制網箱采用木料和泡沫浮球制成，抗流抗風浪能力較差，基本就在避風性較好的內灣、淺水海域使用，難以向深水和外海發展。網箱布置過于密集，魚病發生頻繁，養殖業者大量使用藥物致使養殖魚品質下降[4]，見圖1所示。傳統木制網箱的無序發展已經造成海域的污染，各地政府已相繼開始整頓治理網箱養殖區，如福建、深圳等地已強制清除海上魚排，傳統木制網箱面臨被淘汰出局的趨勢。

圖1 傳統木質網箱養殖平臺

2.2 大型鋼制養殖平臺

大型鋼制養殖平臺是指采用鋁合金、不銹鋼等金屬材料制成的網箱。

挪威離岸網箱正朝著大型化（最大網箱周長達160 m）和智能化、數字化養殖管理等方向發展，并且以其深厚的產業基礎和先進的技術，正在形成深遠海網箱養殖的熱潮。2017年6月交付使用的半潛式大型智能漁業養殖平臺“海洋漁場1號”直徑110 m、高69 m，單口養殖水體達245 000 m3，養殖產量達6 000 t，可抗12級臺風，設計使用年限25年，見圖2。平臺配備了全球最先進的三文魚智能養殖系統，安裝各類傳感器2萬余個、水下水上監控設備100余個、生物光源100余個，整個平臺僅需 3～7 人即可完全操控，年養魚可達150萬條，且死亡率低于2%[5]。

圖2 半潛式大型智能漁業養殖平臺

西班牙開發的浮動式海上養殖平臺另具特色，見圖3。養殖平臺規格為50 m×50 m×11.5 m，呈六角形，由直徑1.5 m 的鋼管構成，平行邊間隔43 m，最大深度為12 m，平臺總重量為450 t，可以抗高9 m海浪。平臺有7只大型網箱（每只體積2 000 m3，共計14 000 m3），也可分成15只小網箱，放養魚苗。網箱養殖的初期生產能力為250 t/年，預計最大年產量逾400 t。平臺的甲板面積為800 m2，建筑面積為2 500 m2，頂部設有辦公室、實驗室、倉庫、宿室，并設有電信設備和一個直升機場[6]。

圖3 浮動式海上養殖平臺

該類網箱是20世紀70年代國外率先發展起來的新型養殖模式，大量采用新技術，造價比較高，不易在廣大中小型養殖平臺推廣。

2.3 HDPE深海網箱

高強度聚乙烯（HDPE）網箱指由高強度聚乙烯（HDPE）管道及相關配件組合的網箱。這類網箱的框架柔韌性好，能抵御較大的風浪，有非常突出的耐腐蝕性，已經成功地應用于抗風浪網箱的框架系統[5]。

HDPE深水網箱的框架一般是由高強度聚乙烯（HDPE）管材經熱熔焊接起來，其周長從20 m到120 m，網箱外形框架根據使用需要可以組成圓環形或方形框架，其結構一般由為浮管和操作平臺兩部分組成，見圖4。浮管是網箱結構抵御荷載變形的主要部分，承受海浪和潮流的沖擊力并為浮力系統和操作平臺提供框架。操作平臺搭建于浮管之上，由鋪設在浮管上的HDPE腳踏板材和HDPE材料制成的扶手、立柱組成。操作平臺為養殖操作提供場地支持，并為網衣提供了一定的超高，防止養殖魚類的躍出。

HDPE框架深水網箱有優良的柔韌性和強度，可以設置在相當開放的海域，其中圓形的HDPE網箱可適應相當惡劣的海況和天氣，可抵御5 m海浪，幾乎不需要任何維護，具有很高的經濟效益和社會價值。

圖4 HDPE深海養殖網箱系統結構圖

此網箱有優良的柔韌性和強度，可以設置在相當開放的海域，其中圓形結構的HDPE網箱可適應相當惡劣的海況和天氣，可抵御5 m海浪，幾乎不需要任何維護，具有很高的經濟效益和社會價值。表1為幾種不同材質網箱類型的對比：

3 HDPE制成的管材及配件在深海海洋養殖中的應用

3.1 HDPE網箱類型

網箱養殖是我國海上魚類的主要生產方式。21世紀以來，通過對挪威高密度聚乙烯（HDPE）框架式網箱的引進與再創新，HDPE網箱形式包括浮式和升降式網箱，目前國內常見HDPE浮式網箱類型有圓形網箱及方形網箱。浮式圓形或方形網箱的框架是由多條圓形、內空、全封閉的黑色高密度聚乙烯管和起連接、加固作用的支架共同組成。目前市面上常用的HDPE抗風浪網箱的規格見表2。

表1 木質網箱、金屬網箱、HDPE網箱類型的對比情況

表2 常用HDPE抗風浪網箱規格

3.2 操作平臺

操作平臺搭建于浮管之上，可用于人行走或放置物品等，主要是由鋪設在浮管上的腳踏板材和聚乙烯管制成的扶手、彎頭、立柱等組成。不同類形的網箱，其操作平臺設計要求及組成也不相同。方形網箱操作平臺主要由數條HDPE條形踏板、扶手管、彎頭及立柱、不銹鋼墊片及螺栓等組成，見圖5。設計要求位于環形人行走道安裝單側或雙側扶手，扶手高度不低于80 cm，扶手高度通過立柱高度來控制。扶手固定樁間距不大于2 m，直徑不小于90 mm扶手管。走道鋪設塑膠腳板，寬度不小于1.0 m，厚度不小于60 mm。

圖5 方形網箱操作平臺

圓形網箱操作平臺根據使用領域不同，可分抬高式平臺和普通型平臺。抬高式平臺與方形網箱的操作平臺組成相同，因距離水面較高，便于行人在平臺上走動或養殖操作，見圖6；普通型操作平臺主要是鑲嵌在浮管之間，與浮管表面平齊，根據養殖需要，操作平臺由數塊方形的塊狀踏板組成，踏板平均分布在網箱浮管四周，見圖7。此類平臺安裝操作簡便，成本相對較低。

操作平臺為養殖操作提供場地支持，并為網衣提供了一定的超高，防止養殖魚類的躍出。

圖6 圓形網箱抬高式操作平臺

圖7 圓形網箱普通型操作平臺

3.3 浮力系統

深海網箱系統能長期安全的在海上漂浮使用浮力系統質量保證起著關鍵性作用。浮力系統主要是采用HDPE浮力管道，該管道采用高密度聚乙烯樹脂原料生產，同時添加增強、增韌、抗老化等功能助劑，使系統具備高強度、高韌性、抗氧化、耐酸堿、耐撞擊等優良性能。浮力管是網箱結構抵御荷載變形的主要部分，承受海浪和潮流的沖擊力并為浮力系統和操作平臺提供框架。

網箱框架采用穩固的“井”字形穿插式框架連接方式，通過專用三通配件與浮力管事先熱熔焊接預置，形成“三通預置件”，后將預置件的與將網箱浮力系統以橫向“T”型結構連接，通過雙層支架進行“四點對鎖式”定位，見圖8，使系統結構穩定性提高，橫向受載剛度更強，在受到海浪沖擊時，能夠很好地將海浪的沖擊力分散，有效提高網箱的抗沖擊性。

圖8 雙層支架進行“四點對鎖式”定位

多孔支架（浮力管連接支架）是一種網箱浮力系統重要組成配件，通過支架將兩組浮力管牢牢的連接起來，同時為扶手部分提供基礎。多孔支架采用HDPE 原料加抗老化劑，并采用蜂窩狀中孔結構和一次性注塑成型工藝，不僅提高了支架的抗老化性能和戶外使用壽命，而且由于設置的蜂窩狀中孔，使水流暢通，從而減少了網箱框架的受流阻力，改變了框架的受力狀態，使網箱框架連接更加可靠、穩定。

深海網箱浮力系統中使用的彎頭、三通、接頭等配件均是采用中間密封隔倉式設計，浮力管道與配件采用熱熔對接連接，管道連接成型后管腔內會形成多個獨立密閉腔室，進一步提高網箱的使用年限和安全系數，其作用一是可提高主浮管的抗彎折性能，二是防止因主浮管焊縫或因其他缺陷而發生滲水時，保證主浮管仍可提供足夠的浮力，避免網箱下沉。

4 展望

深水網箱養殖涉及海洋工程、材料科學、海洋生物與生態工程、海洋環境保護、海水魚類養殖技術與操作管理技術、病害防治、飼料營養、水產品加工、市場營銷等多學科，是一項復雜的系統工程。作為一項新興產業，從深水網箱制造技術出發，著眼于關鍵技術的突破．形成深水網箱養殖產業鏈，實行規?；?、集約化、產業化的生產經營， 才能有效發揮深水網箱養殖業的優勢。

HDPE管材及配件作為構建深水網箱主體結構的主要材料之一，設置于環境條件較為惡劣的半開放或開放型海區，網箱主體結構的抗風浪能力必須加強，2004年“云娜”強臺風在浙江省的中南部登陸，海區風速達58.7 m/s，浪高8～10 m，HDPE浮式網箱受損占10%．主要為扶手管折損和部分主浮管折損。為進一步提高HDPE網箱的抗風浪能力，適應于我國養殖海區的自然環境條件，急需改進和完善HDPE框架深水抗風浪網箱的技術性能，并大力推進向大型化、智能化、數字化養殖業發展。首先是應用性能更強的HDPE管材及其專用構件制造大型 HDPE 框架網箱設施。目前，我國制造的 HDPE 框架深水抗風浪網箱，最大規格已達周長 120 m(直徑約38 m)，養殖水體近7 000 m3；福建省制造的最大規格為周長90 m(直徑約28.65 m)，養殖水體近 3 900 m3）。構建比較完善的機械化、智慧化、信息化配套裝備與系統，如機械化換網設備或水下洗網機、自動投餌機、魚規格分級裝置、吸魚泵以及養殖環境遠程實時監測、設施安全遠程實時監控、養殖專家管理系統等，推動養殖設施裝備及養殖業的產業技術升級，提高其抗風浪流和綜合養殖性能。另外，利用 HDPE 框架深水抗風浪網箱發展休閑漁業、旅游觀光行業也正在興起（見圖9）。

圖9 旅游觀光平臺

5 總結

高密度聚乙烯（HDPE）深海網箱的推廣應用，為我國的深海養殖網箱領域提供了一種性能優良的新型產品，打破了長期以來海洋養殖業使用木質或竹制等天然材料或金屬材料的局面。隨著國家對環境保護的重視，HDPE網箱系統作為一種綠色環保型網箱，必將以其優越的綜合性能成為深海網箱領域的佼佼者。