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深海养殖网：HDPE 双管圆形深海抗风浪网箱的研制

发布时间：2015-09-09

作者： xinnong

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　　随着网箱养殖业的不断发展和近海养殖环境的不断恶化，我国的海水网箱养殖正逐渐由浅海内湾向深水、开阔海区推进，发展了大型深海抗风浪网箱养殖技术。1998年，海南省临高县从挪威REFA公司引进一组HDPE圆形重力式网箱，给我国海水网箱养殖业的发展以巨大的启迪。之后，浙江、广东、山东、福建等省也相继引进试验，浙江嵊泗还从美国OST公司引进了两套碟形网箱。这些网箱的引进对我国深海网箱养殖业的发展起到了积极的促进作用，但也存在着诸多问题。如引进的网箱系统造价昂贵，挪威HDPE圆形重力式网箱初始引进时的单网箱价格约30万元人民币，以后降到24万元左右，美国的碟形网箱价格则高达12万美元，这样昂贵的价格使许多养殖户望而却步。此外，引进的网箱均未按我国养殖海区的海况条件（风、浪、流和水深等）和国情条件（日常管理与操作等的设施条件）设计，因此在实际使用中，网箱整体损坏、破网逃鱼、框架弯折、网底圈折断等问题均有发生。至今海南临高最早引进的HDPE圆形重力式网箱和浙江嵊泗引进的碟形网箱均已损坏，山东省荣成市引进的重力式网箱亦出现框架管材弯折、网底圈损坏和网衣破损等问题。为此，根据我国国情和海况条件，自主研制性能优良、造价适中的深海抗风浪网箱设施势在必行。

1抗风浪网箱的结构选型

1.1网箱的种类及其结构特点

　　目前世界上海水养殖网箱的种类和结构型式多种多样。按照网箱在水中所处的状态和敷设方式，养殖网箱可分为浮式网箱、升降式（或浮沉式）网箱和特殊网箱3种（王明彦　2001;杜守恩　1993;Malcolm　1987）。浮式网箱是靠浮子提供或者自身所具备的浮力，支撑网箱框架始终处于水面漂浮状态，如竹、木、钢管等框架与浮筒或发泡苯乙烯浮子扎制的近海养殖鱼排；塑料、橡胶和玻璃钢管材等制作的浮式网箱；以绳索串连浮子组成的浮绳式网箱等。升降式网箱按升降控制方式又可分为浮沉式、沉浮式、悬挂式和张力腿（TLC-TensionLegCage）网箱等。浮沉式与沉浮式网箱均是通过向浮体中排气、注水与充气、排水方式改变浮沉力的配备，使网箱整体自动下潜或上浮。浮沉式网箱以水面浮动状态为主，只有当台风来临和赤潮发生等紧急情况时，才将网箱下沉。而沉浮式网箱，是以网箱下沉状态养殖为主，只有当更换网衣、检查和分级起捕时，才将网箱浮出水面。悬挂式可升降网箱，是将网箱框架通过绳索与水面浮子相连，通过调节悬挂绳索的长度，来控制网箱所处水层。TLC网箱是通过特殊的海底敷设方式，使系缚绳索在风浪较大时能感受到拉力的变化，自动下沉到水面以下。特殊网箱，如船式网箱、瑞典的Farmocean网箱和美国碟形网箱等。

1.2网箱形状的利弊分析

　　无论是正方形、长方形、多边形还是船形结构，都是由直边与直边成一定角度构成，可通称为角形网箱；而圆形或球形网箱，是由构造均一的圆或球面组成，可通称为圆形网箱；碟形网箱和Farmocean网箱，虽然主体框架是由钢结构多边形组成，但其依靠高强度材料拉紧而成的特殊结构和形状，使其整体看上去分别呈双锥碟形和坛子形状，与角形和圆形网箱不同，属特殊形状网箱。

　　从受力分析角度看，角形网箱的拐角处存在应力集中和剪切破坏点，多数网箱框架的破损，均出现在拐角处。而圆形网箱与角形网箱相比，虽然存在材料选择、制作工艺和海上敷设排列布置上的困难，但由于圆形网箱构造均一，无明显的拐角和剪切点，外力容易分散，因此，同样材料的情况下，圆形网箱比角形网箱可承受更大的水流和风浪等恶劣环境。

　　从水体交换和鱼类行为分析，圆形网箱适合大多数鱼类的游动。鱼类的圆周性游动，使网箱内产生逆向涡流，水面中央部分降低，边缘部分升高，形成次生流，有利于网箱内水体的交换（如图1所示）。

　　从有效养殖水体和材料用量看，面积和网高相同的网箱，有效养殖水体相同，但网箱的周长和材料用量则不同。面积相同的方形、长方形、八边形和圆形结构，以圆形网箱的周长最小。面积为200m2的4种形状网箱周长比较见图2。因此，在有效养殖水体和材料相同的情况下，以圆形网箱的材料用量为最少。

1.3抗风浪网箱结构型式的确定

　　网箱结构型式的确定要从网箱的安全性、实用性和经济性三方面综合考虑。因此，在确定抗风浪网箱结构型式时，既要考虑到网箱的抗风浪和耐流性能，又要考虑到网箱的成本造价。根据网箱模型波浪水槽实验结果，碟形网箱的受力特性并不优于重力式网箱，但碟形网箱系统的造价要远高于重力式网箱。目前国内对碟形网箱虽有相关研究，但实际应用数量较少。此外，挪威的张力腿（TLC）网箱、瑞典的Farmocean网箱和美国的海洋平台式网箱也都是当今世界上网箱先进技术的代表，这类网箱虽然具有较好的抗风浪性能和养殖容量大的特点，但制作技术要求较高、海上安装与敷设困难，尤其是系统造价昂贵，使得这类网箱在世界各地的应用受到限制。从目前我国国情及养殖用户所具有的设施与装备条件看，短时间内，这些造价昂贵的网箱在我国推广应用的难度较大。

　　聚乙烯（PE）框架网箱，是20世纪70年代初挪威HelgelandPlast公司首先研制的，该网箱利用PE材料的耐海水腐蚀、材料的柔弹性和允许随波浪形变的特性，可在恶劣海况环境下使用，具有较好的抗风浪能力。此外，采用PE材料很容易实现构造均一的圆形结构型式，这使得该网箱不仅具有受力状态好和操作管理方便的特点，而且具有使用寿命长及单位养殖水体成本和折旧费低的竞争优势。目前世界上除挪威外，还有智利、苏格兰、韩国和我国台湾省等许多国家和地区均生产和使用该网箱。我国自1998年海南省从挪威引进PE圆形网箱以来，加快了大型深海网箱的研发步伐。

　　作者在执行国家863计划“深海抗风浪网箱的研制”过程中，紧密跟踪国际上先进网箱材料与工程技术的发展，通过网箱材料性能测试和网箱结构的对比分析，并针对引进挪威网箱在我国海区使用中存在的问题，采用自主开发的HDPE管材，并在结构设计中进行了多项创新性改进，自行研制了HDPE圆形结构抗风浪网箱。经两年多海区养殖试验验证及试推广应用证明，该网箱的技术性能达到设计要求。

2网箱系统组成及主要技术特征

2.1网箱的系统组成

　　深海网箱按其系统组成可分为框架系统、网衣系统和锚泊系统3个部分。其中任何一个系统存在不安全隐患，最终都会导致网破鱼逃，造成经济损失。因此，系统各部分的材料选择、结构设计、制作与安装以及海上敷设等，直接关系到网箱系统整体的抗风浪、耐流性能和养殖生产的安全性。本文重点介绍抗风浪网箱的结构设计，有关网衣和锚泊系统的设计、制作与海上敷设技术等，将另文做详细讨论。HDPE双管圆形抗风浪网箱的整体结构如图3所示。该网箱由HDPE网箱框架系统1.网衣，2.网筋，3.网底，4.网底圈5和沉石6组成。其中，网箱框架系统结构如图4所示，是由外圈主浮管7,内圈主浮管8,护栏立柱管9,护栏管10,护栏管三通11,定位块12,销钉13,热箍套14,主浮管三通15和网衣挂钩16组成。

2.2系统结构的主要技术特征

　　2.2.1主浮管一次性发泡填充复合

　　内外圈主浮管采用一次性发泡聚苯乙烯填充HDPE主浮管内孔，形成复合管。其作用：一是可提高主浮管的抗弯折性能；二是一旦主浮管焊缝或因其他缺陷而发生渗水时，保证主浮管仍可提供足够的浮力，避免网箱错误下沉。

　　2.2.2主浮管连接三通

　　选用管材用HDPE原料加抗老化剂，并采用蜂窝状中孔结构和一次性注塑成型工艺，不仅提高了连接三通的抗老化性能和户外使用寿命，而且由于设置的蜂窝状中孔，使水流畅通，从而减少了网箱框架的受流阻力，改变了连接三通和框架的受力状态，使网箱框架连接更加可靠。

　　2.2.3主浮管对接焊缝热箍套加固工艺

　　热箍套由HDPE管接和缠绕在管接内孔的热熔电阻丝组成。当各段主浮管对接熔焊后，将热箍套通过一夹紧装置固装到对接焊缝处，并通过电极接头使热熔电阻丝通电，即可将HDPE管接熔焊在焊缝处，形成热箍套。其作用是加固焊缝和对接处的强度，避免焊缝开裂和渗水。

　　2.2.4网衣箱体加固与网形固定

　　网衣箱体沿纵向设置若干条力纲（网筋）,周长50m网箱的网筋数量在10根以上。网筋与网衣之间采用特殊固定方式扎制，使网筋与网衣之间无论在任何海况条件下都不会产生松动，以始终保持网筋受力，并可避免网筋与网衣之间相互摩擦而造成网衣破损。网筋与网底圈和沉石相连，以保持网衣箱体的水下形状，减少网衣箱体在水流和波浪作用下的容积损失。

　　2.2.5网底圈设计

　　网底圈是由底圈HDPE管和封闭在管内的环形链或其他比重较大填充材料构成。由于PE管材的比重小于水，因此，管内必须添加重物，才能使其下沉做网底圈使用。网底圈是通过网筋和辅助绳索与网衣箱体连接，其作用是将网衣底部撑开成一定形状，避免由于水流和波浪作用使网衣箱体变形，保持网衣箱体的容积。由于网底圈的外部为一HDPE管，而内设的环形链被封闭在管内，因此，与其他钢质底圈相比，具有耐海水腐蚀、刚性和柔韧性兼备和使用寿命长等特点。

　　2.2.6沉石的形状设计

　　沉石是将沉石绳环浇注在混凝土内而成。沉石通过系缚绳索与网底圈和网筋相连，其作用是保持网衣箱体的形状。沉石形状设计为球形，由于球体的形状均一，当水流和波浪力作用于网衣箱体和沉石时，无论沉石处于何种倾斜角度，其产生的恢复平衡力矩是不变的，因此在网衣箱体产生一定倾斜时，有利于恢复平衡位置，从而可减少网衣变形和箱体的容积损失。

　　2.2.7附属联接件材料的均一性

　　护栏管三通、定位块、销钉和网衣挂钩均采用PE材料一次性注塑成型，使网箱框架材料具有均一性，不仅提高了网箱框架的耐腐蚀性和耐候性，且具有结构简单、安装方便的特点。

3网箱系统主要技术参数

3.1网箱框架系统

　　（1）网箱框架材料

　　利用国产HDPE（高密度聚乙烯）原料改性，开发抗风浪网箱专用管材，其拉伸屈服强度最高可达到26MPa,断裂伸长率为702%,纵向回缩率为0.63%,主要性能指标已达到或超过进口网箱框架管材水平。经过1000h老化试验和10万次弯曲疲劳试验证明，该管材的户外使用寿命可达10年以上。

　　（2）主浮框架尺寸

　　网箱周长（内圈管中心线）50m,直径15.92m;管材直径250mm,壁厚15mm;内外圈中心距500mm或450mm;内外浮管采用注塑三通连接件连接，间距2m。

　　（3）护栏尺寸

　　周长（中心线）50m,直径15.92m;护栏管直径110mm,壁厚8mm;护栏立柱管直径125mm,壁厚10mm;护栏高度（护栏管中心至主浮管中心）1m。

3.2网衣系统

　　（1）网衣材料采用国产PA（尼龙）六边形网目无结节网衣，210D/90股和210D/75股，网目尺寸30～80mm。其纵向强力达3458～3597N,横向强力为2632～3503N。与挪威网衣性能对比，纵向强度比挪威网衣高10.7%,横向强度小5.8%;纵向与横向强度比接近挪威网衣水平。

　　（2）网具主尺度圆柱形，直径16m;标准网高10m+1m（网衣水下深度+护栏网高度）。网衣箱体尺寸可根据海况条件和用户要求制作。

　　（3）网筋（力纲）材料为20mmPP/HDPE绳索（俗称朝鲜麻）,10根网筋。

3.3网底圈及配重

　　网底圈净沉力（水中重量）:300kg

　　底圈配重（水中重量）:10×20kg=200kg（沉石20kg/个，10个均布）

　　以上为设计的标准配重，实际使用中可依据网箱敷设海域的流速情况，适当增加或减少配重。

4主要技术性能

　　（1）网箱周长50m,容积（标准网高）2000m3;

　　（2）抗风浪能力：风力10级，波高5～7m;

　　（3）耐流能力：流速≤1m/s;

　　（4）安全使用寿命：网箱框架主体使用寿命8年以上，网衣寿命4年。

5波浪水槽模型试验和海区养殖验证

5.1波浪水槽模型试验

　　5.1.1试验条件

　　试验是在大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室的二维波流水槽中进行的，水槽长69m,宽2m,可造不同要求的单向规则和不规则波浪以及双向水流。试验主要依据《波浪模型试验规程》，JTJ/T234-2001。

　　5.1.2网箱模型试验依据及模型制作

　　网箱模型试验依据有关规程，并遵循几何相似、水动力相似及运动相似准则进行，因此模型试验结果可换算到实物网箱。实物网箱周长50m,网高10m,网目尺寸40mm。模型试验中，对于网衣系统，按照特种相似准则，在保证水动力相似的前提下，采用变尺度进行缩放，即采用与网箱其他部件相同的大尺度比（λ=20）对网衣的高度和长度进行缩放，而采用小尺度比（λ′=2）对网目尺寸和网线直径进行缩放。这样，模型网缩结后周长为2.5m,高度为0.4m,网目尺寸为20mm,网线直径为1.18mm。对由于采用大小尺度比对网衣进行缩放而带来的网衣刚度及网衣质量的差异进行校正，并通过沉子进行质量平衡。

　　5.1.3波流组合作用下网箱受力

　　模型试验结果表明，从受力角度来看，在相同的实验条件下，顺流与波浪组合时的受力最大，其次为逆流与波浪组合，最小为单纯波情况时的受力。受力结果的换算遵循重力相似准则，即按公式Fp=λ3Fm=8000×Fm（脚标p表示原型值，m表示模型值）计算。在试验流速16cm/s与试验水槽极限波高组合时（对应原型流速为71.56cm/s,波高7m）,最大受力为7.52N,对应原型受力为60.18kN。这一受力是迎波面两道锚绳的合力，从力的大小来看，远远小于直径40mm的朝鲜麻绳索的破断强度（180.3kN）。为了获得作用在网箱上的水平及垂向受力，可以将受力沿水平及垂直方向进行分解，由模型布置计算得水平总力为55.55kN,垂直分量为19.35kN,远小于浮架所能提供的总浮力49.60kN。

　　5.1.4网箱耐流性能与容积保持率

　　由于网衣箱体在流场中的复杂变形，使得网箱容积损失率的估算非常困难。为此，试验中预先在网衣上布设若干个点光源，通过CCD采集系列图像，然后编程对采集图像进行处理，跟踪亮点的运动，计算亮点组成的平面的面积变化，从而获得网衣变形最大时出现的位置和近似的容积损失。试验设置了3组沉石配重形式，对应于实物网箱的配重分别为200kg（F1）,500kg（F2）,1300kg（F3）。3种配重条件下，网衣的容积损失率均随着流速增大而增大，其结果如表1所示。但在同一流速下，容积损失率则随着配重的增大而大幅度下降。如试验流速为20cm/s时，配重F1对应的原型流速为89.4cm/s,其容积损失率达到49.9%,配重F2的容积损失率为27.6%,而配重F3的容积损失仅为15.3%。配重F3在对应原型流速为102.9cm/s（试验流速23cm/s）时，容积损失率为19.8%,容积保持率在80%以上。由此可见，增加网箱的配重，可以有效减少网箱容积损失率。试验结果还表明，尽管配重F3为配重F2的2.6倍，但从实测的锚绳受力分析看，其受力增量并_不大，均在15%以内。

　　为验证波浪对网箱变形和容积损失的影响，试验中还对单纯波、波浪与顺流组合和波浪与逆流组合的情况进行了试验。结果表明，无论是顺流还是逆流，其波流联合效应均会对网箱变形产生更大的影响，但在流速较大时，影响网箱变形和容积损失的主要因素是流。鉴于本文篇幅所限，相关的试验结果和分析将另文作详细报道。

　　从实际操作角度看，虽然第3种配重方案，可保持网箱容积损失率在20%以下，但1300kg的配重，对养殖日常操作与管理，尤其是手工换网，将带来较大困难。此外，由于重力式网箱结构本身存在容积损失较大的缺陷，尽管在1m/s流速下，仍可进行养殖生产，但要保持网箱的容积在80%以上，且不影响换网操作，还需要在减流措施上进行深入的研究。从实际操作角度看，虽然第3种配重方案，可保持网箱容积损失率在20%以下，但1300kg的配重，对养殖日常操作与管理，尤其是手工换网，将带来较大困难。此外，由于重力式网箱结构本身存在容积损失较大的缺陷，尽管在1m/s流速下，仍可进行养殖生产，但要保持网箱的容积在80%以上，且不影响换网操作，还需要在减流措施上进行深入的研究。

5.2海区养殖验证试验

　　首批研制的一组周长50m,水体2000m3的HDPE双管圆形抗风浪网箱，在山东寻山水产集团有限公司所属的爱莲湾半开放海区试用。根据荣成市气象局提供的气象资料，仅在2001年7月至2003年7月的两年间，试验海区共经历8～9级大风38次，10级以上大风3次，海区最大流速72cm/s。在上述海况条件下，单网箱放养鲈鱼、黑鲪和六线鱼等鱼苗4万尾，成活率达到85%～95%,单箱成鱼产量15～20t,网箱系统和养殖鱼类安全。此外，在辽宁大连、山东日照、威海、胶南和浙江南麂岛等地推广使用大型深海网箱近300套，至今无一出现网箱破损和逃鱼现象。波浪水槽模拟试验和海区养殖验证证明，研制的HDPE双管圆形抗风浪网箱的总体性能达到设计要求。