浅谈高密度聚乙烯管道在深海网箱养殖领域的应用

彭伏弟，陈晓梅，高洁，陈鹊，陈文彬

(福建亚通新材料科技股份有限公司，福建 福清 350304)

0 概述

随着近海养殖规模的日益扩大以及港口的开发，近海养殖区域日益紧张，养殖密度增加，海水污染严重，养殖产品品质提高受限。为了解决养殖安全问题和扩展养殖空间，提出“深海”养殖的概念。渔业上的“深海”网箱，是相对于近岸网箱的一个概念，是指离岸25 km远的水域，随之养殖水深也从传统网箱10～15 m拓展到20～30 m、甚至50 m的海域[1]。养殖海域的推广，海域资源利用率的提高，有效改善近海养殖带来的环境压力、解决养殖产品质量受限等一些问题。但由于海域养殖面积的外推，网箱除受海水腐蚀和阳光曝晒外，还要承受更大的外力冲击，需常年承受风、浪、流单一荷载或其复合荷载作用[2]，因此，对深海网箱的性能提出抗风浪、抗急流、耐老化的要求。

深海网箱系统主要由具有足够浮力的刚性框架结构、维持养殖空间，防止逃逸用的网衣系统、对网箱系统安全起保障作用的锚泊系统构成。刚性框架结构是深海网箱中最重要的组成部分之一，是支撑网衣箱体和锚泊系缆绳索的承载组件，也是养殖操作和管理的工作平台。在投入使用时，网箱必须保证在规定的工作环境下安全可靠，不发生开裂、爆管等现象，此外还要求构成框架结构用的材料具有价格低廉、不宜腐蚀、耐老化、使用年限长、易于安装施工、组装密封性强等优点。由于框架结构是网箱的主体，在深海网箱工程中需用的数量较多，占比重较大，因此，必须经济合理地选用主体材质。目前可供网箱选择的主体材质有HDPE管、金属管、木质或竹制的天然材料等。

1 HDPE管道特性

近年来，HDPE管道因其良好的机械性能和加工特性而广泛应用于深海网箱养殖领域，产品性能如下：

（1）密封性好，可实现零渗漏。HDPE管道连接采用电熔焊接技术，使接口处的两段管完全熔为一体，密封性良好，保证了管道接口不会渗漏。

（2）抗风浪性好。HDPE 材料由于具有优越的柔弹性和伸长率（不低于350%，甚至可达7 倍），能随波浪同步起伏变形，从而吸收波浪能量，达到防台风破坏的目的，因此具有优良的抗风浪性能。

（3）耐腐蚀、抗老化性能好。由于HDPE管的原材料为高分子的聚乙烯，它能有效地抵抗酸、碱、盐等介质的腐蚀，其抗老化性能比PVC管要好，能够较好承受日光暴晒、盐水腐蚀的海洋环境。

（4）柔韧性好。HDPE管属于柔性管，延伸性能好，在安装时可以承受一定程度的弯折，因此适用于制作各种形状的网箱，比如圆形网箱、方形网箱等。

（5）强度高，使用寿命长。由于HDPE管是采用高密度聚乙烯在热熔状态下制成的整体管道，其整体性较好，化学性质稳定，强度高，在深海网箱养殖领域一般情况下其使用寿命可达15年以上[3]。

（6）对环境影响小。HDPE是无毒性材料，对海水无害，并且能够再生使用。

2 HDPE管材与其他材质在深海网箱领域中的适用性比较

2.1 天然材料制作的网箱

天然材料制作的网箱指采用天然材料，如木制和竹制的网箱。早期的网箱多半属此类，因成本较低，被广泛应用于内陆水库和湖泊的淡水养殖。

传统木制网箱是目前国内最普遍使用的网箱，也是发展最久的网箱。传统木制网箱采用木料和泡沫浮球制成，抗流抗风浪能力较差，基本就在避风性较好的内湾、浅水海域使用，难以向深水和外海发展。网箱布置过于密集，鱼病发生频繁，养殖业者大量使用药物致使养殖鱼品质下降[4]，见图1所示。传统木制网箱的无序发展已经造成海域的污染，各地政府已相继开始整顿治理网箱养殖区，如福建、深圳等地已强制清除海上鱼排，传统木制网箱面临被淘汰出局的趋势。

图1 传统木质网箱养殖平台

2.2 大型钢制养殖平台

大型钢制养殖平台是指采用铝合金、不锈钢等金属材料制成的网箱。

挪威离岸网箱正朝着大型化（最大网箱周长达160 m）和智能化、数字化养殖管理等方向发展，并且以其深厚的产业基础和先进的技术，正在形成深远海网箱养殖的热潮。2017年6月交付使用的半潜式大型智能渔业养殖平台“海洋渔场1号”直径110 m、高69 m，单口养殖水体达245 000 m3，养殖产量达6 000 t，可抗12级台风，设计使用年限25年，见图2。平台配备了全球最先进的三文鱼智能养殖系统，安装各类传感器2万余个、水下水上监控设备100余个、生物光源100余个，整个平台仅需 3～7 人即可完全操控，年养鱼可达150万条，且死亡率低于2%[5]。

图2 半潜式大型智能渔业养殖平台

西班牙开发的浮动式海上养殖平台另具特色，见图3。养殖平台规格为50 m×50 m×11.5 m，呈六角形，由直径1.5 m 的钢管构成，平行边间隔43 m，最大深度为12 m，平台总重量为450 t，可以抗高9 m海浪。平台有7只大型网箱（每只体积2 000 m3，共计14 000 m3），也可分成15只小网箱，放养鱼苗。网箱养殖的初期生产能力为250 t/年，预计最大年产量逾400 t。平台的甲板面积为800 m2，建筑面积为2 500 m2，顶部设有办公室、实验室、仓库、宿室，并设有电信设备和一个直升机场[6]。

图3 浮动式海上养殖平台

该类网箱是20世纪70年代国外率先发展起来的新型养殖模式，大量采用新技术，造价比较高，不易在广大中小型养殖平台推广。

2.3 HDPE深海网箱

高强度聚乙烯（HDPE）网箱指由高强度聚乙烯（HDPE）管道及相关配件组合的网箱。这类网箱的框架柔韧性好，能抵御较大的风浪，有非常突出的耐腐蚀性，已经成功地应用于抗风浪网箱的框架系统[5]。

HDPE深水网箱的框架一般是由高强度聚乙烯（HDPE）管材经热熔焊接起来，其周长从20 m到120 m，网箱外形框架根据使用需要可以组成圆环形或方形框架，其结构一般由为浮管和操作平台两部分组成，见图4。浮管是网箱结构抵御荷载变形的主要部分，承受海浪和潮流的冲击力并为浮力系统和操作平台提供框架。操作平台搭建于浮管之上，由铺设在浮管上的HDPE脚踏板材和HDPE材料制成的扶手、立柱组成。操作平台为养殖操作提供场地支持，并为网衣提供了一定的超高，防止养殖鱼类的跃出。

HDPE框架深水网箱有优良的柔韧性和强度，可以设置在相当开放的海域，其中圆形的HDPE网箱可适应相当恶劣的海况和天气，可抵御5 m海浪，几乎不需要任何维护，具有很高的经济效益和社会价值。

图4 HDPE深海养殖网箱系统结构图

此网箱有优良的柔韧性和强度，可以设置在相当开放的海域，其中圆形结构的HDPE网箱可适应相当恶劣的海况和天气，可抵御5 m海浪，几乎不需要任何维护，具有很高的经济效益和社会价值。表1为几种不同材质网箱类型的对比：

3 HDPE制成的管材及配件在深海海洋养殖中的应用

3.1 HDPE网箱类型

网箱养殖是我国海上鱼类的主要生产方式。21世纪以来，通过对挪威高密度聚乙烯（HDPE）框架式网箱的引进与再创新，HDPE网箱形式包括浮式和升降式网箱，目前国内常见HDPE浮式网箱类型有圆形网箱及方形网箱。浮式圆形或方形网箱的框架是由多条圆形、内空、全封闭的黑色高密度聚乙烯管和起连接、加固作用的支架共同组成。目前市面上常用的HDPE抗风浪网箱的规格见表2。

表1 木质网箱、金属网箱、HDPE网箱类型的对比情况

表2 常用HDPE抗风浪网箱规格

3.2 操作平台

操作平台搭建于浮管之上，可用于人行走或放置物品等，主要是由铺设在浮管上的脚踏板材和聚乙烯管制成的扶手、弯头、立柱等组成。不同类形的网箱，其操作平台设计要求及组成也不相同。方形网箱操作平台主要由数条HDPE条形踏板、扶手管、弯头及立柱、不锈钢垫片及螺栓等组成，见图5。设计要求位于环形人行走道安装单侧或双侧扶手，扶手高度不低于80 cm，扶手高度通过立柱高度来控制。扶手固定桩间距不大于2 m，直径不小于90 mm扶手管。走道铺设塑胶脚板，宽度不小于1.0 m，厚度不小于60 mm。

图5 方形网箱操作平台

圆形网箱操作平台根据使用领域不同，可分抬高式平台和普通型平台。抬高式平台与方形网箱的操作平台组成相同，因距离水面较高，便于行人在平台上走动或养殖操作，见图6；普通型操作平台主要是镶嵌在浮管之间，与浮管表面平齐，根据养殖需要，操作平台由数块方形的块状踏板组成，踏板平均分布在网箱浮管四周，见图7。此类平台安装操作简便，成本相对较低。

操作平台为养殖操作提供场地支持，并为网衣提供了一定的超高，防止养殖鱼类的跃出。

图6 圆形网箱抬高式操作平台

图7 圆形网箱普通型操作平台

3.3 浮力系统

深海网箱系统能长期安全的在海上漂浮使用浮力系统质量保证起着关键性作用。浮力系统主要是采用HDPE浮力管道，该管道采用高密度聚乙烯树脂原料生产，同时添加增强、增韧、抗老化等功能助剂，使系统具备高强度、高韧性、抗氧化、耐酸碱、耐撞击等优良性能。浮力管是网箱结构抵御荷载变形的主要部分，承受海浪和潮流的冲击力并为浮力系统和操作平台提供框架。

网箱框架采用稳固的“井”字形穿插式框架连接方式，通过专用三通配件与浮力管事先热熔焊接预置，形成“三通预置件”，后将预置件的与将网箱浮力系统以横向“T”型结构连接，通过双层支架进行“四点对锁式”定位，见图8，使系统结构稳定性提高，横向受载刚度更强，在受到海浪冲击时，能够很好地将海浪的冲击力分散，有效提高网箱的抗冲击性。

图8 双层支架进行“四点对锁式”定位

多孔支架（浮力管连接支架）是一种网箱浮力系统重要组成配件，通过支架将两组浮力管牢牢的连接起来，同时为扶手部分提供基础。多孔支架采用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，不仅提高了支架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，改变了框架的受力状态，使网箱框架连接更加可靠、稳定。

深海网箱浮力系统中使用的弯头、三通、接头等配件均是采用中间密封隔仓式设计，浮力管道与配件采用热熔对接连接，管道连接成型后管腔内会形成多个独立密闭腔室，进一步提高网箱的使用年限和安全系数，其作用一是可提高主浮管的抗弯折性能，二是防止因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，避免网箱下沉。

4 展望

深水网箱养殖涉及海洋工程、材料科学、海洋生物与生态工程、海洋环境保护、海水鱼类养殖技术与操作管理技术、病害防治、饲料营养、水产品加工、市场营销等多学科，是一项复杂的系统工程。作为一项新兴产业，从深水网箱制造技术出发，着眼于关键技术的突破．形成深水网箱养殖产业链，实行规模化、集约化、产业化的生产经营， 才能有效发挥深水网箱养殖业的优势。

HDPE管材及配件作为构建深水网箱主体结构的主要材料之一，设置于环境条件较为恶劣的半开放或开放型海区，网箱主体结构的抗风浪能力必须加强，2004年“云娜”强台风在浙江省的中南部登陆，海区风速达58.7 m/s，浪高8～10 m，HDPE浮式网箱受损占10%．主要为扶手管折损和部分主浮管折损。为进一步提高HDPE网箱的抗风浪能力，适应于我国养殖海区的自然环境条件，急需改进和完善HDPE框架深水抗风浪网箱的技术性能，并大力推进向大型化、智能化、数字化养殖业发展。首先是应用性能更强的HDPE管材及其专用构件制造大型 HDPE 框架网箱设施。目前，我国制造的 HDPE 框架深水抗风浪网箱，最大规格已达周长 120 m(直径约38 m)，养殖水体近7 000 m3；福建省制造的最大规格为周长90 m(直径约28.65 m)，养殖水体近 3 900 m3）。构建比较完善的机械化、智慧化、信息化配套装备与系统，如机械化换网设备或水下洗网机、自动投饵机、鱼规格分级装置、吸鱼泵以及养殖环境远程实时监测、设施安全远程实时监控、养殖专家管理系统等，推动养殖设施装备及养殖业的产业技术升级，提高其抗风浪流和综合养殖性能。另外，利用 HDPE 框架深水抗风浪网箱发展休闲渔业、旅游观光行业也正在兴起（见图9）。

图9 旅游观光平台

5 总结

高密度聚乙烯（HDPE）深海网箱的推广应用，为我国的深海养殖网箱领域提供了一种性能优良的新型产品，打破了长期以来海洋养殖业使用木质或竹制等天然材料或金属材料的局面。随着国家对环境保护的重视，HDPE网箱系统作为一种绿色环保型网箱，必将以其优越的综合性能成为深海网箱领域的佼佼者。