一种海水痕量元素CTD采集收放用敷塑纤维通讯缆的设计及检测试验

张宗兵, 刁新源, 任景玲, 蒋 硕, 苏 函, 倪佐涛, 姜金光, 丛石磊, 陈 杨, 艾金腾, 杨中林, 周继续

一种海水痕量元素CTD采集收放用敷塑纤维通讯缆的设计及检测试验

张宗兵1, 2, 刁新源1, 2, 任景玲3, 蒋 硕4, 苏 函4, 倪佐涛1, 2, 姜金光1, 2, 丛石磊1, 2, 陈 杨1, 2, 艾金腾1, 2, 杨中林5, 周继续1, 2

(1. 中国科学院海洋研究所, 山东 青岛 266071; 2. 中国科学院海洋大科学研究中心, 山东 青岛 266071; 3.中国海洋大学, 山东 青岛 266100; 4. 华东师范大学, 上海 200241; 5. 上海瑞领电缆有限公司, 上海 201822)

痕量元素及其同位素采集、预处理和分析在海洋研究中具有重要的作用, 对于认识全球环境变迁具有重要的价值。但其浓度在这些过程中易受沾污。本文结合海水痕量元素CTD现场采集工作环境, 工作拉力等特殊要求, 先后跟缆绳设计、生产制造厂家进行缆绳相关技术讨论、确定缆绳各项技术指标。设计敷塑纤维通讯缆, 并委托缆绳生产厂家加工出样缆两条。通过对样缆进行静态拉力试验验证缆绳自身工作拉力, 并通过成分分析、浸出试验验证最大化减少缆绳对于海中溶解态痕量金属的沾污。该研究结果可提高采样过程的可靠性, 保证数据的准确率。

敷塑纤维通讯缆; 静态拉力试验; 成分分析; 浸出试验

为了解决痕量元素及其同位素海洋研究中采样及预处理过程的沾污问题, 研发专用采样设备、减少采样环节、进行装备集成化一体化设计是解决这一技术问题的可行思路。近年来, 国内外海洋科学研究机构也尝试海水痕量元素洁净采集系统的研发。其中有报道的国外比较成功的有荷兰海洋研究所的相关装备, 该设备设计先进, 测试结果准确, 但是该设备采水器采用矩形结构, 采水作业所需操作空间较大, 一个独立集装箱无法同时完成采样、样品预处理及分析作业, 现在为非商业化产品[1]。国内厦门大学通过全套设备的进口搭建了包含8 km长Vectran凯夫拉传输电缆及配套绞车、痕量元素专用的洁净采样CTD及葵花采水器、24个12 L痕量采水瓶和2个洁净集装箱的集成洁净痕量元素采样及预处理系统, 目前已经在厦门大学的“嘉庚”号科考船应用[2]。但是, 该套系统所用的缆绳为进口产品, 缆绳长度仅有8 000 m, 对于一些深水站位具有一定的局限性。

目前, 国内科考船上配备的CTD缆绳多为铠装同轴缆, 铠装层金属元素容易在海水中析出, 因此研发一套敷塑纤维通讯缆, 可避免因缆绳沾污对分析测试结果准确性的影响, 提高采样过程的可靠性, 从源头上保证分析测试结果的可靠性, 对于提升我国在痕量元素及同位素化学海洋学研究领域的能力具有重要的意义[3-6]。

1 敷塑纤维通讯缆的设计

海水痕量元素CTD采集系统由洁净CTD采水器、敷塑纤维通讯缆(以下简称缆绳)、洁净绞车及伸缩臂、甲板单元、工控机等组成。如图1所示。

图1 海水痕量元素CTD系统

敷塑纤维通讯缆是同轴缆的一种, 缆绳是两芯的, 内部有两个同心导体, 而导体和屏蔽层又共用同一轴心的电缆。甲板单元通过缆绳为水下单元提供电力, 编译、压缩水下单元的串行数据流并传输到工控机。缆绳用于海上科学调查收放CTD并作为载体传输CTD数据。目前国内科考船上配备的万米同轴缆多为铠装同轴缆, 由内导体、绝缘层、外导体、屏蔽层、铠装层(最外层)等组成。如图2所示。

图2 铠装同轴缆

新设计的敷塑纤维通讯缆从内到外主要由内导体、绝缘层、外导体、护套、抗拉件(凯夫拉)、外护套等组成。

为了减少金属元素对于海洋中溶解态痕量金属的沾污, 整个电缆由聚乙烯或聚氨酯材料的护套进行包裹, 内外导体之间由绝缘材料交联聚乙烯(XLPE)进行隔离, 外导体与抗拉件之间采用高密度聚乙烯(HDPE)进行隔离。缆绳结构如图3所示。

图3 敷塑纤维通讯缆结构图

2 缆绳主要技术指标

要完成缆绳的主要技术指标的设计, 首先要了解敷塑纤维通讯缆的工作环境:

1) 工作水深: 0～10 000 m;

2) CTD重量: 5～10 kN;

3) 地质情况: 复杂多变;

4) 工作拉力≥15 kN。

本文结合缆绳工作环境, 按照痕量采集洁净度要求设计敷塑纤维通讯缆的技术指标如表1所示。

表1 敷塑纤维通讯缆主要技术指标

根据缆绳以上的技术指标, 委托相关缆绳制造厂家进行材料的选择及缆绳样缆的加工, 加工样缆2条如图4所示。

图4 敷塑纤维通讯缆样缆

1) 样品1

外护套: 聚氨酯(PU)

内护套: 高密度聚乙烯(HDPE)

绝缘层: 交联聚乙烯(XLPE)

2) 样品2

外护套: 高密度聚乙烯

内护套: 高密度聚乙烯

绝缘层: XLPE

为了减少外护套在海水中释放出金属元素对海洋中溶解态痕量金属的沾污及产生对生物有毒物质, 护套材料选用非金属材料(聚氨酯/聚乙烯)并且耐海水腐蚀。缆绳表面光滑适于用高压空气或高温高压淡水清洗。

3 缆绳静态拉力试验

委托相关缆绳静态拉力试验厂家使用卧式拉力机进行缆绳静态拉力试验。

1) 工作拉力15 kN

将测试缆固定在直径为800 mm的拉力轮上, 将工作拉力逐渐提升至15 kN, 并保持4 h, 记录开始时间、结束时间, 试验结束后检查测试缆外观变化。

检测结果: 测试缆外观完好;

2) 工作拉力30 kN

将工作拉力逐渐提升至30 kN, 并保持4 h, 记录开始时间、结束时间, 试验结束后检查测试缆外观变化。

检测结果: 测试缆外观完好;

3) 破断力

使用60 mm/min的拉伸速度, 直至线缆破断, 记录最大拉力, 检查测试缆外观变化。

检测结果: 最大拉力94.9 kN, 断裂处在拉力轮和测试缆切点处, 内部结构断裂, 绝缘层完好。缆绳静态拉力试验如图5所示。

图5 缆绳静态拉力试验

注: 仅针对外护套聚氨酯的样缆(样品1)进行的静态拉力试验

通过缆绳静态拉力试验结果可以看出, 样缆可以满足海水痕量元素CTD采集对缆绳工作拉力的需求。

4 缆绳成分分析

委托相关成分分析公司, 对敷塑纤维通讯缆样缆外护套、绝缘层、内护套采用取样灰化的方式形成溶液, 对溶解到溶液中的相关元素进行分析。

前处理过程: 称取0.20～0.25 g样品, 破碎后样品于微波消解罐中。加入3 mL水、7 mL硝酸和2 mL过氧化氢, 静置一段时间。

微波消解程序: 45 min升温至210 ℃, 210 ℃保温45 min。冷却、定容于50 mL容量瓶, 每个样品做2次平行测定, 测定结果如表2所示。

表2 缆绳成分分析测定结果

标准: SN/T 4843—2017《橡胶制品中铬、钴、砷、溴、钼、镉、锡和铅的测定电感耦合等离子体质谱法》。

外护套成分分析如图6所示。

图6 外护套成分分析

内护套成分分析如图7所示。

图7 内护套成分分析

绝缘层成分分析如图8所示。

成分分析结果:

图8 绝缘层成分分析

1) 外护套成分分析: 样品1(聚氨酯)元素含量基本小于样品2(HDPE); 样品2 Zn出现异常高值;

2) 内护套成分分析: 样品1(HDPE)元素Fe、Al含量高于样品2(HDPE), 其余元素小于样品2; 样品1、2中Zn均出现异常高值;

3) 绝缘层成分分析: 样品1(XLPE)元素含量基本小于样品2(XLPE); Fe、Cu出现异常高值;

结合缆绳成分分析结果, 外护套为聚氨酯的样缆要比外护套为HDPE的要好一些。

5 缆绳浸出实验

浸泡时间: Q水浸泡15 d, 未过滤东印度洋海水浸泡50 d。

样品保存: 用四重蒸馏的HCl将浸泡后Milli-Q和海水样本酸化到pH<2, 共计2套18瓶。

Q水浸泡后, 纤维缆1#和2#内层和外层浸出Al、Mn、As、Pb的浓度均很少, Fe溶出在0.35 nmol/L左右。海水浸泡后, 内层材料浸出Al和Fe明显增加。缆绳浸出试验样本情况如表3所示。

表3 缆绳浸出试验样本情况

缆绳浸出试验Al的情况如图9所示。

缆绳浸出试验Mn的情况如图10所示。

缆绳浸出试验As的情况如图11所示。

缆绳浸出试验Fe的情况如图12所示。

图9 缆绳浸出试验Al的情况

注：MQ-外层表示外层材料在Milli-Q超纯水中浸泡；MQ-内层表示内层材料在Milli-Q超纯水中浸泡；EIO-外层表示外层材料在东印度洋海水中浸泡；EIO-内层表示内层材料在东印度洋海水中浸泡。

图10 缆绳浸出试验Mn的情况

注：MQ-外层表示外层材料在Milli-Q超纯水中浸泡；MQ-内层表示内层材料在Milli-Q超纯水中浸泡；EIO-外层表示外层材料在东印度洋海水中浸泡；EIO-内层表示内层材料在东印度洋海水中浸泡。

图11 缆绳浸出试验As的情况

注：MQ-外层表示外层材料在Milli-Q超纯水中浸泡；MQ-内层表示内层材料在Milli-Q超纯水中浸泡；EIO-外层表示外层材料在东印度洋海水中浸泡；EIO-内层表示内层材料在东印度洋海水中浸泡。

图12 缆绳浸出试验Fe的情况

注：MQ-外层表示外层材料在Milli-Q超纯水中浸泡；MQ-内层表示内层材料在Milli-Q超纯水中浸泡；EIO-外层表示外层材料在东印度洋海水中浸泡；EIO-内层表示内层材料在东印度洋海水中浸泡。

缆绳浸出试验Pb的情况如图13所示。

图13 缆绳浸出试验Pb的情况

注：MQ-外层表示外层材料在Milli-Q超纯水中浸泡；MQ-内层表示内层材料在Milli-Q超纯水中浸泡；EIO-外层表示外层材料在东印度洋海水中浸泡；EIO-内层表示内层材料在东印度洋海水中浸泡。

缆绳Milli-Q水浸出实验结果-Element扫描多元素如表4所示。

6 结论

通过研发敷塑纤维通讯缆, 并对缆绳进行静态拉力试验, 可以满足痕量元素海水采集对缆绳工作拉力的需求; 通过对缆绳进行成分分析、浸出试验验证缆绳外护套、绝缘层、内护套等主要部分金属元素的含量, 研发的海水痕量元素CTD采集收放用敷塑纤维通讯缆可避免因缆绳沾污对分析测试结果准确性的影响, 提高采样过程的可靠性, 从源头上保证分析测试结果的可靠性, 对于提升我国在痕量元素及同位素化学海洋学研究领域的能力具有重要的意义。

表4 缆绳Milli-Q水浸出实验结果

注: LR表示测元素时选择的分辨率为低分辨率, MR表示测元素时选择的分辨率为中分辨率。

[1] Baar H J W D, Timmermans K R, Laan P, et al., A new facility for ultraclean sampling of trace elements and isotopes in the deep oceans in the international Geotraces program[J]. Marine Chemistry, 2008, 111(1/2): 4-21.

[2] 佚名. “嘉庚号”七个第一[J]. 船舶工程, 2017, 39(3): 76.

Anon. The Seven Firsts of “TAN TAH KEE”[J]. Ship Engi­neering, 2017, 39(3): 76. http://www.cnki.com.cn/ Article/CJFDTOTAL-CANB201703020.htm.

[3] 张经. 化学海洋学的无机痕量分析-思考与实践[M]. 青岛: 青岛海洋大学出版社, 2002: 125.

ZHANG Jing. Inorganic trace analysis in chemical oceanography-consideration and practice[M]. Qingdao: Qingdao Ocean University Publishing House, 2002: 125.

[4] Anderson R F, Henderson G M. GEOTRACES gathers speed[J]. Global Change News Letter, 2004, 60: 10-13.

[5] Martin J H, Fitzwater S E. Iron-deficiency limits phyto­plankton growth in the Northeast Pacific Subarc­tic[J]. Nature, 1988, 331(6154): 341-343.

[6] 倪佐涛. 一种移动式海水痕量元素洁净采集实验室的设计[J]. 海洋科学, 2020, 44(6): 137-140.

NI Zuotao. Design of a mobile clean collection laboratory for trace elements in seawater[J]. Marine Sciences, 2020, 44(6): 137-140.

Design and test of a plastic fiber communication cable for CTD collection and retraction of seawa­ter trace elements

ZHANG Zong-bing1, 2, DIAO Xin-yuan1, 2, REN Jing-ling3, JIANG Shuo4, SU Han4, NI Zuo-tao1, 2, JIANG Jin-guang1, 2, CONG Shi-lei1, 2, CHEN Yang1, 2, AI Jin-teng1, 2, YANG Zhong-lin5, ZHOU Ji-xu1, 2

(1. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Marine Science Research Center, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 3. Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 4. East China Normal University, Shanghai 200241, China; 5. Shanghai Ruiling Cable Co., Ltd., Jiading District, Shanghai 201822, China)

The collection, pretreatment, and analysis of trace elements and their isotopes play an important role in marine research and are highly valuable for understanding global environmental changes. However, trace element concentrations are susceptible to contamination in these processes. In this paper, bearing in mind the special requirements for the environment, working tension, and other special aspects of the seawater trace element conductivity, temperature, and pressure field collection work, we have successively discussed the related technology of the cable regarding its design with the cable manufacturer to determine its technical indicators. We designed a plastic fiber communication cable and commissioned the manufacturer to process two sample cables. The static tension test of the sample cable verified the working tension of the cable itself, and the verification of component analysis and leaching test minimized the cable’s contamination of dissolved trace metals in the sea. The research results could improve the reliability of the sampling process and ensure data accuracy.

plastic-coated fiber communication cable; static tensile test; component analysis; leaching test

Aug. 26, 2021

[“KEXUE” high-end user project, No. KEXUE2019GZ01; Chinese Academy of Sciences major science and technology infrastructure maintenance and renovation project, No. DSS-WXGZ-2021-0011]

P751

A

1000-3096(2022)07-0088-07

10.11759/hykx20210826001

2021-08-26;

2021-10-08

“科学”号高端用户项目(KEXUE2019GZ01); 中科院重大科技基础设施维改项目(DSS-WXGZ-2021-0011)

张宗兵(1984—), 男, 工程师, 主要从事各类科考用绞车、缆绳研究, E-mail: zhangzongbing@qdio.ac.cn; 刁新源(1979—),通信作者, 正高级工程师, 主要从事海洋环境调查, E-mail: diaoxinyuan@qdio.ac.cn

(本文编辑: 赵卫红)