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(yǎng)殖規(guī)模的日益擴(kuò)大以及港口的開發(fā)，近海養(yǎng)殖區(qū)域日益緊張，養(yǎng)殖密度增加，海水污染嚴(yán)重，養(yǎng)殖產(chǎn)品品質(zhì)提高受限。為了解決養(yǎng)殖安全問(wèn)題和擴(kuò)展養(yǎng)殖空間，提出“深海”養(yǎng)殖的概念。漁業(yè)上的“深海”網(wǎng)箱，是相對(duì)于近岸網(wǎng)箱的一個(gè)概念，是指離岸25 km遠(yuǎn)的水域，隨之養(yǎng)殖水深也從傳統(tǒng)網(wǎng)箱10～15 m拓展到20～30 m、甚至50 m的海域[1]。養(yǎng)殖海域的推廣，海域資源利用率的提高，有效改善近海養(yǎng)殖帶來(lái)的環(huán)境壓力、解決養(yǎng)殖產(chǎn)品質(zhì)量受限等一些問(wèn)題。但由于海域養(yǎng)殖面積的外推，網(wǎng)箱除受海水腐蝕和陽(yáng)光曝曬外，還要承受更大的外力沖擊，需常年承受風(fēng)、浪、流單一荷載或其復(fù)合荷載作用[2]，因此，對(duì)深海網(wǎng)箱的性能提出抗風(fēng)浪、抗急流、耐老化的要求。

深海網(wǎng)箱系統(tǒng)主要由具有足夠浮力的剛性框架結(jié)構(gòu)、維持養(yǎng)殖空間，防止逃逸用的網(wǎng)衣系統(tǒng)、對(duì)網(wǎng)箱系統(tǒng)安全起保障作用的錨泊系統(tǒng)構(gòu)成。剛性框架結(jié)構(gòu)是深海網(wǎng)箱中最重要的組成部分之一，是支撐網(wǎng)衣箱體和錨泊系纜繩索的承載組件，也是養(yǎng)殖操作和管理的工作平臺(tái)。在投入使用時(shí)，網(wǎng)箱必須保證在規(guī)定的工作環(huán)境下安全可靠，不發(fā)生開裂、爆管等現(xiàn)象，此外還要求構(gòu)成框架結(jié)構(gòu)用的材料具有價(jià)格低廉、不宜腐蝕、耐老化、使用年限長(zhǎng)、易于安裝施工、組裝密封性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。由于框架結(jié)構(gòu)是網(wǎng)箱的主體，在深海網(wǎng)箱工程中需用的數(shù)量較多，占比重較大，因此，必須經(jīng)濟(jì)合理地選用主體材質(zhì)。目前可供網(wǎng)箱選擇的主體材質(zhì)有HDPE管、金屬管、木質(zhì)或竹制的天然材料等。

1 HDPE管道特性

近年來(lái)，HDPE管道因其良好的機(jī)械性能和加工特性而廣泛應(yīng)用于深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖領(lǐng)域，產(chǎn)品性能如下：

（1）密封性好，可實(shí)現(xiàn)零滲漏。HDPE管道連接采用電熔焊接技術(shù)，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(huì)滲漏。

（2）抗風(fēng)浪性好。HDPE 材料由于具有優(yōu)越的柔彈性和伸長(zhǎng)率（不低于350%，甚至可達(dá)7 倍），能隨波浪同步起伏變形，從而吸收波浪能量，達(dá)到防臺(tái)風(fēng)破壞的目的，因此具有優(yōu)良的抗風(fēng)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(zhì)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(huán)境。

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

（5）強(qiáng)度高，使用壽命長(zhǎng)。由于HDPE管是采用高密度聚乙烯在熱熔狀態(tài)下制成的整體管道，其整體性較好，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，強(qiáng)度高，在深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖領(lǐng)域一般情況下其使用壽命可達(dá)15年以上[3]。

（6）對(duì)環(huán)境影響小。HDPE是無(wú)毒性材料，對(duì)海水無(wú)害，并且能夠再生使用。

2 HDPE管材與其他材質(zhì)在深海網(wǎng)箱領(lǐng)域中的適用性比較

2.1 天然材料制作的網(wǎng)箱

天然材料制作的網(wǎng)箱指采用天然材料，如木制和竹制的網(wǎng)箱。早期的網(wǎng)箱多半屬此類，因成本較低，被廣泛應(yīng)用于內(nèi)陸水庫(kù)和湖泊的淡水養(yǎng)殖。

傳統(tǒng)木制網(wǎng)箱是目前國(guó)內(nèi)最普遍使用的網(wǎng)箱，也是發(fā)展最久的網(wǎng)箱。傳統(tǒng)木制網(wǎng)箱采用木料和泡沫浮球制成，抗流抗風(fēng)浪能力較差，基本就在避風(fēng)性較好的內(nèi)灣、淺水海域使用，難以向深水和外海發(fā)展。網(wǎng)箱布置過(guò)于密集，魚病發(fā)生頻繁，養(yǎng)殖業(yè)者大量使用藥物致使養(yǎng)殖魚品質(zhì)下降[4]，見圖1所示。傳統(tǒng)木制網(wǎng)箱的無(wú)序發(fā)展已經(jīng)造成海域的污染，各地政府已相繼開始整頓治理網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)，如福建、深圳等地已強(qiáng)制清除海上魚排，傳統(tǒng)木制網(wǎng)箱面臨被淘汰出局的趨勢(shì)。

圖1 傳統(tǒng)木質(zhì)網(wǎng)箱養(yǎng)殖平臺(tái)

2.2 大型鋼制養(yǎng)殖平臺(tái)

大型鋼制養(yǎng)殖平臺(tái)是指采用鋁合金、不銹鋼等金屬材料制成的網(wǎng)箱。

挪威離岸網(wǎng)箱正朝著大型化（最大網(wǎng)箱周長(zhǎng)達(dá)160 m）和智能化、數(shù)字化養(yǎng)殖管理等方向發(fā)展，并且以其深厚的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和先進(jìn)的技術(shù)，正在形成深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱養(yǎng)殖的熱潮。2017年6月交付使用的半潛式大型智能漁業(yè)養(yǎng)殖平臺(tái)“海洋漁場(chǎng)1號(hào)”直徑110 m、高69 m，單口養(yǎng)殖水體達(dá)245 000 m3，養(yǎng)殖產(chǎn)量達(dá)6 000 t，可抗12級(jí)臺(tái)風(fēng)，設(shè)計(jì)使用年限25年，見圖2。平臺(tái)配備了全球最先進(jìn)的三文魚智能養(yǎng)殖系統(tǒng)，安裝各類傳感器2萬(wàn)余個(gè)、水下水上監(jiān)控設(shè)備100余個(gè)、生物光源100余個(gè)，整個(gè)平臺(tái)僅需 3～7 人即可完全操控，年養(yǎng)魚可達(dá)150萬(wàn)條，且死亡率低于2%[5]。

圖2 半潛式大型智能漁業(yè)養(yǎng)殖平臺(tái)

西班牙開發(fā)的浮動(dòng)式海上養(yǎng)殖平臺(tái)另具特色，見圖3。養(yǎng)殖平臺(tái)規(guī)格為50 m×50 m×11.5 m，呈六角形，由直徑1.5 m 的鋼管構(gòu)成，平行邊間隔43 m，最大深度為12 m，平臺(tái)總重量為450 t，可以抗高9 m海浪。平臺(tái)有7只大型網(wǎng)箱（每只體積2 000 m3，共計(jì)14 000 m3），也可分成15只小網(wǎng)箱，放養(yǎng)魚苗。網(wǎng)箱養(yǎng)殖的初期生產(chǎn)能力為250 t/年，預(yù)計(jì)最大年產(chǎn)量逾400 t。平臺(tái)的甲板面積為800 m2，建筑面積為2 500 m2，頂部設(shè)有辦公室、實(shí)驗(yàn)室、倉(cāng)庫(kù)、宿室，并設(shè)有電信設(shè)備和一個(gè)直升機(jī)場(chǎng)[6]。

圖3 浮動(dòng)式海上養(yǎng)殖平臺(tái)

該類網(wǎng)箱是20世紀(jì)70年代國(guó)外率先發(fā)展起來(lái)的新型養(yǎng)殖模式，大量采用新技術(shù)，造價(jià)比較高，不易在廣大中小型養(yǎng)殖平臺(tái)推廣。

2.3 HDPE深海網(wǎng)箱

高強(qiáng)度聚乙烯（HDPE）網(wǎng)箱指由高強(qiáng)度聚乙烯（HDPE）管道及相關(guān)配件組合的網(wǎng)箱。這類網(wǎng)箱的框架柔韌性好，能抵御較大的風(fēng)浪，有非常突出的耐腐蝕性，已經(jīng)成功地應(yīng)用于抗風(fēng)浪網(wǎng)箱的框架系統(tǒng)[5]。

HDPE深水網(wǎng)箱的框架一般是由高強(qiáng)度聚乙烯（HDPE）管材經(jīng)熱熔焊接起來(lái)，其周長(zhǎng)從20 m到120 m，網(wǎng)箱外形框架根據(jù)使用需要可以組成圓環(huán)形或方形框架，其結(jié)構(gòu)一般由為浮管和操作平臺(tái)兩部分組成，見圖4。浮管是網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)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(tǒng)和操作平臺(tái)提供框架。操作平臺(tái)搭建于浮管之上，由鋪設(shè)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(tái)為養(yǎng)殖操作提供場(chǎng)地支持，并為網(wǎng)衣提供了一定的超高，防止養(yǎng)殖魚類的躍出。

HDPE框架深水網(wǎng)箱有優(yōu)良的柔韌性和強(qiáng)度，可以設(shè)置在相當(dāng)開放的海域，其中圓形的HDPE網(wǎng)箱可適應(yīng)相當(dāng)惡劣的海況和天氣，可抵御5 m海浪，幾乎不需要任何維護(hù)，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值。

圖4 HDPE深海養(yǎng)殖網(wǎng)箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

此網(wǎng)箱有優(yōu)良的柔韌性和強(qiáng)度，可以設(shè)置在相當(dāng)開放的海域，其中圓形結(jié)構(gòu)的HDPE網(wǎng)箱可適應(yīng)相當(dāng)惡劣的海況和天氣，可抵御5 m海浪，幾乎不需要任何維護(hù)，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值。表1為幾種不同材質(zhì)網(wǎng)箱類型的對(duì)比：

3 HDPE制成的管材及配件在深海海洋養(yǎng)殖中的應(yīng)用

3.1 HDPE網(wǎng)箱類型

網(wǎng)箱養(yǎng)殖是我國(guó)海上魚類的主要生產(chǎn)方式。21世紀(jì)以來(lái)，通過(guò)對(duì)挪威高密度聚乙烯（HDPE）框架式網(wǎng)箱的引進(jìn)與再創(chuàng)新，HDPE網(wǎng)箱形式包括浮式和升降式網(wǎng)箱，目前國(guó)內(nèi)常見HDPE浮式網(wǎng)箱類型有圓形網(wǎng)箱及方形網(wǎng)箱。浮式圓形或方形網(wǎng)箱的框架是由多條圓形、內(nèi)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(fēng)浪網(wǎng)箱的規(guī)格見表2。

表1 木質(zhì)網(wǎng)箱、金屬網(wǎng)箱、HDPE網(wǎng)箱類型的對(duì)比情況

表2 常用HDPE抗風(fēng)浪網(wǎng)箱規(guī)格

3.2 操作平臺(tái)

操作平臺(tái)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(shè)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(wǎng)箱，其操作平臺(tái)設(shè)計(jì)要求及組成也不相同。方形網(wǎng)箱操作平臺(tái)主要由數(shù)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(shè)計(jì)要求位于環(huán)形人行走道安裝單側(cè)或雙側(cè)扶手，扶手高度不低于80 cm，扶手高度通過(guò)立柱高度來(lái)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(shè)塑膠腳板，寬度不小于1.0 m，厚度不小于60 mm。

圖5 方形網(wǎng)箱操作平臺(tái)

圓形網(wǎng)箱操作平臺(tái)根據(jù)使用領(lǐng)域不同，可分抬高式平臺(tái)和普通型平臺(tái)。抬高式平臺(tái)與方形網(wǎng)箱的操作平臺(tái)組成相同，因距離水面較高，便于行人在平臺(tái)上走動(dòng)或養(yǎng)殖操作，見圖6；普通型操作平臺(tái)主要是鑲嵌在浮管之間，與浮管表面平齊，根據(jù)養(yǎng)殖需要，操作平臺(tái)由數(shù)塊方形的塊狀踏板組成，踏板平均分布在網(wǎng)箱浮管四周，見圖7。此類平臺(tái)安裝操作簡(jiǎn)便，成本相對(duì)較低。

操作平臺(tái)為養(yǎng)殖操作提供場(chǎng)地支持，并為網(wǎng)衣提供了一定的超高，防止養(yǎng)殖魚類的躍出。

圖6 圓形網(wǎng)箱抬高式操作平臺(tái)

圖7 圓形網(wǎng)箱普通型操作平臺(tái)

3.3 浮力系統(tǒng)

深海網(wǎng)箱系統(tǒng)能長(zhǎng)期安全的在海上漂浮使用浮力系統(tǒng)質(zhì)量保證起著關(guān)鍵性作用。浮力系統(tǒng)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(chǎn)，同時(shí)添加增強(qiáng)、增韌、抗老化等功能助劑，使系統(tǒng)具備高強(qiáng)度、高韌性、抗氧化、耐酸堿、耐撞擊等優(yōu)良性能。浮力管是網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)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(tǒng)和操作平臺(tái)提供框架。

網(wǎng)箱框架采用穩(wěn)固的“井”字形穿插式框架連接方式，通過(guò)專用三通配件與浮力管事先熱熔焊接預(yù)置，形成“三通預(yù)置件”，后將預(yù)置件的與將網(wǎng)箱浮力系統(tǒng)以橫向“T”型結(jié)構(gòu)連接，通過(guò)雙層支架進(jìn)行“四點(diǎn)對(duì)鎖式”定位，見圖8，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提高，橫向受載剛度更強(qiáng)，在受到海浪沖擊時(shí)，能夠很好地將海浪的沖擊力分散，有效提高網(wǎng)箱的抗沖擊性。

圖8 雙層支架進(jìn)行“四點(diǎn)對(duì)鎖式”定位

多孔支架（浮力管連接支架）是一種網(wǎng)箱浮力系統(tǒng)重要組成配件，通過(guò)支架將兩組浮力管牢牢的連接起來(lái)，同時(shí)為扶手部分提供基礎(chǔ)。多孔支架采用HDPE 原料加抗老化劑，并采用蜂窩狀中孔結(jié)構(gòu)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(shè)置的蜂窩狀中孔，使水流暢通，從而減少了網(wǎng)箱框架的受流阻力，改變了框架的受力狀態(tài)，使網(wǎng)箱框架連接更加可靠、穩(wěn)定。

深海網(wǎng)箱浮力系統(tǒng)中使用的彎頭、三通、接頭等配件均是采用中間密封隔倉(cāng)式設(shè)計(jì)，浮力管道與配件采用熱熔對(duì)接連接，管道連接成型后管腔內(nèi)會(huì)形成多個(gè)獨(dú)立密閉腔室，進(jìn)一步提高網(wǎng)箱的使用年限和安全系數(shù)，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(fā)生滲水時(shí)，保證主浮管仍可提供足夠的浮力，避免網(wǎng)箱下沉。

4 展望

深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖涉及海洋工程、材料科學(xué)、海洋生物與生態(tài)工程、海洋環(huán)境保護(hù)、海水魚類養(yǎng)殖技術(shù)與操作管理技術(shù)、病害防治、飼料營(yíng)養(yǎng)、水產(chǎn)品加工、市場(chǎng)營(yíng)銷等多學(xué)科，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。作為一項(xiàng)新興產(chǎn)業(yè)，從深水網(wǎng)箱制造技術(shù)出發(fā)，著眼于關(guān)鍵技術(shù)的突破．形成深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)行規(guī)?；?、集約化、產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)， 才能有效發(fā)揮深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)的優(yōu)勢(shì)。

HDPE管材及配件作為構(gòu)建深水網(wǎng)箱主體結(jié)構(gòu)的主要材料之一，設(shè)置于環(huán)境條件較為惡劣的半開放或開放型海區(qū)，網(wǎng)箱主體結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)浪能力必須加強(qiáng)，2004年“云娜”強(qiáng)臺(tái)風(fēng)在浙江省的中南部登陸，海區(qū)風(fēng)速達(dá)58.7 m/s，浪高8～10 m，HDPE浮式網(wǎng)箱受損占10%．主要為扶手管折損和部分主浮管折損。為進(jìn)一步提高HDPE網(wǎng)箱的抗風(fēng)浪能力，適應(yīng)于我國(guó)養(yǎng)殖海區(qū)的自然環(huán)境條件，急需改進(jìn)和完善HDPE框架深水抗風(fēng)浪網(wǎng)箱的技術(shù)性能，并大力推進(jìn)向大型化、智能化、數(shù)字化養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展。首先是應(yīng)用性能更強(qiáng)的HDPE管材及其專用構(gòu)件制造大型 HDPE 框架網(wǎng)箱設(shè)施。目前，我國(guó)制造的 HDPE 框架深水抗風(fēng)浪網(wǎng)箱，最大規(guī)格已達(dá)周長(zhǎng) 120 m(直徑約38 m)，養(yǎng)殖水體近7 000 m3；福建省制造的最大規(guī)格為周長(zhǎng)90 m(直徑約28.65 m)，養(yǎng)殖水體近 3 900 m3）。構(gòu)建比較完善的機(jī)械化、智慧化、信息化配套裝備與系統(tǒng)，如機(jī)械化換網(wǎng)設(shè)備或水下洗網(wǎng)機(jī)、自動(dòng)投餌機(jī)、魚規(guī)格分級(jí)裝置、吸魚泵以及養(yǎng)殖環(huán)境遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、設(shè)施安全遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、養(yǎng)殖專家管理系統(tǒng)等，推動(dòng)養(yǎng)殖設(shè)施裝備及養(yǎng)殖業(yè)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)，提高其抗風(fēng)浪流和綜合養(yǎng)殖性能。另外，利用 HDPE 框架深水抗風(fēng)浪網(wǎng)箱發(fā)展休閑漁業(yè)、旅游觀光行業(yè)也正在興起（見圖9）。

圖9 旅游觀光平臺(tái)

5 總結(jié)

高密度聚乙烯（HDPE）深海網(wǎng)箱的推廣應(yīng)用，為我國(guó)的深海養(yǎng)殖網(wǎng)箱領(lǐng)域提供了一種性能優(yōu)良的新型產(chǎn)品，打破了長(zhǎng)期以來(lái)海洋養(yǎng)殖業(yè)使用木質(zhì)或竹制等天然材料或金屬材料的局面。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，HDPE網(wǎng)箱系統(tǒng)作為一種綠色環(huán)保型網(wǎng)箱，必將以其優(yōu)越的綜合性能成為深海網(wǎng)箱領(lǐng)域的佼佼者。