海洋生物污损对近海设备效率的影响

海洋生物污损是微生物、植物、藻类和动物在水下人造表面的自然积累,如近海石油钻井平台、风轮机、船舶和水下电缆。虽然这是海洋环境中一种生物不可避免的现象,但它对近海设备效率、安全和运行成本的影响是深远的。了解生物污损的机制、影响和减缓战略对于维持宝贵的海洋基础设施的性能和寿命至关重要。

了解生物污损过程

生物污泥不会立即发生,它会经历不同的阶段,首先是在沉没后几分钟内形成有机分子的调节膜。这个膜为细菌和其他微生物的附着铺平了道路,形成了一种被称为生物膜的物质。这些生物膜分泌细胞外聚合物质(EPS),形成粘性,保护性基质。这个微膜一旦建立,就成为更大的、宏观的污泥生物的营养基础和粘合面。

巨型螺旋藻(FLT:0)通常在几周至几个月内,因为谷仓、贻贝、管虫和藻类等无脊椎动物会逐渐沉淀和生长。这些生物会逐渐形成厚厚的、钙质的层,从而增加大量重量,并急剧改变表面特性。污质的速率和组成取决于环境因素,包括水温、盐度、营养物的可得性、光度和水流速度。温暖、营养丰富的水域,如热带地区的水域,加速了腐烂,而冷冷的寡营养水则减缓了腐烂速度。

污秽生物类型

生物污秽社区被广泛归类为微污或宏观污秽。微污虫包括产生粘膜的细菌和二亚胺。微污虫分为硬质和软质污虫。硬质污虫包括谷仓、贻贝和产生钙质壳的黑猩猩。软质污虫包括海藻、软珊瑚、水母和缺乏刚性结构的郁金石。每种类型的沉没设备都面临不同的机械和化学挑战。

对境外设备效率的影响

生物污损的后果影响深远,影响到几乎所有类型的岸外资产,以下是生物污损降低性能和增加成本的关键领域。

水力学性能下降和燃料消耗增加

对船舶和船只来说,即使是薄粘土层也能增加船体表面的粗糙度,从而导致更高的摩擦阻力。这直接转化为更大的燃料消耗,以保持同样的速度。根据国际海事组织[,严重的生物污损可以使严重污损的船体的燃料消耗增加高达40%。对于大型远洋船只来说,这意味着每年增加数百万美元的燃料成本。同样,近海平台和浮动风轮机经历的拖力从海流和海浪中增加,降低了动态定位效率,增加了锚定线负荷。

腐蚀和结构退化

生物膜内的微生物通过产生酸性代谢副产品或在金属表面产生差分的同位素细胞,可引起微生物的腐蚀(MIC). 谷仓和贻贝陷阱腐蚀离子和耗氧下发生裂痕,加速坐动和应力腐蚀裂裂,重生物污层的重量也给结构带来额外的静态和动态负荷. 例如,在近海风轮机单层贻贝上,厚层贻贝可增加数吨质量,改变自然频率,并可能导致波或涡轮机激素共振,这种阻塞疲劳寿命并可能导致过早失效.

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航行危险和安全风险

航标上的严重污损可以降低浮标或使其沉没,对航运造成危害. 在近海风力涡轮塔上,谷仓的积聚会形成粗糙的表面,使登山检查变得危险. 同样,渔具和锚定线也变得更加重,更难处理. 在极端情况下,生物污损会阻断救生艇释放机制或消防监视器等应急设备,直接造成安全风险.

经济和环境成本

海洋生物污损对全球经济的影响估计每年达数百亿美元,成本来自燃料消耗增加、干燥和清洁、防污涂层、腐蚀修理和失去作业时间等。仅海运业,国家科学院[报告说,生物污损管理成本每年可超过10亿美元。

除了直接的运营费用外,生物污损还导致温室气体排放增加,因为船只和平台燃烧更多的燃料来克服拖累。水污还增加了维修船只和清洁作业的排放。此外,生物污损是引入入侵性水生物物种的主要媒介。船体或设备上附着的生物体可以跨海洋运输,释放到新的环境中,破坏当地生态系统,使当地物种相互竞争,破坏渔业和水产养殖。国际海事组织的《生物污损准则》旨在将这一风险降到最低程度。

生物污损管理战略

有效的生物污泥控制需要针对具体资产、其位置和业务概况采取多面性做法。

防污涂料

含有铜、锌或有机生物杀灭剂的生物杀灭涂料是船舶和静态结构使用最广泛的方法,这些浸出有毒化合物阻止了定居,但环境关切导致对某些生物杀灭剂,特别是三丁锡(TBT)的限制,全球禁止使用;新技术包括产生低冷冻剂的污释涂料、通过水流或温和清洁容易清除生物体的非棍子表面;硅酮和含氟聚合物的污释涂料对船舶和近海可再生能源结构都越来越受欢迎。

机械清洁

使用遥控飞行器或潜水员持有的刷子进行定期水下清洁对保持性能至关重要。沿涡轮单层或船体行驶的机器人清洁系统越来越多地用于避免毒素释放和降低人工成本。使用捕获系统的水内清洁可以防止污染生物体和油漆颗粒向环境中排放。

超声学和电磁系统

超声波导管安装在船体或结构上,在阻断沉淀的频率上产生振动。虽然对防止微浮有效,但是对谷仓等硬泥的抗震效果有限。电磁系统产生弱电流或磁场,干扰幼体的粘合或游泳行为。

设计和材料创新

将生物污损阻力纳入设计阶段正在成为标准。平滑表面、圆边和去除裂缝会减少附属点。使用铜镍合金进行海水管道是防止内部系统污损的众所周知的技术。对于近海风轮机,过渡器和J管的设计可以减少污染泛滥的掩蔽区。

业务措施

蒸汽规划可以将高污水中的时间最小化,同时进行船体整洁(经常进行光线清洗),从而可以不断检查污物。对于平台,定期使用氯或其他生物杀灭剂处理海水摄入系统可以防止阻塞。使用摄像机或传感器监测污物厚度有助于在严重前安排清洗时间。

法规和环境考虑

海事组织的《生物污损准则》[和《美国环保局船只一般许可证》[对船体清洁、防污涂层和记录保存规定了限制入侵物种扩散的要求,许多管辖区的船只停靠港口必须遵守这些要求,对近海结构,国家条例越来越多地规定生物污损管理计划作为环境影响评估的一部分。

生物污损控制的未来趋势

研究正在加速向环保解决方案发展。正在开发受鲨鱼皮肤或莲花叶启发的生物乳胶涂层,以防止无毒素的附着。正在开发解开幼虫胶质蛋白的酶涂层。正在运用人工智能和机器学习,以环境数据为基础预测污物累积,从而能够及时清洁。此外,配备传感器和清洁工具的自主水下潜水器预计将降低检查和维护的成本和风险。

随着近海工业向更深水域和更偏远的地方扩张,可靠、低维护的生物污损控制的必要性变得更加重要。风力农场正在向近海移动,其中的污损社区各不相同,但攻击性也相当强。深海采矿和油气开采在日益深处面临涂层和清洁方法的压力效应带来的特殊挑战。

结论

海洋生物污损是一个长期且代价高昂的挑战,直接影响到近海设备的效率、安全和环境足迹。从燃料消耗和腐蚀增加到入侵物种转移和结构疲劳,其影响需要积极主动的管理。先进的涂层、定期清洁、智能设计和监管合规相结合,是前进的最佳途径。在海上活动不断增长和更严格的环境标准下,持续创新无毒技术和数据驱动维护对于保持近海业务高效和可持续至关重要。工业利益攸关方必须投资于生物污损研究和实施,以保护其资产和所运作的海洋生态系统。