張宗兵, 刁新源, 任景玲, 蔣 碩, 蘇 函, 倪佐濤, 姜金光, 叢石磊, 陳 楊, 艾金騰, 楊中林, 周繼續(xù)

一種海水痕量元素CTD采集收放用敷塑纖維通訊纜的設計及檢測試驗

張宗兵1, 2, 刁新源1, 2, 任景玲3, 蔣 碩4, 蘇 函4, 倪佐濤1, 2, 姜金光1, 2, 叢石磊1, 2, 陳 楊1, 2, 艾金騰1, 2, 楊中林5, 周繼續(xù)1, 2

(1. 中國科學院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院海洋大科學研究中心, 山東 青島 266071; 3.中國海洋大學, 山東 青島 266100; 4. 華東師范大學, 上海 200241; 5. 上海瑞領電纜有限公司, 上海 201822)

痕量元素及其同位素采集、預處理和分析在海洋研究中具有重要的作用, 對于認識全球環(huán)境變遷具有重要的價值。但其濃度在這些過程中易受沾污。本文結合海水痕量元素CTD現(xiàn)場采集工作環(huán)境, 工作拉力等特殊要求, 先后跟纜繩設計、生產(chǎn)制造廠家進行纜繩相關技術討論、確定纜繩各項技術指標。設計敷塑纖維通訊纜, 并委托纜繩生產(chǎn)廠家加工出樣纜兩條。通過對樣纜進行靜態(tài)拉力試驗驗證纜繩自身工作拉力, 并通過成分分析、浸出試驗驗證最大化減少纜繩對于海中溶解態(tài)痕量金屬的沾污。該研究結果可提高采樣過程的可靠性, 保證數(shù)據(jù)的準確率。

敷塑纖維通訊纜; 靜態(tài)拉力試驗; 成分分析; 浸出試驗

為了解決痕量元素及其同位素海洋研究中采樣及預處理過程的沾污問題, 研發(fā)專用采樣設備、減少采樣環(huán)節(jié)、進行裝備集成化一體化設計是解決這一技術問題的可行思路。近年來, 國內外海洋科學研究機構也嘗試海水痕量元素潔凈采集系統(tǒng)的研發(fā)。其中有報道的國外比較成功的有荷蘭海洋研究所的相關裝備, 該設備設計先進, 測試結果準確, 但是該設備采水器采用矩形結構, 采水作業(yè)所需操作空間較大, 一個獨立集裝箱無法同時完成采樣、樣品預處理及分析作業(yè), 現(xiàn)在為非商業(yè)化產(chǎn)品[1]。國內廈門大學通過全套設備的進口搭建了包含8 km長Vectran凱夫拉傳輸電纜及配套絞車、痕量元素專用的潔凈采樣CTD及葵花采水器、24個12 L痕量采水瓶和2個潔凈集裝箱的集成潔凈痕量元素采樣及預處理系統(tǒng), 目前已經(jīng)在廈門大學的“嘉庚”號科考船應用[2]。但是, 該套系統(tǒng)所用的纜繩為進口產(chǎn)品, 纜繩長度僅有8 000 m, 對于一些深水站位具有一定的局限性。

目前, 國內科考船上配備的CTD纜繩多為鎧裝同軸纜, 鎧裝層金屬元素容易在海水中析出, 因此研發(fā)一套敷塑纖維通訊纜, 可避免因纜繩沾污對分析測試結果準確性的影響, 提高采樣過程的可靠性, 從源頭上保證分析測試結果的可靠性, 對于提升我國在痕量元素及同位素化學海洋學研究領域的能力具有重要的意義[3-6]。

1 敷塑纖維通訊纜的設計

海水痕量元素CTD采集系統(tǒng)由潔凈CTD采水器、敷塑纖維通訊纜(以下簡稱纜繩)、潔凈絞車及伸縮臂、甲板單元、工控機等組成。如圖1所示。

圖1 海水痕量元素CTD系統(tǒng)

敷塑纖維通訊纜是同軸纜的一種, 纜繩是兩芯的, 內部有兩個同心導體, 而導體和屏蔽層又共用同一軸心的電纜。甲板單元通過纜繩為水下單元提供電力, 編譯、壓縮水下單元的串行數(shù)據(jù)流并傳輸?shù)焦た貦C。纜繩用于海上科學調查收放CTD并作為載體傳輸CTD數(shù)據(jù)。目前國內科考船上配備的萬米同軸纜多為鎧裝同軸纜, 由內導體、絕緣層、外導體、屏蔽層、鎧裝層(最外層)等組成。如圖2所示。

圖2 鎧裝同軸纜

新設計的敷塑纖維通訊纜從內到外主要由內導體、絕緣層、外導體、護套、抗拉件(凱夫拉)、外護套等組成。

為了減少金屬元素對于海洋中溶解態(tài)痕量金屬的沾污, 整個電纜由聚乙烯或聚氨酯材料的護套進行包裹, 內外導體之間由絕緣材料交聯(lián)聚乙烯(XLPE)進行隔離, 外導體與抗拉件之間采用高密度聚乙烯(HDPE)進行隔離。纜繩結構如圖3所示。

圖3 敷塑纖維通訊纜結構圖

2 纜繩主要技術指標

要完成纜繩的主要技術指標的設計, 首先要了解敷塑纖維通訊纜的工作環(huán)境:

1) 工作水深: 0～10 000 m;

2) CTD重量: 5～10 kN;

3) 地質情況: 復雜多變;

4) 工作拉力≥15 kN。

本文結合纜繩工作環(huán)境, 按照痕量采集潔凈度要求設計敷塑纖維通訊纜的技術指標如表1所示。

表1 敷塑纖維通訊纜主要技術指標

根據(jù)纜繩以上的技術指標, 委托相關纜繩制造廠家進行材料的選擇及纜繩樣纜的加工, 加工樣纜2條如圖4所示。

圖4 敷塑纖維通訊纜樣纜

1) 樣品1

外護套: 聚氨酯(PU)

內護套: 高密度聚乙烯(HDPE)

絕緣層: 交聯(lián)聚乙烯(XLPE)

2) 樣品2

外護套: 高密度聚乙烯

內護套: 高密度聚乙烯

絕緣層: XLPE

為了減少外護套在海水中釋放出金屬元素對海洋中溶解態(tài)痕量金屬的沾污及產(chǎn)生對生物有毒物質, 護套材料選用非金屬材料(聚氨酯/聚乙烯)并且耐海水腐蝕。纜繩表面光滑適于用高壓空氣或高溫高壓淡水清洗。

3 纜繩靜態(tài)拉力試驗

委托相關纜繩靜態(tài)拉力試驗廠家使用臥式拉力機進行纜繩靜態(tài)拉力試驗。

1) 工作拉力15 kN

將測試纜固定在直徑為800 mm的拉力輪上, 將工作拉力逐漸提升至15 kN, 并保持4 h, 記錄開始時間、結束時間, 試驗結束后檢查測試纜外觀變化。

檢測結果: 測試纜外觀完好;

2) 工作拉力30 kN

將工作拉力逐漸提升至30 kN, 并保持4 h, 記錄開始時間、結束時間, 試驗結束后檢查測試纜外觀變化。

檢測結果: 測試纜外觀完好;

3) 破斷力

使用60 mm/min的拉伸速度, 直至線纜破斷, 記錄最大拉力, 檢查測試纜外觀變化。

檢測結果: 最大拉力94.9 kN, 斷裂處在拉力輪和測試纜切點處, 內部結構斷裂, 絕緣層完好。纜繩靜態(tài)拉力試驗如圖5所示。

圖5 纜繩靜態(tài)拉力試驗

注: 僅針對外護套聚氨酯的樣纜(樣品1)進行的靜態(tài)拉力試驗

通過纜繩靜態(tài)拉力試驗結果可以看出, 樣纜可以滿足海水痕量元素CTD采集對纜繩工作拉力的需求。

4 纜繩成分分析

委托相關成分分析公司, 對敷塑纖維通訊纜樣纜外護套、絕緣層、內護套采用取樣灰化的方式形成溶液, 對溶解到溶液中的相關元素進行分析。

前處理過程: 稱取0.20～0.25 g樣品, 破碎后樣品于微波消解罐中。加入3 mL水、7 mL硝酸和2 mL過氧化氫, 靜置一段時間。

微波消解程序: 45 min升溫至210 ℃, 210 ℃保溫45 min。冷卻、定容于50 mL容量瓶, 每個樣品做2次平行測定, 測定結果如表2所示。

表2 纜繩成分分析測定結果

標準: SN/T 4843—2017《橡膠制品中鉻、鈷、砷、溴、鉬、鎘、錫和鉛的測定電感耦合等離子體質譜法》。

外護套成分分析如圖6所示。

圖6 外護套成分分析

內護套成分分析如圖7所示。

圖7 內護套成分分析

絕緣層成分分析如圖8所示。

成分分析結果:

圖8 絕緣層成分分析

1) 外護套成分分析: 樣品1(聚氨酯)元素含量基本小于樣品2(HDPE); 樣品2 Zn出現(xiàn)異常高值;

2) 內護套成分分析: 樣品1(HDPE)元素Fe、Al含量高于樣品2(HDPE), 其余元素小于樣品2; 樣品1、2中Zn均出現(xiàn)異常高值;

3) 絕緣層成分分析: 樣品1(XLPE)元素含量基本小于樣品2(XLPE); Fe、Cu出現(xiàn)異常高值;

結合纜繩成分分析結果, 外護套為聚氨酯的樣纜要比外護套為HDPE的要好一些。

5 纜繩浸出實驗

浸泡時間: Q水浸泡15 d, 未過濾東印度洋海水浸泡50 d。

樣品保存: 用四重蒸餾的HCl將浸泡后Milli-Q和海水樣本酸化到pH<2, 共計2套18瓶。

Q水浸泡后, 纖維纜1#和2#內層和外層浸出Al、Mn、As、Pb的濃度均很少, Fe溶出在0.35 nmol/L左右。海水浸泡后, 內層材料浸出Al和Fe明顯增加。纜繩浸出試驗樣本情況如表3所示。

表3 纜繩浸出試驗樣本情況

纜繩浸出試驗Al的情況如圖9所示。

纜繩浸出試驗Mn的情況如圖10所示。

纜繩浸出試驗As的情況如圖11所示。

纜繩浸出試驗Fe的情況如圖12所示。

圖9 纜繩浸出試驗Al的情況

注：MQ-外層表示外層材料在Milli-Q超純水中浸泡；MQ-內層表示內層材料在Milli-Q超純水中浸泡；EIO-外層表示外層材料在東印度洋海水中浸泡；EIO-內層表示內層材料在東印度洋海水中浸泡。

圖10 纜繩浸出試驗Mn的情況

注：MQ-外層表示外層材料在Milli-Q超純水中浸泡；MQ-內層表示內層材料在Milli-Q超純水中浸泡；EIO-外層表示外層材料在東印度洋海水中浸泡；EIO-內層表示內層材料在東印度洋海水中浸泡。

圖11 纜繩浸出試驗As的情況

注：MQ-外層表示外層材料在Milli-Q超純水中浸泡；MQ-內層表示內層材料在Milli-Q超純水中浸泡；EIO-外層表示外層材料在東印度洋海水中浸泡；EIO-內層表示內層材料在東印度洋海水中浸泡。

圖12 纜繩浸出試驗Fe的情況

注：MQ-外層表示外層材料在Milli-Q超純水中浸泡；MQ-內層表示內層材料在Milli-Q超純水中浸泡；EIO-外層表示外層材料在東印度洋海水中浸泡；EIO-內層表示內層材料在東印度洋海水中浸泡。

纜繩浸出試驗Pb的情況如圖13所示。

圖13 纜繩浸出試驗Pb的情況

注：MQ-外層表示外層材料在Milli-Q超純水中浸泡；MQ-內層表示內層材料在Milli-Q超純水中浸泡；EIO-外層表示外層材料在東印度洋海水中浸泡；EIO-內層表示內層材料在東印度洋海水中浸泡。

纜繩Milli-Q水浸出實驗結果-Element掃描多元素如表4所示。

6 結論

通過研發(fā)敷塑纖維通訊纜, 并對纜繩進行靜態(tài)拉力試驗, 可以滿足痕量元素海水采集對纜繩工作拉力的需求; 通過對纜繩進行成分分析、浸出試驗驗證纜繩外護套、絕緣層、內護套等主要部分金屬元素的含量, 研發(fā)的海水痕量元素CTD采集收放用敷塑纖維通訊纜可避免因纜繩沾污對分析測試結果準確性的影響, 提高采樣過程的可靠性, 從源頭上保證分析測試結果的可靠性, 對于提升我國在痕量元素及同位素化學海洋學研究領域的能力具有重要的意義。

表4 纜繩Milli-Q水浸出實驗結果

注: LR表示測元素時選擇的分辨率為低分辨率, MR表示測元素時選擇的分辨率為中分辨率。

[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. “嘉庚號”七個第一[J]. 船舶工程, 2017, 39(3): 76.

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

[3] 張經(jīng). 化學海洋學的無機痕量分析-思考與實踐[M]. 青島: 青島海洋大學出版社, 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 phyto-plankton growth in the Northeast Pacific Subarc-tic[J]. Nature, 1988, 331(6154): 341-343.

[6] 倪佐濤. 一種移動式海水痕量元素潔凈采集實驗室的設計[J]. 海洋科學, 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 seawa-ter 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

“科學”號高端用戶項目(KEXUE2019GZ01); 中科院重大科技基礎設施維改項目(DSS-WXGZ-2021-0011)

張宗兵(1984—), 男, 工程師, 主要從事各類科考用絞車、纜繩研究, E-mail: zhangzongbing@qdio.ac.cn; 刁新源(1979—),通信作者, 正高級工程師, 主要從事海洋環(huán)境調查, E-mail: diaoxinyuan@qdio.ac.cn

(本文編輯: 趙衛(wèi)紅)