海生物附着试验_【CMA/CNAS认证】_中科光析科学技术研究所

海生物附着试验：对抗海洋“顽固租客”的关键评估

在浩瀚的海洋中，船舶、海洋平台、海底管道乃至各类海洋监测仪器，都面临着一群难以规避的“租客”——海生物（也称海洋污损生物）。藤壶、贻贝、牡蛎、藻类、水螅等生物附着在浸没于海水中的表面上，形成复杂的生物群落。这种现象虽然属于自然生态过程，但对于人类的海事活动与海洋工程而言，却带来了一系列显著的负面影响：

增加阻力与能耗： 船舶底部附着的生物显著增加航行阻力，迫使主机输出更大功率以维持航速，导致燃油消耗大幅上升（甚至可达40%），运营成本急剧增加，碳排放也随之攀升。
加速材料腐蚀： 附着生物覆盖层下易形成缺氧环境（浓差电池），其代谢产物可能具有腐蚀性，破坏保护涂层，加速金属基材的局部腐蚀（如点蚀、缝隙腐蚀），严重威胁结构安全和使用寿命。
阻塞管道与系统： 海水冷却系统、消防系统、压载水系统的管道、阀门和滤网极易被海生物（尤其是幼虫和微生物粘膜）堵塞，导致系统效率下降甚至故障停机。
干扰传感器精度： 海洋环境监测传感器（如声呐换能器、光学窗口、温度/盐度探头）表面附着生物会严重干扰信号接收或测量精度，影响数据可靠性。
增加自重与风险： 平台桩腿、浮标等大型结构上厚重生物附着显著增加结构自重和所受水流力，影响稳定性，增加维护难度和潜在风险。

为了有效评估和解决这一难题，海生物附着试验应运而生。它是一种模拟真实海洋环境，系统评价材料、涂层或防污技术在特定海域抵抗生物附着能力的标准化科学方法。

试验的核心目标与价值

海生物附着试验的根本目标是量化评估被测对象在预定暴露时间和特定海洋环境条件下，抵抗海生物附着的能力。其具体价值体现在：

优化防污技术： 评价新型防污涂料（如自抛光共聚物SPC、污损释放型FRC、生物基防污剂）或其他防污策略（如物理防污、电解防污）的效果和持久性，指导配方改进和应用。
筛选适用材料： 比较不同基材（金属、复合材料、特种塑料等）在目标海域的自然抗污性能。
评估环境适应性： 研究不同地理区域（纬度、水温、盐度、生物群落构成差异显著）和不同浸没深度（如潮差区、全浸区）对附着生物类型、速度和强度的影响。
预测服役性能： 为船舶、海洋平台等装备的坞修间隔、维护成本估算提供关键数据支持。
支持环保决策： 评估防污技术对环境（特别是非目标生物）的潜在影响，助力可持续发展。

主流试验方法详解

海生物附着试验的实施需遵循科学严谨的方法，主要包括以下几种：

静态浸板试验 (Panel Immersion Test):
- 原理： 将涂装有待测涂层或由被测材料制成的标准尺寸平板（挂板），垂直固定在试验框架上，整体浸没于天然海水中。
- 地点： 通常在天然海港、码头、浮筏或专门的海上试验场进行，确保真实的生物环境。
- 操作： 挂板按预设深度（如水面下0.5米至5米不等，或覆盖不同深度）和方位（通常考虑迎流面）布置。设定多个时间节点（如1、3、6、9、12、24个月）定期取出部分挂板进行检测。
- 优点： 操作相对简单，成本较低，能真实反映该海域生物的附着情况，可平行试验大量样本。
- 缺点： 受海流、水温等自然因素波动影响大；试验周期长（通常需1年以上）；定量评估受生物分布不均影响较大。
动态模拟试验 (Dynamic Simulation Test):
- 原理： 在可控的实验室或岸基大型循环水槽系统中模拟船舶航行状态。被测板（旋转圆盘）或小型样件以设定速度旋转，模拟航行的水流剪切力。
- 关键： 持续注入新鲜天然海水或培养有目标生物幼虫的人工海水，确保持续的生物挑战。
- 优点： 可加速生物幼虫与表面的接触过程；能精确控制水流速（模拟不同航速）、温度、光照等参数；试验周期相对较短；便于实时监测。
- 缺点： 系统构建和维护成本高；模拟环境与极端复杂的真实海洋环境仍存在差距；难以完全复现所有生物种类及其相互作用。
实船挂板试验 (Ship Hull Panel Test):
- 原理： 将试验挂板固定在运营船舶的特定位置（如船体平底区、舭部、直底区），随船航行。
- 特点： 挂板经历真实的航行状态（不同航速、航线、停泊）、温度变化、海水环境及生物挑战。
- 优点： 结果最能反映防污涂层或材料在真实服役条件下的性能，尤其是污损释放型涂料的动态性能。
- 缺点： 取板检测依赖船舶靠港计划，灵活性差；船体不同位置环境差异大，需合理布板；成本高，管理复杂；样本数量通常受限。
浮筏试验 (Raft Test):
- 原理： 类似于静态浸板试验，但挂板框架固定在远离码头的漂浮筏上，通常处于更开阔、水流交换更好的水域环境。
- 优点： 环境更接近开阔海域，受港口局部污染影响小；可模拟不同深度的附着情况。
- 缺点： 维护和取样需船只配合，操作不便且受天气限制；成本较高。

关键评估指标：从定性到定量

试验结束后，取出样本进行细致的分析至关重要，常用指标包括：

附着覆盖率 (%)： 计算附着生物覆盖试板面积的比例，是最直观的指标。
附着生物厚度 (mm)： 测量主要附着生物群落（如藤壶、牡蛎）的平均或最大厚度。
附着生物密度 (个/面积或重量/面积)： 统计单位面积上特定生物（如藤壶、管虫）的数量或所有附着生物的生物量（湿重或干重）。
生物种类组成与丰度： 识别并记录附着生物的种类、优势种及其相对比例，这对理解防污机制和地域差异非常重要。
生物附着强度： 定性或半定量评估移除附着物的难易程度（如高压水枪压力等级），反映涂层的污损释放性能。
涂层状况评估： 检查涂层表面状态（如光泽变化、粉化、起泡、开裂、锈蚀、溶胀等）、边缘完整性及生物附着对涂层的破坏程度。

标准化与质量控制：确保结果可靠可比

海生物附着试验的复杂性要求遵循严格的标准化流程和质量控制，以保证数据的科学性、可靠性和可比性：

参考标准： 国际上广泛采用诸如 ASTM D3623 (静态挂板)、ASTM D6990 (动态试验)、ISO 11306、ISO 13073-3 (船舶防污涂层评估) 等标准规范试验方法、挂板准备、暴露条件、评估程序和报告格式。
严谨设计： 包括设置重复样本（至少3个平行样）、设置已知性能的对照板（如标准防污板、空白钢板）、随机化布板位置以消除微环境差异。
环境监测： 持续记录试验点的关键环境参数：水温、盐度、溶解氧、光照强度、叶绿素a浓度等，这些参数显著影响生物附着行为。
规范取样与处理： 制定严格的取样时间表、取样方法（水下拍照、小心运输）、样品预处理（轻柔清洗除去松散沉积物，固定生物样本）和保存规范。
专业分析： 由训练有素的专业人员使用标准化的视觉评估图表、图像分析软件、生物鉴定工具等进行数据采集和分析。关键冷知识：藤壶幼体对表面温度极其敏感，16°C是许多物种附着的关键阈值，低于此温度附着率骤降。

试验结果的应用与未来方向

海生物附着试验产生的数据是宝贵的决策依据：

指导涂层选择： 为船东、平台运营商选择最适合其运营海域、船型和航线特点的高效防污涂层提供科学依据。
驱动技术创新： 帮助研究人员和防污技术开发者识别现有技术的不足，明确改进方向，加速下一代高效、长寿命、环境友好型防污技术的研发（如智能响应涂层、仿生防污材料）。
优化维护策略： 根据涂层防护寿命的评估结果，科学制定船舶坞修和平台维护计划，最大化经济效益。
评估环境足迹： 结合生态毒性测试，评估新型防污技术的环境安全性，推动海洋防污向绿色可持续发展转型。

结语

海生物附着试验是海洋工程、船舶工业和海洋科学研究中不可或缺的关键环节。它架起了实验室研究、模拟测试与真实海洋服役环境之间的桥梁。通过科学严谨的设计、规范的操作、客观全面的评估，海生物附着试验为揭示生物附着规律、评价防污技术性能、降低海洋工程运维成本、保障装备安全可靠运行、推动海洋环保技术的进步提供了不可或缺的科学支撑和坚实的数据基础。随着对海洋生物污损机制认识的深入和试验技术的不断革新，海生物附着试验将持续发挥其核心作用，助力人类更高效、更可持续地开发利用海洋资源。