一种外海养殖抗风浪型铰接式网箱的制作方法

本专利从技术角度，涉及对船舶及海洋工程技术的综合应用，属于船舶及海洋工程装备类技术领域。该专利主要应用于水产养殖，故也可属于海洋水产养殖工具类技术领域。

2.

背景技术：

随着我国经济的发展，人们对水产品的需求越来越多，对品质的要求也越来越高。使用渔船到江河湖海打捞天然鱼类已远远不能满足市场需求。现今我国的许多内河、内海、靠近大陆的沿海、近海的海湾，凡是条件较好的水域，都被众多的渔业养殖户的养殖网箱所覆盖。为节约成本，现今渔业养殖户使用的网箱，大多为小型网箱，其材料多为塑料、泡沫、木材等。不具备对外海较大风浪的抗御能力。

目前，大面积使用内河、内海及海湾进行水产养殖的行业和技术存在以下缺点：

(1)过多水产养殖网箱的开发，占据了大量有限的水域面积，与沿海工业、房地产业、旅游业等产业的开发产生了争夺水域的矛盾，激发了众多的群体事件。

(2)内河、内海高密度水产养殖也造成了大面积水域的污染，并引起各类水产品品质的退化。

因此，为根本上解决水产养殖占据大面积内海、内河水域的问题，就要实现水产养殖的“外海化”。

水产养殖“外海化”，可以利用外海取之不尽的浮游生物作为饵料，大幅度降低养殖成本；可以获得优质美味的水产品；此外，外海具有较强的自净功能，可以解决水产养殖污染水域的问题。水产养殖“外海化”，现已成为水产养殖业的发展方向。

实现水产养殖外海化在技术方面的困难主要在于：

(1)水产养殖的安全问题

我国沿海(尤其是东南沿海)，是一个多台风的水域。水产养殖“外海化”必须解决外海风浪巨大，造成养殖人员作业不安全、网箱易遭破坏的问题。

(2)成本高昂问题

曾有人提出，将适合于水产养殖的靠近大陆的外海水域，用防波堤围起来，人工创造一片“宁静”的海湾。这种想法是不切实际的。其理由是：如果是建造“固定式”防波堤，不仅成本极为高昂，而且会将养殖水域与外界隔开，造成海水不能自由流动，变成“围海养鱼”，即使将外海变成了内海，也用不了多长时间，又会形成类似于现今渔场有限的水域被网箱覆盖的情况；如果建造浮动式防波堤，不仅网箱成本依然高昂，而且在特大风浪(如大台风来袭)条件下，其浮式防波堤实际防风浪的有效性要大打折扣，而且防波堤本身仍然存在很大的安全风险。

故，实现水产养殖“外海化”的根本出路在于创造一种能抗风浪的水产养殖网箱。

3.

技术实现要素：

本专利的目的是针对现有内海养殖所使用的网箱不能抵御外海的风浪，以及与之配套的浮式防波堤在特大台风时实际效果不佳及安全风险很大的问题而提出的、以“环状铰接式”网箱为核心技术的外海水产养殖技术。

3.1本专利技术方案的基本思路

3.1.1兼顾船舶性能与强度的矛盾

常识告诉我们，一条公园里的小船，不能去大海航行，但大船就可以。其原因是大船的“稳性”好。但大船在波浪上的总纵弯矩又很大，结构易遭破坏。如果把船舶做成“环状”，不仅其建造成本可大幅度降低，而且还可以获得较大的水线面惯性矩，就可以获得较大的初稳性高度；如果再把较长的船分成几段，“铰接”起来，既不易翻沉、又可使结构强度得以保证，这就可兼顾性能与强度的矛盾。本专利提出的“环状铰接式网箱”的基本原理即基于此。

3.1.2关于外海最大设计风级

本专利提出的网箱，具有很强的抗风浪能力，不需要使用防波堤，适用于除了“极区”(南北极附近)以外的“无限海区”，尤其适用于水深30～100m的中国沿海“大陆架”浅水海域。

中国沿海水域的特点之一是：台风等灾害性天气出现较为频繁。例如福建沿海中部的罗源、连江一带，根据近海岸观测站(1985-2012)的资料，每年都会出现热带风暴或大台风。在正常天气，其海边年平均风速仅在3.1m/s左右，但大台风等灾害性天气出现时，10分钟最大风速就可达46.7m/s，相当于蒲福风级15级，造成的危害极为严重。由此，本专利的网箱适用的“设计风级”现定为蒲福 16级，即距海面10m高度的风速为53.5m/s。相当于“百年一遇”。本专利网箱必须在最大设计风力作用下有足够的稳性及结构强度。

3.1.3关于稳性及结构：

从设计与计算方法来看，本专利提出的“环状网箱”，实际上是一种中间挖空的“船舶”，完全符合船级社规范所定义的“船舶”的特征。因而，有关船舶设计与建造的成熟理论与方法、规范及法规等均可套用，具有很强的实用性。但即使如此，在设计时，仍必须以严格的船模试验加以验证。

按船舶工程常用的方法，经初步性能计算，可以证明本专利提出的“环状网箱”稳性很好。其原因在于：这种网箱，水线面惯性矩大、重心低，且受风面积不大，虽风力很大，仍不会倾覆。经初步结构计算的结论是：由于本网箱采用“铰接”，即将每个部件(“单元”)用短缆与系柱(俗称“缆桩”) 连接起来，因而其总纵弯矩、切力将大为减小，可以确保网箱本体结构的安全。承受负荷最大的是“系柱与短缆”及其结构加强件，属于局部加强范畴。而短缆连接件是船舶常规的系泊设备，可按船舶规范的标准模式套用。只要取一定的安全系数，就可以确保连接安全。

船舶结构力学的理论与实践都已证明：对置于波浪上的船舶而言，如果波长λ远小于船长L，即λ/L<<1，那么在船长L的范围内会有若干个波峰与波谷出现，其波高H1/3较小，浮力相对于静水状态变化不大，不会产生较大的波浪附加弯矩；反之，若波长λ远大于船长L，即λ/L>>1，虽然波高很大，但在船长L范围内，波面也与静水面相差不大，也不可能出现较大的波浪附加弯矩。针对于16 级的特大强台风，采用本专利的铰接方式，将网箱最大模块的特征长度L变小，即λ/L>>1，故产生的附加波浪力矩也不大(参见本专利的实例计算)。

3.2一种外海养殖抗风浪型铰接式网箱的构成

3.2.1“外海养殖”基地：

本专利所指的所谓“外海”，一般是指远离大陆的海域。在“外海”从事“水产养殖业”，需要自己解决诸如补给、饵料、育种、管理人员的生活与工作条件、设备维护等问题。一般应采用集约化的管理方式，应将网箱组合成一个群体，形成“基地”。这种“基地”一般应设在天然鱼群回游、天然饵料较为丰富的外海水域。在“基地”内，还可以设置一定数量的风力发电站、太阳能发电站、直升机停机坪、旅游景点等。

3.2.2本专利网箱的基本组成(参见图1)

本专利所述外海养殖抗风浪型铰接式网箱是由6大部分组成的。其一，是由钢质(或钢筋混凝土) 材料构造而成的环状水密浮式箱体，称为网箱单元③，在其上设有空气管⑥；其二，是将这些网箱单元连接起来的活动连接部件，称为铰接件若干个这类单元连接起来，形成一个大型环状浮体；其三，是养殖水产的网具，在环状浮箱的中间水域，设置养殖各类水产品的网具⑧；其四，在大型环状浮体的中央，是一个设有电站、泵舱、油舱、管线等设备及管理人员工作、居住舱的中央浮体，称为中心岛①；其五、是由空气管、压载水泵、压载管系统、遥控阀系统及设在机舱集控室里各种设备组成的“压载―下潜―起浮系统”；其六，是由锚、锚链、铰车等设备部件组成的锚泊系统⑩，可将整个网箱系结于海底。这整个系统称为网箱模块。若干个网箱模块连在一起，形成渔业基地。

3.2.3“环状浮式箱体”(称为网箱单元③)，

“环状浮式箱体”，是一个水密结构的浮式箱体。内部分为若干水密舱室，由压载水管系连接起来。根据压载的需要，可以泵入(或泵出)压载水，以保持网箱单元的浮态；在大赤潮或大风浪来袭时，可以使整个网箱模块下潜到水面下一定深度。箱体上部的甲板，可作为人行走道或投放饵料小车的通道；在箱体一定的位置上设置锚泊系统、空气管等设备或设施。

网箱模块的外形可以是各种形状。本例取为圆形。整个网箱模块在半径方向可分割为数块(本例为2块)，在圆周方向也可分割为数瓣(本例为8瓣)，形成数个“单元”(本例为16个单元)。

3.2.4关于“铰接件”

本专利提出的网箱单元连接的方案是用“铰接”方式组成一种柔性组合式、可拆卸的连接系统，即允许网箱单元在一个小范围内自由运动，但又不能相互脱开。

本例所述的铰接，有两种形式：其一是，甲板上的“铰接件”，是由钢缆与系柱所构成；在箱体下部的“铰接件”，是由锁紧钢缆铰车、液压式插销与钢缆所构成④⑤。当连接钢缆拉紧之时，可将相邻的两个单元连接在一起。在各个网箱单元之间，设有橡胶防撞垫。

本专利网箱单元之间的短缆与系柱“铰接”连接方式，是船与船、船与岸之间常用的连接方式，但本专利所用的短缆可采用铰车液压卷筒予以系紧，系柱可采用液压油缸控制的插销予以锁紧。

笔者曾对“铰接”连接的松紧程度进行过理论探讨和计算验证，证明不同的连接松紧程度对船舶在波浪上的运动及结构强度有较大的影响。应当引起注意。

3.2.5关于“网具”(参见图1)

外海养殖水产品的网具，系结在浮体网箱的下部水域之中⑧⑨，在特大赤潮或特大风浪来临时，网箱的上部也可用网具覆盖，在将网具下沉到水下一定深度时，仍可维持所养殖鱼类的生存。

根据需要，网具在侧面与底面可设1层或2层网。外层网可用钢丝绳编成，主要用于防止鲨鱼等凶猛鱼类对网具内养殖的鱼类造成伤害，内层网由尼龙丝编成，用来保护(隔离)养殖鱼类。网具下设重物坠⑨。

3.2.6关于“中心岛”(参见图1)

所谓“中心岛”①，是指在整个大型网箱中央设置的一个较大的浮体，该中心岛实际是一艘船，船体的主甲板④上设有上层建筑，其内设置人员的住舱、办公室、会议室、研究室及信号设备、空气管等。

船舶主甲板之下设机舱②。机舱内设柴油发电机组、舱底泵、总用泵、总配电板、控制室、燃油舱、全船管系、压载、下潜与上浮系统、各种辅助设备等。

3.2.7关于“压载―下潜―起浮系统”

这是一套类似于潜艇的“压载―下潜―起浮系统”，是由具有启闭阀的空气管、压载泵及可通达全网箱各水密舱的压载管系统、遥控阀系统组成。在特大赤潮或特大风浪来临时，开启海底阀，吸入海水，可将网具下沉到水下一定深度。在正常海况条件下，开启压载泵，排出压载水，网箱即可上浮至正常浮态。由于需要下沉的深度不大，仍属于“空气管”状态，网箱仍具有一定的稳性。

3.2.8关于锚泊系统

应根据网箱所在海域的水深情况决定采用何种锚泊方式。对于水深30―150m左右的浅海，可按船舶常规的锚泊方案设计其锚泊系统；该系统是由锚机、锚链(或锚索)及锚所组成；所用的锚一般采用钢筋混凝土构成的重力锚。

对水深达数百米，甚至千米以上的深海海域，可采用动力定位系统。

4.附图说明：

图1是：一种外海养殖抗风浪型铰接式网箱示意图

附图1简要说明：

本图反映了本专利的主要技术特征：把置于波浪海面上的网箱单元，用钢缆与系柱(或液压插销)“铰接”形式连接起来，构成一个整体稳定的网箱模块，从而保证了整体结构安全，且稳性良好。管理人员主要在中心岛内居住及活动，其摇摆幅度较小，工作及生活条件较好。

作为实例，其主要尺度如下：

图1的图例是：

①中心岛

②机舱

③网箱单元

④主甲板

⑤甲板上连接短缆及系柱

⑥空气管

⑦动力定位装置(Z推)(DP-1)

⑧网具

⑨网具重物坠

⑩锚机与锚链舱

橡胶垫块

码头

铰接件

5.具体实施方式

下面根据船舶设计原理，给出一个直径为200m的铰接式网箱模块的设计实例，说明具体实施方式：

5.1设计依据：

5.1.1网箱使用海区：

本网箱适用于台湾海峡福建连江—厦门的“外海”，位置大约为东径118°-120°，北纬 23°-26.5°(计算实例取为25°N，地球自转柯氏力系数：f＝0.22)的广大海域，此海域为台湾海峡两岸多台风水域。

5.1.2设计风级：蒲福风级16级的特大台风(海面上10m风速，Urmax＝53.5m/s)。

某气象站对一次特大台风的测定数据如下：

当地平均大气压Pa＝1013.6百帕(hPa)

台风中心风压：Po＝914百帕

气压差：ΔP＝Pa-Po＝99.6百帕

最大风速半径(距台风中心的距离)：R＝27海里＝50公里

台风移动速度：Uf＝20节＝37.0km/h＝13.37m/s

5.2台风区域波浪要素计算：

这里所指的“波浪要素”是指波高H1/3、波长λ、周期T1/3。

采用较为通用的Bretschneider(1957)下列经验公式

5.2.1计算16级台风时波浪要素的最大值如下：

海面上10m处最大梯度风速(Ug)max为：

(Ug)max＝0.868×[73×0.1718×(ΔP)1/2-0.575R×0.22]

＝105.23(节)＝54.14m/s

海面上10m处最大持续风速Ur(节)，由下式得出：

对于移动台风：

Urrmax＝0.865×(Ug)max+0.5Uf＝104.02节＝53.52m/s

此值相当于蒲福风级16级，求得Urrmax之后，再利用下列二式可以求得该台风形成的深水最大有效波高H1/3max和周期T1/3max。

H1/3max＝5.03exp(0.000295×R×ΔP)

×(1+0.208×Uf/(Ur)^(1/2))＝17.02m

T1/3max＝8.6exp(0.000148×R×ΔP)

×(1+0.104*Uf/(Ur)^(1/2))＝16.2s

根据深水波浪的周期与计算波长的关系表，可以查得对应于此波浪周期的波长如下：

λmax＝545.5m

台风形成后，在台风中心10km范围内称为“台风眼”，几乎无风。在距离台风中心大约40-50km 范围内，风速与r成正比增加，此范围称为“台风内域”。距台风中心40-50km的外缘，往往出现风速的最大值Urmax，称为“最大风速半径R”(本例为50km)；在此距离之外，直至半径500km，称为“外域区”，风速大致上按1/r^(1/2)的比例减小；距离r再增大，到800km，可视为“台风圈外”，风速将比例于2/r减小。

海上台风引起的波浪也有一个产生、发展、稳定、到逐渐减弱、消失的过程。在此过程中，各种波长、波高及周期的成份波均有可能出现。对船舶(包括网箱)而言，对结构产生破坏力最大的并非是波长最长或较短的波浪，而是波长与船长之比接近于1.0的成份波。因而，在计算网箱稳性时，应按最大风速考虑；而在计算结构受力时，应按波长λ与网箱单元的特征长度L之比≈1.0考虑。

5.2.2选取3个网箱特征长度，计算其波浪要素

其一,取整个网箱(直径)“船长”,L1＝200m；其二，取网箱中心岛+内环单元，其直径L2＝120m；其二，取网箱外环单元长度L3＝75m，试计算其波浪负荷最大情况的波浪要素：

经笔者回归分析，得出按常规风速Ur与浪高H1/3的关系如下式：

H1/3＝0.08×Ur1.55

再套用其他研究者提出的风速与风级的回归公式：

Ur＝0.836×B1.5

可得：H1/3＝0.08×(0.836×B1.5)1.55＝0.0606×B2.325

在“台风内域”，假定波高H1/3、周期T1/3大致上也按1/r^(1/2)的比例减小，由此也可以推知其波长时的波高H1/3、周期T1/3如下表：

(参见附表2)

特定海域台风区风浪要素计算表

5.2.3整体结构与铰接结构受力情况的比较：

按台风学者们提供的经验公式，由以上的粗略计算可以看出：在一个台风形成并稳定之后，对海洋工程结构物的结构强度危害最大的并不是在风速最大的区域，因为此时的最大波长λmax往往远大于结构物的特征长度L。而是在台风中心移动离开结构物一定距离(如本例的r＝102km处)时，正好处于λ1＝L1(在本例中L1＝网箱直径D)的情况，此时的波高H1/3较高，达到11.91m，本例网箱框架型深仅为6.5m，如果将整体结构中心置于波高为H1/3＝11.91m、波长为200m的坦谷波上时，附加波浪弯矩是比较大的(由此例说明，如果按船舶常规计算方法，取波高为1/20船长，即取计算波高为10m，是偏于危险的)；但是如果将结构铰接起来，最危险状态的波长与波高均会降低下来，例如取λ3＝75m，此时，波高H1/3＝7.46m，则船舶的结构强度就要安全得多。按船舶的波浪附加总纵弯矩与船长的平方成正比、波浪附加切力与船长成正比的规律，若以网箱整体为100％，则“中心岛+内环”组成的主体与外环单元铰接，以及中心岛与内环铰接后再与外环单元铰接，三种情况的波浪附加总纵弯矩比是： 100％、36％、14.64％；其波浪附加切力比是：100％，60％，38.27％。说明相差是很大的。(参见附表3)

经计算，本专利的实例计算结果如附表1所示。

附件：

附表1：一种外海养殖抗风浪型铰接式网箱实例主要参数总结表