新型泥漿密度計在疏浚船舶上的應用

賈振東，周坤良

（中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

疏浚船舶泥漿密度計是計算挖泥產量、指導施工操作的重要設備之一，所測泥漿密度數據為施工管理提供重要的決策依據。現階段疏浚船舶泥漿密度計多為放射同位素密度計，新型超聲波密度計應用于石油化工、礦山采礦、鋼鐵等行業，應用于疏浚船舶的案例較少。疏浚船舶泥漿密度計測量介質為固液兩相流，施工過程復雜多變，衡量泥漿密度計是否適用于疏浚船舶的首要因素為測量穩定性和準確性，測量的結果直接影響著施工效率；密度計的測量穩定性和準確性與密度計的工作原理、安裝方式、使用壽命及測量介質有著密切的關系。

將新型超聲波密度計安裝在某絞吸式挖泥船，測量介質為泥沙和夾帶垃圾（塑料、漁網、鋼絲、石塊等）海水混合液體；通過對絞吸船施工監測來記錄新型密度計的管道內泥漿密度數據，并與絞吸船現役的放射同位素密度計所測泥漿密度數據對比分析，通過對比可知新型密度計是否適用于疏浚船舶。

1 工作原理

1.1 放射同位素密度計

放射同位素密度計由放射源（銫137、鈷60）、光電倍增管和信號處理器三部分組成。密度測量主要是對管道中泥漿密度的測量，放射源經開關手柄控制輸出器打開，形成一束發散角為5°的?射線穿透輸泥管，在管道中泥漿吸收了一定量的射線能量，其余的射線能量經光電倍增管（碘化鈉閃爍體）轉換成電子脈沖信號。電子脈沖信號經信號計數轉換器模塊甄別、整形后形成+5V的計數脈沖信號。管道中泥漿密度越大，計數脈沖數就越低。

探頭所檢測到的?射線強度與被測介質密度成指數關系：

N=探頭檢測到的計數脈沖率（脈沖/s）；

N0=介質密度ρ=0時探頭所能檢測到的脈沖率（脈沖/s）；

μm=質量吸收系數（cm3/g）；

ρ=介質密度（g/cm3）；

D=被測量管內徑（cm）。

對于中等能量的?射線和原子序數不大的物質，μm僅與射線能量有關，當放射源確定后，μm為常數。

由①式得：

所以，只要測出射線強度（計數脈沖率）就能得到密度，計數脈沖信號送入數據處理器，經軟件計算可得到密度值。

1.2 超聲波密度計工作原理

超聲波探頭發射一束超聲波信號后，信號通過一定密度的液體后到達對面的反射面，之后信號從反射面返回。此時探頭轉為信號接收狀態，以此測定超聲波信號傳輸的總時間，信號傳輸的距離。超聲波衰減與密度的關系，在一定的密度范圍內，超聲波信號在液體介質中的傳播速度（v）是密度（ρ）和壓縮系數（k）的函數，幾種不同聲速的介質混合后，聲速和密度之間就存在一定的確定關系，經過標定之后，超聲波密度計就能精確地測量多組分液體介質的密度。相同的原理，聲速和密度之間同樣高度相關，因此也就可以精確地測量液體介質的密度。

2 密度測試的總體方案

放射源密度計、超聲波密度計二組數據對比，放射源密度計和超聲波密度計安裝位置接近，盡量保證數據采集一致性。分別測試清水狀態和施工狀態，尤其施工狀態要根據土質和施工條件調整不同密度，確保在不同環境下不同密度下，采樣數據的可靠性。

3 密度計應用測試

3.1 測試條件

（1）時間：2019年12月13日；（2）地點：鹽城響水港；（3）船舶：新海豚絞吸船；（4）密度計型號：放射同位素密度計（FS-06）、俄國便攜式外夾超聲波密度計；（5）管路口徑：DN850；（6）安裝位置：排泥金屬主管道；（7）介質：泥沙和夾帶垃圾（塑料、漁網、鋼絲、石塊等）海水混合液體。

3.2 測試準備與開始

超聲波密度計的安裝對管道要求較高，安裝前需對管道的內壁光滑，管壁材質一種材質，為了避免管壁表面不平整導致探頭信號衰減，安裝探頭時在其表面涂抹耦合劑以此填補中間空隙，現做清水校驗測試。放射源密度計確保開源狀態下，針對工況做清水校驗。

測試準備完成后，對絞吸船啟泵后施工階段不同密度的應用情況進行測試，并記錄測試數據。

4 密度計測試數據及分析

4.1 施工階段測試

對施工階段中2種密度計所測介質密度數據記錄，截取其中一段數據生成曲線如圖所示。

圖1 數據生成曲線圖

選取其中一段的數據進一步分析可知：ρ超聲波=0.981ρ放射同位素。2種密度計所測密度數據的標準差為：s超聲波=0.021；s放射同位素=0.025。

綜上可知2種密度計所測介質密度，放射同位素密度計所測密度比較平滑，超聲波密度計所測密度比較靈敏，2種密度計所測密度都是穩定的。

5 密度計固有特性分析

5.1 安裝方式

放射源同位素密度計捆綁式安裝，需要安裝在管道外側，放射源防護罐重量大約250kg,另加防護裝置和鉛版，總體重量400kg；超聲波密度計粘貼在管壁上，體積小，重量輕，安裝便捷。

5.2 使用壽命

放射源同位素密度計采用的放射同位素主要是銫137或鈷60，輻射強度不同，放射同位素有衰變周期，銫137半衰期大約30年，但是銫137輻射強度弱，所以用在管徑小于900mm,鈷60半衰期5.5年，輻射強度大，適合各種管徑。新型超聲波密度計不受管徑及使用時間長短影響，探頭易維護。

6 結語

通過對新型超聲波密度計測試與現役放射同位素密度計對比可知，新型超聲波密度計對介質密度更加靈敏，與現役放射同位素密度計穩定性相當。在安裝和維護新型超聲波密度計更加便捷，更加靈活。放射同位素密度計屬于特種作業，要持證上崗，所以不利于日常操作。綜合考慮密度計固有特性及測試結果，新型超聲波密度計測量穩定性滿足疏浚船舶要求，適用于疏浚船舶。