挖泥船疏浚過程關鍵傳感器的選型

宋冬鵬，方磊，羅剛，趙春峰，李鵬超

(中交天津航道局有限公司 天津市疏浚工程技術企業重點實驗室，天津 300457)

疏浚船舶的自動化水平越來越高，但現有耙吸挖泥船、絞吸挖泥船等施工船舶，在疏浚過程中所用傳感器的型號繁雜，性能參差不齊，監控系統可靠性及穩定性不夠，間接導致在船舶疏浚施工中，經常發生傳感器數值不準或傳感器易損壞的問題，施工效率低。

對于疏浚過程關鍵傳感器選型的問題，國內有研究提出以清水計數率作為挖泥船產量計密度測量精度的評價指標[1]；對不同工作原理泥漿流量計(電磁、超聲波、聲吶陣列)在相同工況下進行測試，證明新型聲吶陣列流量計具有更好的測量穩定性[2]；對采用工頻勵磁的新型電磁流量計在挖泥船上的應用進行研究，說明工頻勵磁對消除尖峰噪聲的作用[3]；有研究可用于淺海快速測量壓力的雙面變極距電容式壓力傳感器[4]；有研究挖泥船上常用的傳感器，說明不同原理相同功能的傳感器在挖泥船上的使用情況[5]。

為更好地解決目前存在的問題并提出疏浚過程關鍵傳感器選型的核心技術指標及主要參考條件，調研國內外典型挖泥船的實船情況、現有國內外先進疏浚傳感器的技術資料，包括船舶電氣管理人員意見、各疏浚船舶公司電氣負責人意見。歸納目前船舶疏浚傳感器使用過程中存在的問題，對比挑選實船應用較好的典型案例，總結挖泥船疏浚過程關鍵傳感器選型的主要參考條件。以傳感器技術和實踐經驗為依據，以穩定、可靠為目標對傳感器進行選型，通過對疏浚過程不同位置的傳感器的性能指標、技術，以及穩定性進行對比分析的手段，從而篩選出準確、穩定、可靠、高效的傳感器。所提出的核心技術指標及主要參考條件可用于耙吸挖泥船、絞吸挖泥船建造及日常維護過程中，減少傳感器選型的工作量，提高備件的通用性，有效提升工作效率。

1 調研范圍及資料概述

疏浚傳感器選型研究所涉及的傳感器類別為密度計、流量計、管路泥漿壓力傳感器。調研的內容為：廠家、接收端及二次儀表型號、安裝形式及法蘭/螺紋尺寸、更換周期、使用過程中的故障周期、傳感器穩定性、使用過程中遇到的問題等。調研了國外建造的挖泥船，如，浚洋1輪、長江口2號、航浚6 008船等。收集了天航局耙吸挖泥船的調研資料、絞吸挖泥船的調研資料，新海豚系列絞吸挖泥船調研資料、新海虎系列耙吸挖泥船調研資料，IHC8527系列絞吸挖泥船調研資料、浚海系列耙吸挖泥船調研資料，船屬公司的電氣機務意見。通過遠程傳輸歷史數據，分析傳感器波動情況。收集傳感器校驗報告、船舶修理單。通過多種形式對應用范圍較廣的傳感器廠家進行調研，其中包含6個密度計廠家、7個流量計廠家、7個壓力傳感器廠家。

2 密度計選型的主要參考條件

密度計由放射源和密度探測器組成，其中放射源的種類有很多，最常用的是Cs-137和Co-60。Cs-137和Co-60的適用性情況如下：Cs-137的半衰期為30.2年，Co-60的半衰期為5.27年，銫源的半衰期是鈷源的6倍，使用周期長。從環保角度看，Cs-137放射性劑量通常要比Co-60小(銫源挖泥船1 100 mm管徑配置放射劑量7.400×1010以內，鈷源挖泥船800 mm管徑配置的放射劑量為9.287×1010以內)，銫源活度低，對環境危害小。

從調研結果可知，在泥漿管路是單層管條件下，大部分800 mm管徑以上船舶均使用Cs-137,使用效果良好。而在泥漿管路是雙層管的條件下，采用Cs-137，配置劑量比單層管成倍增大。而 Co-60的穿透性比同活度的Cs-137強16倍以上，故這種條件下建議采用Co-60，可以大幅度降低標配放射源活度。

綜合以上分析，在非大管徑雙層管的條件下，放射源探測器的源種類只考慮Cs-137。

影響密度探測器性能的因素有很多，其中最核心的是密度計探測器的靈敏度，而密度探測器的靈敏度可在一定程度上通過密度計轉換器上的計數率體現。

(1)

式中：Px為實際實時顯示密度，t/m3；P2為校驗密度，t/m3；P1為清水密度，t/m3；nx為實際計數率；n0為空管計數率；n1為清水計數率；n2為校驗計數率。

與各密度計廠家進行溝通后發現，各廠家技術人員無法給出探測器所能接受到的最小放射劑量的具體數值。分析發現可用其他方法進行靈敏度判斷，具體判斷方法為：相同管徑條件下，對比配置同種類放射源活度，因半衰期及其他條件相同，配置活度越低，放射源探測器靈敏度越高。

通過向船方及機務收集反饋調研表并進行分析對比后發現，各公司的密度探測器的使用時間均約為5年，各公司故障頻率、穩定性相近。但是，在靈敏度方面，800 mm管徑已知最低放射源配置劑量為1.850×1010Bq，因此需要依照此標準挑選性能最好的傳感器。密度計標配放射源活度調研表詳見表1。

表1 密度計標配放射源活度調研表

依據各典型船舶歷史數據，可了解施工過程中密度計波動情況。取每公司1艘典型船舶施工時間段內1 h歷史數據作為分析依據，采樣分析表明，各公司傳感器在實船使用過程中均能夠長時間保持穩定，未監測到數據突變。

3 流量計選型的主要參考條件

目前疏浚船舶所用流量計主要為電磁流量計，其技術較為成熟。而其他種類流量計如超聲波流量計、差壓流量計等在復雜工況下均不適用。故只討論電磁流量計。

調查分析表明，影響流量計使用效果的主要技術性能是：襯里耐磨程度，勵磁電壓和勵磁電流。這2方面的技術性能分別影響傳感器的耐用性和傳感器的抗干擾能力。調研過程中發現船舶管理人員對流量計準確性無意見，但對襯里質量反應比較強烈。

船方反饋聚氨酯流量計一般使用時間為2～3年，陶瓷襯里流量計使用時間約為5年，在流量計襯里不損壞的條件下，各公司的故障頻率、穩定性相近。故挖泥船安裝流量計時，應視情況選擇聚氨酯襯里或陶瓷襯里，聚氨酯襯里推薦厚度最大的30 mm，其次為20 mm。

目前國內外電磁流量計勵磁方式使用效果較好的為220 V工頻勵磁，勵磁電流2～3 A。

采用220 V工頻勵磁的目的在于增加磁感應強度，這種勵磁方式可減少因泥漿帶電導致流速歸零等問題，其信號強度優于傳統48 V，250 mA勵磁。故勵磁方式建議選220 V工頻正弦波勵磁，信號強度較高。

依據各典型船舶歷史數據了解施工過程中流量計波動情況。取每公司1艘典型船舶施工時間段內1 h歷史數據作為分析依據，采樣分析表明，各公司傳感器在實船使用過程中能夠長時間保持穩定，未監測到數據突變。

4 管路泥漿壓力傳感器選型的主要參考條件

據船方反饋，法蘭式差壓傳感器、管螺紋式差壓傳感器在使用過程中均較為穩定，但是施工泥質為細泥時管螺紋式差壓傳感器易發生堵塞，相對于法蘭式來講，維護工作量較大。多艘船舶電氣管理人員均認為在維護方面法蘭式差壓傳感器優于管螺紋式差壓傳感器，所以管路泥漿壓力傳感器測壓結構類型推薦選擇法蘭式。

據船方及機務反饋，傳感器均是遇損更換，準確性差別不大，施工強度不同，傳感器使用周期為：國產傳感器平均2～3年，進口傳感器平均2～5年，其耐用性接近。

因部分吸入真空傳感器長期在水下運行，故需要新制密封結構件并采用多層膠圈、銅環進行防水改造。據使用方反饋，將法蘭型相對壓力傳感器改造為采用多層膠圈、銅環方式防水結構傳感器，安裝工藝保證后基本不存在漏水現象，改造后傳感器滿負荷使用1年，使用期間較穩定。此種結構件改造設計方式與進口水下吸入真空傳感器(設計水下200 m防水)類似，見圖1。

圖1 水下吸入真空傳感器改造示意

具體改動為設計T型固定法蘭，T型固定法蘭下部為直管段，上部為半月板，直管段焊接于泥管，半月板與傳感器本體相連的半月板連接。傳感器本體的另一端放入密封罐內，密封罐采用膠圈防水。密封罐電纜出口處采用多層銅墊、橡膠墊與電纜擠壓的形式進行密封防水處理。

在傳感器耐用性方面，傳感器膜片為與泥漿、泥沙直接接觸部分，膜片質量與傳感器耐用程度直接相關。故分析不同種類傳感器膜片在挖泥船上的適用情況。

壓力傳感器膜片材質通常為：316L不銹鋼，哈氏合金C，蒙氏合金400，鉭等。進口傳感器所用膜片材質多為合成不銹鋼，各材質硬度如下。

316L不銹鋼硬度：HV<200；

哈氏合金C硬度：HV≤200；

蒙乃爾400合金：170≤HV≤295；

鉭：HV≤140。

由此可知，316L不銹鋼、哈氏合金C、蒙乃爾400合金的硬度接近，但比鉭要高。目前船舶常用的傳感器膜片材質為316L不銹鋼，并用硅油填充，此種膜片材質少數船舶反饋使用過程中膜片發生變形，大量船舶實船使用情況正常，故傳感器膜片材質選擇推薦316L不銹鋼。

5 結論

在泥漿管路是單層管條件下，密度計放射源的種類推薦Cs-137。在泥漿管路是雙層管的條件下，Co-60的穿透性比同活度的Cs-137強16倍以上，故此種條件下建議采用Co-60。對800 mm管徑，推薦標配放射源活度小于1.850×1010Bq的密度計探測器。各型號的密度探測器的使用時間均約為5年，故障頻率、穩定性相近。

流量計可視情況選擇聚氨酯襯里或陶瓷襯里，聚氨酯襯里流量計使用時間約為2～3年，陶瓷襯里流量計使用時間約為5年，聚氨酯襯里或陶瓷襯里的穩定性相近。聚氨酯襯里的流量計推薦厚度大于或等于30 mm的傳感器，聚氨酯襯里或陶瓷襯里的勵磁電壓形式推薦220 V工頻勵磁。

壓力傳感器測壓結構類型建議選擇法蘭式差壓傳感器，不建議選擇易堵塞的管螺紋式傳感器，傳感器膜片材質推薦316L不銹鋼。壓力傳感器均是遇損更換，準確性差別不大，在不同施工強度下壓力傳感器使用周期為2～5年。吸入真空傳感器如用在水下需要進行防水改造。