挖泥船疏浚過(guò)程關(guān)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(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300457)

疏浚船舶的自動(dòng)化水平越來(lái)越高，但現(xiàn)有耙吸挖泥船、絞吸挖泥船等施工船舶，在疏浚過(guò)程中所用傳感器的型號(hào)繁雜，性能參差不齊，監(jiān)控系統(tǒng)可靠性及穩(wěn)定性不夠，間接導(dǎo)致在船舶疏浚施工中，經(jīng)常發(fā)生傳感器數(shù)值不準(zhǔn)或傳感器易損壞的問(wèn)題，施工效率低。

對(duì)于疏浚過(guò)程關(guān)鍵傳感器選型的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)有研究提出以清水計(jì)數(shù)率作為挖泥船產(chǎn)量計(jì)密度測(cè)量精度的評(píng)價(jià)指標(biāo)[1]；對(duì)不同工作原理泥漿流量計(jì)(電磁、超聲波、聲吶陣列)在相同工況下進(jìn)行測(cè)試，證明新型聲吶陣列流量計(jì)具有更好的測(cè)量穩(wěn)定性[2]；對(duì)采用工頻勵(lì)磁的新型電磁流量計(jì)在挖泥船上的應(yīng)用進(jìn)行研究，說(shuō)明工頻勵(lì)磁對(duì)消除尖峰噪聲的作用[3]；有研究可用于淺?？焖贉y(cè)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(shuō)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(wèn)題并提出疏浚過(guò)程關(guān)鍵傳感器選型的核心技術(shù)指標(biāo)及主要參考條件，調(diào)研國(guó)內(nèi)外典型挖泥船的實(shí)船情況、現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外先進(jìn)疏浚傳感器的技術(shù)資料，包括船舶電氣管理人員意見(jiàn)、各疏浚船舶公司電氣負(fù)責(zé)人意見(jiàn)。歸納目前船舶疏浚傳感器使用過(guò)程中存在的問(wèn)題，對(duì)比挑選實(shí)船應(yīng)用較好的典型案例，總結(jié)挖泥船疏浚過(guò)程關(guān)鍵傳感器選型的主要參考條件。以傳感器技術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，以穩(wěn)定、可靠為目標(biāo)對(duì)傳感器進(jìn)行選型，通過(guò)對(duì)疏浚過(guò)程不同位置的傳感器的性能指標(biāo)、技術(shù)，以及穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析的手段，從而篩選出準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠、高效的傳感器。所提出的核心技術(shù)指標(biāo)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(hù)過(guò)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(diào)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(jì)、流量計(jì)、管路泥漿壓力傳感器。調(diào)研的內(nèi)容為：廠家、接收端及二次儀表型號(hào)、安裝形式及法蘭/螺紋尺寸、更換周期、使用過(guò)程中的故障周期、傳感器穩(wěn)定性、使用過(guò)程中遇到的問(wèn)題等。調(diào)研了國(guó)外建造的挖泥船，如，浚洋1輪、長(zhǎng)江口2號(hào)、航浚6 008船等。收集了天航局耙吸挖泥船的調(diào)研資料、絞吸挖泥船的調(diào)研資料，新海豚系列絞吸挖泥船調(diào)研資料、新?；⑾盗邪椅谀啻{(diào)研資料，IHC8527系列絞吸挖泥船調(diào)研資料、浚海系列耙吸挖泥船調(diào)研資料，船屬公司的電氣機(jī)務(wù)意見(jiàn)。通過(guò)遠(yuǎn)程傳輸歷史數(shù)據(jù)，分析傳感器波動(dòng)情況。收集傳感器校驗(yàn)報(bào)告、船舶修理單。通過(guò)多種形式對(duì)應(yīng)用范圍較廣的傳感器廠家進(jìn)行調(diào)研，其中包含6個(gè)密度計(jì)廠家、7個(gè)流量計(jì)廠家、7個(gè)壓力傳感器廠家。

2 密度計(jì)選型的主要參考條件

密度計(jì)由放射源和密度探測(cè)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(zhǎng)。從環(huán)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(nèi)，鈷源挖泥船800 mm管徑配置的放射劑量為9.287×1010以內(nèi))，銫源活度低，對(duì)環(huán)境危害小。

從調(diào)研結(jié)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(qiáng)16倍以上，故這種條件下建議采用Co-60，可以大幅度降低標(biāo)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(cè)器的源種類只考慮Cs-137。

影響密度探測(cè)器性能的因素有很多，其中最核心的是密度計(jì)探測(cè)器的靈敏度，而密度探測(cè)器的靈敏度可在一定程度上通過(guò)密度計(jì)轉(zhuǎn)換器上的計(jì)數(shù)率體現(xiàn)。

(1)

式中：Px為實(shí)際實(shí)時(shí)顯示密度，t/m3；P2為校驗(yàn)密度，t/m3；P1為清水密度，t/m3；nx為實(shí)際計(jì)數(shù)率；n0為空管計(jì)數(shù)率；n1為清水計(jì)數(shù)率；n2為校驗(yàn)計(jì)數(shù)率。

與各密度計(jì)廠家進(jìn)行溝通后發(fā)現(xiàn)，各廠家技術(shù)人員無(wú)法給出探測(cè)器所能接受到的最小放射劑量的具體數(shù)值。分析發(fā)現(xiàn)可用其他方法進(jìn)行靈敏度判斷，具體判斷方法為：相同管徑條件下，對(duì)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(cè)器靈敏度越高。

通過(guò)向船方及機(jī)務(wù)收集反饋調(diào)研表并進(jìn)行分析對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，各公司的密度探測(cè)器的使用時(shí)間均約為5年，各公司故障頻率、穩(wěn)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(biāo)準(zhǔn)挑選性能最好的傳感器。密度計(jì)標(biāo)配放射源活度調(diào)研表詳見(jiàn)表1。

表1 密度計(jì)標(biāo)配放射源活度調(diào)研表

依據(jù)各典型船舶歷史數(shù)據(jù)，可了解施工過(guò)程中密度計(jì)波動(dòng)情況。取每公司1艘典型船舶施工時(shí)間段內(nèi)1 h歷史數(shù)據(jù)作為分析依據(jù)，采樣分析表明，各公司傳感器在實(shí)船使用過(guò)程中均能夠長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定，未監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)突變。

3 流量計(jì)選型的主要參考條件

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

調(diào)查分析表明，影響流量計(jì)使用效果的主要技術(shù)性能是：襯里耐磨程度，勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流。這2方面的技術(shù)性能分別影響傳感器的耐用性和傳感器的抗干擾能力。調(diào)研過(guò)程中發(fā)現(xiàn)船舶管理人員對(duì)流量計(jì)準(zhǔn)確性無(wú)意見(jiàn)，但對(duì)襯里質(zhì)量反應(yīng)比較強(qiáng)烈。

船方反饋聚氨酯流量計(jì)一般使用時(shí)間為2～3年，陶瓷襯里流量計(jì)使用時(shí)間約為5年，在流量計(jì)襯里不損壞的條件下，各公司的故障頻率、穩(wěn)定性相近。故挖泥船安裝流量計(jì)時(shí)，應(yīng)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(guó)內(nèi)外電磁流量計(jì)勵(lì)磁方式使用效果較好的為220 V工頻勵(lì)磁，勵(lì)磁電流2～3 A。

采用220 V工頻勵(lì)磁的目的在于增加磁感應(yīng)強(qiáng)度，這種勵(lì)磁方式可減少因泥漿帶電導(dǎo)致流速歸零等問(wèn)題，其信號(hào)強(qiáng)度優(yōu)于傳統(tǒng)48 V，250 mA勵(lì)磁。故勵(lì)磁方式建議選220 V工頻正弦波勵(lì)磁，信號(hào)強(qiáng)度較高。

依據(jù)各典型船舶歷史數(shù)據(jù)了解施工過(guò)程中流量計(jì)波動(dòng)情況。取每公司1艘典型船舶施工時(shí)間段內(nèi)1 h歷史數(shù)據(jù)作為分析依據(jù)，采樣分析表明，各公司傳感器在實(shí)船使用過(guò)程中能夠長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定，未監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)突變。

4 管路泥漿壓力傳感器選型的主要參考條件

據(jù)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(guò)程中均較為穩(wěn)定，但是施工泥質(zhì)為細(xì)泥時(shí)管螺紋式差壓傳感器易發(fā)生堵塞，相對(duì)于法蘭式來(lái)講，維護(hù)工作量較大。多艘船舶電氣管理人員均認(rèn)為在維護(hù)方面法蘭式差壓傳感器優(yōu)于管螺紋式差壓傳感器，所以管路泥漿壓力傳感器測(cè)壓結(jié)構(gòu)類型推薦選擇法蘭式。

據(jù)船方及機(jī)務(wù)反饋，傳感器均是遇損更換，準(zhǔn)確性差別不大，施工強(qiáng)度不同，傳感器使用周期為：國(guó)產(chǎn)傳感器平均2～3年，進(jìn)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(zhǎng)期在水下運(yùn)行，故需要新制密封結(jié)構(gòu)件并采用多層膠圈、銅環(huán)進(jìn)行防水改造。據(jù)使用方反饋，將法蘭型相對(duì)壓力傳感器改造為采用多層膠圈、銅環(huán)方式防水結(jié)構(gòu)傳感器，安裝工藝保證后基本不存在漏水現(xiàn)象，改造后傳感器滿負(fù)荷使用1年，使用期間較穩(wěn)定。此種結(jié)構(gòu)件改造設(shè)計(jì)方式與進(jìn)口水下吸入真空傳感器(設(shè)計(jì)水下200 m防水)類似，見(jiàn)圖1。

圖1 水下吸入真空傳感器改造示意

具體改動(dòng)為設(shè)計(jì)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(nèi)，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(jìn)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(zhì)量與傳感器耐用程度直接相關(guān)。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(zhì)通常為：316L不銹鋼，哈氏合金C，蒙氏合金400，鉭等。進(jìn)口傳感器所用膜片材質(zhì)多為合成不銹鋼，各材質(zhì)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(zhì)為316L不銹鋼，并用硅油填充，此種膜片材質(zhì)少數(shù)船舶反饋使用過(guò)程中膜片發(fā)生變形，大量船舶實(shí)船使用情況正常，故傳感器膜片材質(zhì)選擇推薦316L不銹鋼。

5 結(jié)論

在泥漿管路是單層管條件下，密度計(jì)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(qiáng)16倍以上，故此種條件下建議采用Co-60。對(duì)800 mm管徑，推薦標(biāo)配放射源活度小于1.850×1010Bq的密度計(jì)探測(cè)器。各型號(hào)的密度探測(cè)器的使用時(shí)間均約為5年，故障頻率、穩(wěn)定性相近。

流量計(jì)可視情況選擇聚氨酯襯里或陶瓷襯里，聚氨酯襯里流量計(jì)使用時(shí)間約為2～3年，陶瓷襯里流量計(jì)使用時(shí)間約為5年，聚氨酯襯里或陶瓷襯里的穩(wěn)定性相近。聚氨酯襯里的流量計(jì)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(lì)磁電壓形式推薦220 V工頻勵(lì)磁。

壓力傳感器測(cè)壓結(jié)構(gòu)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(zhì)推薦316L不銹鋼。壓力傳感器均是遇損更換，準(zhǔn)確性差別不大，在不同施工強(qiáng)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(jìn)行防水改造。