挖泥船疏浚过程关键传感器的选型

宋冬鹏，方磊，罗刚，赵春峰，李鹏超

(中交天津航道局有限公司 天津市疏浚工程技术企业重点实验室，天津 300457)

疏浚船舶的自动化水平越来越高，但现有耙吸挖泥船、绞吸挖泥船等施工船舶，在疏浚过程中所用传感器的型号繁杂，性能参差不齐，监控系统可靠性及稳定性不够，间接导致在船舶疏浚施工中，经常发生传感器数值不准或传感器易损坏的问题，施工效率低。

对于疏浚过程关键传感器选型的问题，国内有研究提出以清水计数率作为挖泥船产量计密度测量精度的评价指标[1]；对不同工作原理泥浆流量计(电磁、超声波、声呐阵列)在相同工况下进行测试，证明新型声呐阵列流量计具有更好的测量稳定性[2]；对采用工频励磁的新型电磁流量计在挖泥船上的应用进行研究，说明工频励磁对消除尖峰噪声的作用[3]；有研究可用于浅海快速测量压力的双面变极距电容式压力传感器[4]；有研究挖泥船上常用的传感器，说明不同原理相同功能的传感器在挖泥船上的使用情况[5]。

为更好地解决目前存在的问题并提出疏浚过程关键传感器选型的核心技术指标及主要参考条件，调研国内外典型挖泥船的实船情况、现有国内外先进疏浚传感器的技术资料，包括船舶电气管理人员意见、各疏浚船舶公司电气负责人意见。归纳目前船舶疏浚传感器使用过程中存在的问题，对比挑选实船应用较好的典型案例，总结挖泥船疏浚过程关键传感器选型的主要参考条件。以传感器技术和实践经验为依据，以稳定、可靠为目标对传感器进行选型，通过对疏浚过程不同位置的传感器的性能指标、技术，以及稳定性进行对比分析的手段，从而筛选出准确、稳定、可靠、高效的传感器。所提出的核心技术指标及主要参考条件可用于耙吸挖泥船、绞吸挖泥船建造及日常维护过程中，减少传感器选型的工作量，提高备件的通用性，有效提升工作效率。

1 调研范围及资料概述

疏浚传感器选型研究所涉及的传感器类别为密度计、流量计、管路泥浆压力传感器。调研的内容为：厂家、接收端及二次仪表型号、安装形式及法兰/螺纹尺寸、更换周期、使用过程中的故障周期、传感器稳定性、使用过程中遇到的问题等。调研了国外建造的挖泥船，如，浚洋1轮、长江口2号、航浚6 008船等。收集了天航局耙吸挖泥船的调研资料、绞吸挖泥船的调研资料，新海豚系列绞吸挖泥船调研资料、新海虎系列耙吸挖泥船调研资料，IHC8527系列绞吸挖泥船调研资料、浚海系列耙吸挖泥船调研资料，船属公司的电气机务意见。通过远程传输历史数据，分析传感器波动情况。收集传感器校验报告、船舶修理单。通过多种形式对应用范围较广的传感器厂家进行调研，其中包含6个密度计厂家、7个流量计厂家、7个压力传感器厂家。

2 密度计选型的主要参考条件

密度计由放射源和密度探测器组成，其中放射源的种类有很多，最常用的是Cs-137和Co-60。Cs-137和Co-60的适用性情况如下：Cs-137的半衰期为30.2年，Co-60的半衰期为5.27年，铯源的半衰期是钴源的6倍，使用周期长。从环保角度看，Cs-137放射性剂量通常要比Co-60小(铯源挖泥船1 100 mm管径配置放射剂量7.400×1010以内，钴源挖泥船800 mm管径配置的放射剂量为9.287×1010以内)，铯源活度低，对环境危害小。

从调研结果可知，在泥浆管路是单层管条件下，大部分800 mm管径以上船舶均使用Cs-137,使用效果良好。而在泥浆管路是双层管的条件下，采用Cs-137，配置剂量比单层管成倍增大。而 Co-60的穿透性比同活度的Cs-137强16倍以上，故这种条件下建议采用Co-60，可以大幅度降低标配放射源活度。

综合以上分析，在非大管径双层管的条件下，放射源探测器的源种类只考虑Cs-137。

影响密度探测器性能的因素有很多，其中最核心的是密度计探测器的灵敏度，而密度探测器的灵敏度可在一定程度上通过密度计转换器上的计数率体现。

(1)

式中：Px为实际实时显示密度，t/m3；P2为校验密度，t/m3；P1为清水密度，t/m3；nx为实际计数率；n0为空管计数率；n1为清水计数率；n2为校验计数率。

与各密度计厂家进行沟通后发现，各厂家技术人员无法给出探测器所能接受到的最小放射剂量的具体数值。分析发现可用其他方法进行灵敏度判断，具体判断方法为：相同管径条件下，对比配置同种类放射源活度，因半衰期及其他条件相同，配置活度越低，放射源探测器灵敏度越高。

通过向船方及机务收集反馈调研表并进行分析对比后发现，各公司的密度探测器的使用时间均约为5年，各公司故障频率、稳定性相近。但是，在灵敏度方面，800 mm管径已知最低放射源配置剂量为1.850×1010Bq，因此需要依照此标准挑选性能最好的传感器。密度计标配放射源活度调研表详见表1。

表1 密度计标配放射源活度调研表

依据各典型船舶历史数据，可了解施工过程中密度计波动情况。取每公司1艘典型船舶施工时间段内1 h历史数据作为分析依据，采样分析表明，各公司传感器在实船使用过程中均能够长时间保持稳定，未监测到数据突变。

3 流量计选型的主要参考条件

目前疏浚船舶所用流量计主要为电磁流量计，其技术较为成熟。而其他种类流量计如超声波流量计、差压流量计等在复杂工况下均不适用。故只讨论电磁流量计。

调查分析表明，影响流量计使用效果的主要技术性能是：衬里耐磨程度，励磁电压和励磁电流。这2方面的技术性能分别影响传感器的耐用性和传感器的抗干扰能力。调研过程中发现船舶管理人员对流量计准确性无意见，但对衬里质量反应比较强烈。

船方反馈聚氨酯流量计一般使用时间为2～3年，陶瓷衬里流量计使用时间约为5年，在流量计衬里不损坏的条件下，各公司的故障频率、稳定性相近。故挖泥船安装流量计时，应视情况选择聚氨酯衬里或陶瓷衬里，聚氨酯衬里推荐厚度最大的30 mm，其次为20 mm。

目前国内外电磁流量计励磁方式使用效果较好的为220 V工频励磁，励磁电流2～3 A。

采用220 V工频励磁的目的在于增加磁感应强度，这种励磁方式可减少因泥浆带电导致流速归零等问题，其信号强度优于传统48 V，250 mA励磁。故励磁方式建议选220 V工频正弦波励磁，信号强度较高。

依据各典型船舶历史数据了解施工过程中流量计波动情况。取每公司1艘典型船舶施工时间段内1 h历史数据作为分析依据，采样分析表明，各公司传感器在实船使用过程中能够长时间保持稳定，未监测到数据突变。

4 管路泥浆压力传感器选型的主要参考条件

据船方反馈，法兰式差压传感器、管螺纹式差压传感器在使用过程中均较为稳定，但是施工泥质为细泥时管螺纹式差压传感器易发生堵塞，相对于法兰式来讲，维护工作量较大。多艘船舶电气管理人员均认为在维护方面法兰式差压传感器优于管螺纹式差压传感器，所以管路泥浆压力传感器测压结构类型推荐选择法兰式。

据船方及机务反馈，传感器均是遇损更换，准确性差别不大，施工强度不同，传感器使用周期为：国产传感器平均2～3年，进口传感器平均2～5年，其耐用性接近。

因部分吸入真空传感器长期在水下运行，故需要新制密封结构件并采用多层胶圈、铜环进行防水改造。据使用方反馈，将法兰型相对压力传感器改造为采用多层胶圈、铜环方式防水结构传感器，安装工艺保证后基本不存在漏水现象，改造后传感器满负荷使用1年，使用期间较稳定。此种结构件改造设计方式与进口水下吸入真空传感器(设计水下200 m防水)类似，见图1。

图1 水下吸入真空传感器改造示意

具体改动为设计T型固定法兰，T型固定法兰下部为直管段，上部为半月板，直管段焊接于泥管，半月板与传感器本体相连的半月板连接。传感器本体的另一端放入密封罐内，密封罐采用胶圈防水。密封罐电缆出口处采用多层铜垫、橡胶垫与电缆挤压的形式进行密封防水处理。

在传感器耐用性方面，传感器膜片为与泥浆、泥沙直接接触部分，膜片质量与传感器耐用程度直接相关。故分析不同种类传感器膜片在挖泥船上的适用情况。

压力传感器膜片材质通常为：316L不锈钢，哈氏合金C，蒙氏合金400，钽等。进口传感器所用膜片材质多为合成不锈钢，各材质硬度如下。

316L不锈钢硬度：HV<200；

哈氏合金C硬度：HV≤200；

蒙乃尔400合金：170≤HV≤295；

钽：HV≤140。

由此可知，316L不锈钢、哈氏合金C、蒙乃尔400合金的硬度接近，但比钽要高。目前船舶常用的传感器膜片材质为316L不锈钢，并用硅油填充，此种膜片材质少数船舶反馈使用过程中膜片发生变形，大量船舶实船使用情况正常，故传感器膜片材质选择推荐316L不锈钢。

5 结论

在泥浆管路是单层管条件下，密度计放射源的种类推荐Cs-137。在泥浆管路是双层管的条件下，Co-60的穿透性比同活度的Cs-137强16倍以上，故此种条件下建议采用Co-60。对800 mm管径，推荐标配放射源活度小于1.850×1010Bq的密度计探测器。各型号的密度探测器的使用时间均约为5年，故障频率、稳定性相近。

流量计可视情况选择聚氨酯衬里或陶瓷衬里，聚氨酯衬里流量计使用时间约为2～3年，陶瓷衬里流量计使用时间约为5年，聚氨酯衬里或陶瓷衬里的稳定性相近。聚氨酯衬里的流量计推荐厚度大于或等于30 mm的传感器，聚氨酯衬里或陶瓷衬里的励磁电压形式推荐220 V工频励磁。

压力传感器测压结构类型建议选择法兰式差压传感器，不建议选择易堵塞的管螺纹式传感器，传感器膜片材质推荐316L不锈钢。压力传感器均是遇损更换，准确性差别不大，在不同施工强度下压力传感器使用周期为2～5年。吸入真空传感器如用在水下需要进行防水改造。