新型泥漿密度計(jì)在疏浚船舶上的應(yīng)用

賈振東，周坤良

（中交疏浚技術(shù)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(jì)是計(jì)算挖泥產(chǎn)量、指導(dǎo)施工操作的重要設(shè)備之一，所測泥漿密度數(shù)據(jù)為施工管理提供重要的決策依據(jù)?，F(xiàn)階段疏浚船舶泥漿密度計(jì)多為放射同位素密度計(jì)，新型超聲波密度計(jì)應(yīng)用于石油化工、礦山采礦、鋼鐵等行業(yè)，應(yīng)用于疏浚船舶的案例較少。疏浚船舶泥漿密度計(jì)測量介質(zhì)為固液兩相流，施工過程復(fù)雜多變，衡量泥漿密度計(jì)是否適用于疏浚船舶的首要因素為測量穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，測量的結(jié)果直接影響著施工效率；密度計(jì)的測量穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性與密度計(jì)的工作原理、安裝方式、使用壽命及測量介質(zhì)有著密切的關(guān)系。

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

1 工作原理

1.1 放射同位素密度計(jì)

放射同位素密度計(jì)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(jīng)開關(guān)手柄控制輸出器打開，形成一束發(fā)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(jīng)光電倍增管（碘化鈉閃爍體）轉(zhuǎn)換成電子脈沖信號。電子脈沖信號經(jīng)信號計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊甄別、整形后形成+5V的計(jì)數(shù)脈沖信號。管道中泥漿密度越大，計(jì)數(shù)脈沖數(shù)就越低。

探頭所檢測到的?射線強(qiáng)度與被測介質(zhì)密度成指數(shù)關(guān)系：

N=探頭檢測到的計(jì)數(shù)脈沖率（脈沖/s）；

N0=介質(zhì)密度ρ=0時探頭所能檢測到的脈沖率（脈沖/s）；

μm=質(zhì)量吸收系數(shù)（cm3/g）；

ρ=介質(zhì)密度（g/cm3）；

D=被測量管內(nèi)徑（cm）。

對于中等能量的?射線和原子序數(shù)不大的物質(zhì)，μm僅與射線能量有關(guān)，當(dāng)放射源確定后，μm為常數(shù)。

由①式得：

所以，只要測出射線強(qiáng)度（計(jì)數(shù)脈沖率）就能得到密度，計(jì)數(shù)脈沖信號送入數(shù)據(jù)處理器，經(jīng)軟件計(jì)算可得到密度值。

1.2 超聲波密度計(jì)工作原理

超聲波探頭發(fā)射一束超聲波信號后，信號通過一定密度的液體后到達(dá)對面的反射面，之后信號從反射面返回。此時探頭轉(zhuǎn)為信號接收狀態(tài)，以此測定超聲波信號傳輸?shù)目倳r間，信號傳輸?shù)木嚯x。超聲波衰減與密度的關(guān)系，在一定的密度范圍內(nèi)，超聲波信號在液體介質(zhì)中的傳播速度（v）是密度（ρ）和壓縮系數(shù)（k）的函數(shù)，幾種不同聲速的介質(zhì)混合后，聲速和密度之間就存在一定的確定關(guān)系，經(jīng)過標(biāo)定之后，超聲波密度計(jì)就能精確地測量多組分液體介質(zhì)的密度。相同的原理，聲速和密度之間同樣高度相關(guān)，因此也就可以精確地測量液體介質(zhì)的密度。

2 密度測試的總體方案

放射源密度計(jì)、超聲波密度計(jì)二組數(shù)據(jù)對比，放射源密度計(jì)和超聲波密度計(jì)安裝位置接近，盡量保證數(shù)據(jù)采集一致性。分別測試清水狀態(tài)和施工狀態(tài)，尤其施工狀態(tài)要根據(jù)土質(zhì)和施工條件調(diào)整不同密度，確保在不同環(huán)境下不同密度下，采樣數(shù)據(jù)的可靠性。

3 密度計(jì)應(yīng)用測試

3.1 測試條件

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

3.2 測試準(zhǔn)備與開始

超聲波密度計(jì)的安裝對管道要求較高，安裝前需對管道的內(nèi)壁光滑，管壁材質(zhì)一種材質(zhì)，為了避免管壁表面不平整導(dǎo)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(bǔ)中間空隙，現(xiàn)做清水校驗(yàn)測試。放射源密度計(jì)確保開源狀態(tài)下，針對工況做清水校驗(yàn)。

測試準(zhǔn)備完成后，對絞吸船啟泵后施工階段不同密度的應(yīng)用情況進(jìn)行測試，并記錄測試數(shù)據(jù)。

4 密度計(jì)測試數(shù)據(jù)及分析

4.1 施工階段測試

對施工階段中2種密度計(jì)所測介質(zhì)密度數(shù)據(jù)記錄，截取其中一段數(shù)據(jù)生成曲線如圖所示。

圖1 數(shù)據(jù)生成曲線圖

選取其中一段的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析可知：ρ超聲波=0.981ρ放射同位素。2種密度計(jì)所測密度數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)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(jì)所測介質(zhì)密度，放射同位素密度計(jì)所測密度比較平滑，超聲波密度計(jì)所測密度比較靈敏，2種密度計(jì)所測密度都是穩(wěn)定的。

5 密度計(jì)固有特性分析

5.1 安裝方式

放射源同位素密度計(jì)捆綁式安裝，需要安裝在管道外側(cè)，放射源防護(hù)罐重量大約250kg,另加防護(hù)裝置和鉛版，總體重量400kg；超聲波密度計(jì)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(jì)采用的放射同位素主要是銫137或鈷60，輻射強(qiáng)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(qiáng)度弱，所以用在管徑小于900mm,鈷60半衰期5.5年，輻射強(qiáng)度大，適合各種管徑。新型超聲波密度計(jì)不受管徑及使用時間長短影響，探頭易維護(hù)。

6 結(jié)語

通過對新型超聲波密度計(jì)測試與現(xiàn)役放射同位素密度計(jì)對比可知，新型超聲波密度計(jì)對介質(zhì)密度更加靈敏，與現(xiàn)役放射同位素密度計(jì)穩(wěn)定性相當(dāng)。在安裝和維護(hù)新型超聲波密度計(jì)更加便捷，更加靈活。放射同位素密度計(jì)屬于特種作業(yè)，要持證上崗，所以不利于日常操作。綜合考慮密度計(jì)固有特性及測試結(jié)果，新型超聲波密度計(jì)測量穩(wěn)定性滿足疏浚船舶要求，適用于疏浚船舶。