海洋声学仪器安装施工实践

钟佩娜（第七一五研究所 杭州 310023）

海洋声学仪器是获取海洋环境参数的常用仪器，可测量海深、海底地形、海流等多种参数，一般安装于海底、固定平台或浮标、潜标等浮动平台。

海洋声学仪器种类繁多，在结构上可为水下和水上两部分。一般把水下部分称为湿端，水上部分称为干端。湿端的主要作用是将大功率电信号转换成声信号发射到水中探测目标，完成水中声信号的接收并转换为电信号；干端一般负责信息处理、显示和存储测量结果及对湿端的控制，通常置于水上平台或实验室，和湿端间通过电缆连接。

由于海洋环境复杂多变，为保证声学仪器能正常使用，必须对实际安装地点的环境深入了解，制定出适合的安装方案。湿端的安装支架设计尤为重要，既要保证湿端的工作深度，又要保证有足够的强度和刚度在极端恶劣天气下不会损坏；同时，因长期处于水下，湿端的水密、防水生物附着和金属腐蚀等问题也很重要；此外，还应考虑供电保障、信息传输等问题。本文以南方某港口固定安装测流仪施工情况为例，研讨海洋声学仪器的安装施工中的具体技术问题。

1 湿端安装施工的有关问题

1.1 安装选点方案

某测流仪安装在码头混凝土防波堤上，安装方式如图1，在低潮位时将卡扣固定在壁面，将钢管和与其固定的设备滑入卡槽，用抱箍加固。设备安装点应选择在空旷海域，声波传播路径上无抛石、山体遮挡；安装位置应平整无凹陷，使管件可贴紧码头壁面；安装点附近无绞盘、缆绳及与其它动态设施存在，避免遇到不可预期的碰撞钩挂，导致设备损坏；安装点的选择还应考虑潮汐的影响，确保低潮时设备所处的水声环境满足设备正常工作的深度要求。

图1 测流仪水下安装示意图

1.2 水下支架设计

水下支架设计既要保证湿端的工作深度，又要保证有足够的强度和刚度[1-3]。某测流仪的水下支架设计时对台风及海浪的实际影响力尚未有准确的计算方法，低估了其破坏力，因此在实际安装过程中有一套测流仪，在台风过后出现了由于管件刚度不够、沿海浪（即平行码头壁面）方向失稳折断的现象。采取的措施是对安装管件进行加固，加固方案为在入水部分的管件两侧对称焊接50 mm ×50 mm ×4 mm、开角为60°的角钢，并且在管件悬臂端两侧斜拉两组锚链，锚链的张紧力通过花兰螺丝调节。加固后的管件在减小流体阻力的同时增加了侧向（平行水流方向）抗弯刚度。经计算，加固后的管件侧向抗弯截面模量接近原来的2倍，在台风天气中风浪较大的情况下有更好的防护作用。等边角钢尺寸见图2。焊接后管件截面示意图如图3。图中x0为角钢形心位置。

图2 角钢尺寸示意图

图3 加固管件截面示意图

由于海流方向平行于x轴方向，故主要考虑该方向的结构强度。所以管件两侧焊接角钢的加固方式在尽可能避免安装结构重量过度增加的同时，在平行海流方向上的强度提升近2倍，同时管件两侧角钢还兼导流，减小流体阻力的作用。

1.3 水密和防腐蚀问题

在港湾内，由于水体流速较低、表层水温高、海洋水生物种类多，导致固定设备的管件以及设备自身容易被海生物附着，导致设备关键部件的声性能下降。因此设备尽可能避光，安装于不利于海生物生长的环境；设备可选用抗污性较好的材料，比如铜、钛等，在设备外壳上涂刷防污漆、金属部分喷涂底盘装甲漆等都是常见并且简便的防污措施。

外壳的锈蚀也导致设备水密出现问题。不锈钢壳体在海水中主要表现为局部锈蚀，主要形态有：点蚀、隧道腐蚀、缝隙腐蚀等，并且腐蚀速度有以下规则：全浸区>潮差区>飞溅区[4]。某测流仪外壳为 316L材质，部分设备在安装运行一段时间后出现腐蚀现象，实际情况见图4 ～图6。

图4 设备安装孔附件的缝隙腐蚀

图5 壳体与基阵间密封面的缝隙腐蚀

图6 海水浸泡下壳体的点蚀

由图可见，设备在不漏水情况下主要腐蚀形态为缝隙腐蚀，并且多集中于密封面附近。缝隙腐蚀特点较为明显，主要是由氯离子的迁移和氯化物的水解造成。氯离子在缝隙处扩散困难，局部高浓度的腐蚀产物形成的酸性环境会使金属氧化膜破坏，进而形成点蚀，点蚀部分再钝化，部分形成自催化构成隧道腐蚀。图6中形成的点蚀已经有部分形成自催化，会极大地加快设备壳体腐蚀穿孔速度。针对测流仪在南海的腐蚀现象，可从以下几方面考虑预防。

1.3.1 电位差因素

设备自身不同的金属结构宜选择同种材料，防止不同材料间电位差加速部分结构件腐蚀。可通过加装锌块等活跃度较高的金属进行牺牲阳极保护。另外可采取绝缘措施，避免金属结构在通电状态下形成电化学腐蚀。如在接壳地线间串联一个电容，隔断直流，防止壳体由于地线电势高出现电化学腐蚀。

1.3.2 结构设计因素

对于腐蚀问题，在结构设计上应预留腐蚀裕度，特别是全面腐蚀材料。在设计中尽量减少密封面处缝隙的同时，可在缝隙处采取填胶或密封脂的形式，避免海水中氯离子在缝隙处过度集中。周期性下水的设备应考虑排水结构设计，避免局部积水形成全浸区。设计中应尽量避免存在高应力构件，形成应力腐蚀。

1.3.3 定期维护

为防止腐蚀引起的水密问题，防止设备换能器辐射面受海生物附着导致声性能下降等问题，水下设备应定期进行维护。维护时将设备拆卸下来，首先采取冲淡水等形式破坏微电池环境，扰乱局部腐蚀环境；其次可定期进行补漆、涂油等，减少设备在海水中的腐蚀；对换能器部分可定期进行表面清洗、清理，并喷涂防污漆、防海生物胶等防污措施。

2 干端有关问题

2.1 电缆布设问题

干端安装首先要考虑电缆布设，岸上布设的电缆主要负责信号的传输和供电，电缆远距离传输不仅要考虑供电线路损耗致使产生过大压降，施工过程中还要考虑电缆尽量不要裸露在外，以免发生意外。在实际施工过程中，多种设备共用一根 6×1.5 mm2的电缆供电，每组2×1.5 mm2分别用作零、火、地线，市电接入点至设备安装点距离约1.5 km，线缆阻抗约8 Ω，总负载近1 020 W，负载电流约5 A，仅开启部分设备湿端，电压已下降至188 V，无法保证电源模块稳定运行（要求输入电压为220 V±10%）。最后采用串联UPS不间断电源的方式对终端电压进行稳压。设备在试运行过程中出现了多次跳闸保护的情况，经过逐级排查，发现电缆被动物啃咬破皮，破皮的电缆在下雨后容易漏电，使漏电保护器跳闸。最后将电缆裸露的部分封装波纹管，并在穿缆的PVC管口用防火泥封堵，对损伤的电缆进行了替换处理。

2.2 信息传输问题

干端安装其次要考虑信息传输问题。测流仪的信息传输根据不同需求有三种通信方式：直接电缆连接（RS422，以太网，CAN）、光纤传输和北斗传输。直接电缆传输指短距离采用RS422形式或以太网形式，长距离采用 CAN形式。光纤传输指设备通过RS422方式把数据传给光纤转换器（光猫），由光纤长距离传输，再通过光纤转换器转换成RS232形式传输给上位机。光纤长距离传输可靠稳定，但是对安装人员技能要求较高，需熟练操作多种检测工具，如熔接机、红光笔、功率计等。北斗传输是指采用北斗通信方式将信息定期发送，设备接收端定期接收信息的方式。

本次项目中的测流仪采用北斗通信方式，偶尔出现丢包现象，基本稳定。但设备掉电恢复供电后，北斗收发恢复需人为重启，鉴于该情况，设备需要增加信号处理机远程复位或者电源远程控制功能。

2.3 供电方式

测流仪的供电方式一般有供电转换单元和太阳能供电两种。前者适合有交流220 V电源的安装点，比较可靠；后者适合无交流220 V电源，或者电源太远，且不允许埋线施工的安装点。太阳能方式要考虑到安装地点的日照情况，合理选择太阳能面板面积，且须充分考虑太阳能板铺设的结构强度。

2.4 防雷问题

测流仪一般安装在港口码头等比较空旷的地方，雷击损坏比较常见，加装防雷装置是安装不可或缺的防护措施。加装防雷装置时，如果不能深埋接地网或无雷电泄放通道的情况下，可用2 m左右的接地棒（铜棒或者镀锌棒）打入潮湿的泥土中做简易的接地点[5]。除了对测流仪设备单体，还应该对工控机、显示器、电源适配器、转换器、各通信接口等进行防护，如在工控机中加装防雷击模块等，也有一定的效果。

2.5 提高可靠性、可维修性

设备安装运行还需要考虑可靠性、可维修性，海洋声学设备一般安装在港口码头等远离城市，维修维护一般都不方便，因此提高设备可靠性可减少维修维护成本。安装地点常有极端恶劣环境时，可考虑分体安装方式，换能器安装于水下，电路板和电源安装于码头边机柜，便于维护调试；在码头侧壁上部将电缆及通信缆均加装一组对接水密接插件，方便拆除设备时线缆的拆除，避免多次重复拆装。

3 总结

通过某测流仪的安装实践，针对安装方案、具体实施到交付使用整个过程中出现的一些问题，采取的相应解决方法和实施措施进行分析、归纳、总结，为以后的海洋声学仪器安装提出一些建议。

3.1 建议增加施工前调研力量投入

针对某项目的安装环境，在安装前期应充分调研，了解当地基本环境，根据环境条件设计施工方案，搜集多方信息，并对可能出现的情况做好各种预案，同时请产品制造方、施工方、使用方等相关专家对安装方案进行充分讨论，尽可能考虑全面，开工后少改动、少返工。在现场进行方案调整和更改存在较大的不确定性，影响施工周期并且耗费人力物力。因此在设计新方案时尽可能提前进行实验验证，确保稳定可靠。

3.2 安装结构件尽量通用、简便、安全

采用的安装结构件尽量通用，降低对环境的依赖程度，使之在不同场合下具有较好的通用性，缩短外场施工周期[6]。设计中尽量简化安装施工过程，应尽可能考虑常用工具及材料的准备，有针对性的设计一些辅助的安装夹具，或采购专用工具，在一定程度上提高外场安装效率。海洋环境中极端天气对设备安装影响较大，安装结构件的安全系数需加大。对于未知的环境因素不应抱有侥幸心理，设计验算需有充分的计算理论或实验数据作为依托。