新型泥浆密度计在疏浚船舶上的应用

贾振东，周坤良

（中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海 201208）

疏浚船舶泥浆密度计是计算挖泥产量、指导施工操作的重要设备之一，所测泥浆密度数据为施工管理提供重要的决策依据。现阶段疏浚船舶泥浆密度计多为放射同位素密度计，新型超声波密度计应用于石油化工、矿山采矿、钢铁等行业，应用于疏浚船舶的案例较少。疏浚船舶泥浆密度计测量介质为固液两相流，施工过程复杂多变，衡量泥浆密度计是否适用于疏浚船舶的首要因素为测量稳定性和准确性，测量的结果直接影响着施工效率；密度计的测量稳定性和准确性与密度计的工作原理、安装方式、使用寿命及测量介质有着密切的关系。

将新型超声波密度计安装在某绞吸式挖泥船，测量介质为泥沙和夹带垃圾（塑料、渔网、钢丝、石块等）海水混合液体；通过对绞吸船施工监测来记录新型密度计的管道内泥浆密度数据，并与绞吸船现役的放射同位素密度计所测泥浆密度数据对比分析，通过对比可知新型密度计是否适用于疏浚船舶。

1 工作原理

1.1 放射同位素密度计

放射同位素密度计由放射源（铯137、钴60）、光电倍增管和信号处理器三部分组成。密度测量主要是对管道中泥浆密度的测量，放射源经开关手柄控制输出器打开，形成一束发散角为5°的Ƴ射线穿透输泥管，在管道中泥浆吸收了一定量的射线能量，其余的射线能量经光电倍增管（碘化钠闪烁体）转换成电子脉冲信号。电子脉冲信号经信号计数转换器模块甄别、整形后形成+5V的计数脉冲信号。管道中泥浆密度越大，计数脉冲数就越低。

探头所检测到的Ƴ射线强度与被测介质密度成指数关系：

N=探头检测到的计数脉冲率（脉冲/s）；

N0=介质密度ρ=0时探头所能检测到的脉冲率（脉冲/s）；

μm=质量吸收系数（cm3/g）；

ρ=介质密度（g/cm3）；

D=被测量管内径（cm）。

对于中等能量的Ƴ射线和原子序数不大的物质，μm仅与射线能量有关，当放射源确定后，μm为常数。

由①式得：

所以，只要测出射线强度（计数脉冲率）就能得到密度，计数脉冲信号送入数据处理器，经软件计算可得到密度值。

1.2 超声波密度计工作原理

超声波探头发射一束超声波信号后，信号通过一定密度的液体后到达对面的反射面，之后信号从反射面返回。此时探头转为信号接收状态，以此测定超声波信号传输的总时间，信号传输的距离。超声波衰减与密度的关系，在一定的密度范围内，超声波信号在液体介质中的传播速度（v）是密度（ρ）和压缩系数（k）的函数，几种不同声速的介质混合后，声速和密度之间就存在一定的确定关系，经过标定之后，超声波密度计就能精确地测量多组分液体介质的密度。相同的原理，声速和密度之间同样高度相关，因此也就可以精确地测量液体介质的密度。

2 密度测试的总体方案

放射源密度计、超声波密度计二组数据对比，放射源密度计和超声波密度计安装位置接近，尽量保证数据采集一致性。分别测试清水状态和施工状态，尤其施工状态要根据土质和施工条件调整不同密度，确保在不同环境下不同密度下，采样数据的可靠性。

3 密度计应用测试

3.1 测试条件

（1）时间：2019年12月13日；（2）地点：盐城响水港；（3）船舶：新海豚绞吸船；（4）密度计型号：放射同位素密度计（FS-06）、俄国便携式外夹超声波密度计；（5）管路口径：DN850；（6）安装位置：排泥金属主管道；（7）介质：泥沙和夹带垃圾（塑料、渔网、钢丝、石块等）海水混合液体。

3.2 测试准备与开始

超声波密度计的安装对管道要求较高，安装前需对管道的内壁光滑，管壁材质一种材质，为了避免管壁表面不平整导致探头信号衰减，安装探头时在其表面涂抹耦合剂以此填补中间空隙，现做清水校验测试。放射源密度计确保开源状态下，针对工况做清水校验。

测试准备完成后，对绞吸船启泵后施工阶段不同密度的应用情况进行测试，并记录测试数据。

4 密度计测试数据及分析

4.1 施工阶段测试

对施工阶段中2种密度计所测介质密度数据记录，截取其中一段数据生成曲线如图所示。

图1 数据生成曲线图

选取其中一段的数据进一步分析可知：ρ超声波=0.981ρ放射同位素。2种密度计所测密度数据的标准差为：s超声波=0.021；s放射同位素=0.025。

综上可知2种密度计所测介质密度，放射同位素密度计所测密度比较平滑，超声波密度计所测密度比较灵敏，2种密度计所测密度都是稳定的。

5 密度计固有特性分析

5.1 安装方式

放射源同位素密度计捆绑式安装，需要安装在管道外侧，放射源防护罐重量大约250kg,另加防护装置和铅版，总体重量400kg；超声波密度计粘贴在管壁上，体积小，重量轻，安装便捷。

5.2 使用寿命

放射源同位素密度计采用的放射同位素主要是铯137或钴60，辐射强度不同，放射同位素有衰变周期，铯137半衰期大约30年，但是铯137辐射强度弱，所以用在管径小于900mm,钴60半衰期5.5年，辐射强度大，适合各种管径。新型超声波密度计不受管径及使用时间长短影响，探头易维护。

6 结语

通过对新型超声波密度计测试与现役放射同位素密度计对比可知，新型超声波密度计对介质密度更加灵敏，与现役放射同位素密度计稳定性相当。在安装和维护新型超声波密度计更加便捷，更加灵活。放射同位素密度计属于特种作业，要持证上岗，所以不利于日常操作。综合考虑密度计固有特性及测试结果，新型超声波密度计测量稳定性满足疏浚船舶要求，适用于疏浚船舶。