海洋聲學儀器安裝施工實踐

鐘佩娜（第七一五研究所 杭州 310023）

海洋聲學儀器是獲取海洋環(huán)境參數的常用儀器，可測量海深、海底地形、海流等多種參數，一般安裝于海底、固定平臺或浮標、潛標等浮動平臺。

海洋聲學儀器種類繁多，在結構上可為水下和水上兩部分。一般把水下部分稱為濕端，水上部分稱為干端。濕端的主要作用是將大功率電信號轉換成聲信號發(fā)射到水中探測目標，完成水中聲信號的接收并轉換為電信號；干端一般負責信息處理、顯示和存儲測量結果及對濕端的控制，通常置于水上平臺或實驗室，和濕端間通過電纜連接。

由于海洋環(huán)境復雜多變，為保證聲學儀器能正常使用，必須對實際安裝地點的環(huán)境深入了解，制定出適合的安裝方案。濕端的安裝支架設計尤為重要，既要保證濕端的工作深度，又要保證有足夠的強度和剛度在極端惡劣天氣下不會損壞；同時，因長期處于水下，濕端的水密、防水生物附著和金屬腐蝕等問題也很重要；此外，還應考慮供電保障、信息傳輸等問題。本文以南方某港口固定安裝測流儀施工情況為例，研討海洋聲學儀器的安裝施工中的具體技術問題。

1 濕端安裝施工的有關問題

1.1 安裝選點方案

某測流儀安裝在碼頭混凝土防波堤上，安裝方式如圖1，在低潮位時將卡扣固定在壁面，將鋼管和與其固定的設備滑入卡槽，用抱箍加固。設備安裝點應選擇在空曠海域，聲波傳播路徑上無拋石、山體遮擋；安裝位置應平整無凹陷，使管件可貼緊碼頭壁面；安裝點附近無絞盤、纜繩及與其它動態(tài)設施存在，避免遇到不可預期的碰撞鉤掛，導致設備損壞；安裝點的選擇還應考慮潮汐的影響，確保低潮時設備所處的水聲環(huán)境滿足設備正常工作的深度要求。

圖1 測流儀水下安裝示意圖

1.2 水下支架設計

水下支架設計既要保證濕端的工作深度，又要保證有足夠的強度和剛度[1-3]。某測流儀的水下支架設計時對臺風及海浪的實際影響力尚未有準確的計算方法，低估了其破壞力，因此在實際安裝過程中有一套測流儀，在臺風過后出現了由于管件剛度不夠、沿海浪（即平行碼頭壁面）方向失穩(wěn)折斷的現象。采取的措施是對安裝管件進行加固，加固方案為在入水部分的管件兩側對稱焊接50 mm ×50 mm ×4 mm、開角為60°的角鋼，并且在管件懸臂端兩側斜拉兩組錨鏈，錨鏈的張緊力通過花蘭螺絲調節(jié)。加固后的管件在減小流體阻力的同時增加了側向（平行水流方向）抗彎剛度。經計算，加固后的管件側向抗彎截面模量接近原來的2倍，在臺風天氣中風浪較大的情況下有更好的防護作用。等邊角鋼尺寸見圖2。焊接后管件截面示意圖如圖3。圖中x0為角鋼形心位置。

圖2 角鋼尺寸示意圖

圖3 加固管件截面示意圖

由于海流方向平行于x軸方向，故主要考慮該方向的結構強度。所以管件兩側焊接角鋼的加固方式在盡可能避免安裝結構重量過度增加的同時，在平行海流方向上的強度提升近2倍，同時管件兩側角鋼還兼導流，減小流體阻力的作用。

1.3 水密和防腐蝕問題

在港灣內，由于水體流速較低、表層水溫高、海洋水生物種類多，導致固定設備的管件以及設備自身容易被海生物附著，導致設備關鍵部件的聲性能下降。因此設備盡可能避光，安裝于不利于海生物生長的環(huán)境；設備可選用抗污性較好的材料，比如銅、鈦等，在設備外殼上涂刷防污漆、金屬部分噴涂底盤裝甲漆等都是常見并且簡便的防污措施。

外殼的銹蝕也導致設備水密出現問題。不銹鋼殼體在海水中主要表現為局部銹蝕，主要形態(tài)有：點蝕、隧道腐蝕、縫隙腐蝕等，并且腐蝕速度有以下規(guī)則：全浸區(qū)>潮差區(qū)>飛濺區(qū)[4]。某測流儀外殼為 316L材質，部分設備在安裝運行一段時間后出現腐蝕現象，實際情況見圖4 ～圖6。

圖4 設備安裝孔附件的縫隙腐蝕

圖5 殼體與基陣間密封面的縫隙腐蝕

圖6 海水浸泡下殼體的點蝕

由圖可見，設備在不漏水情況下主要腐蝕形態(tài)為縫隙腐蝕，并且多集中于密封面附近?？p隙腐蝕特點較為明顯，主要是由氯離子的遷移和氯化物的水解造成。氯離子在縫隙處擴散困難，局部高濃度的腐蝕產物形成的酸性環(huán)境會使金屬氧化膜破壞，進而形成點蝕，點蝕部分再鈍化，部分形成自催化構成隧道腐蝕。圖6中形成的點蝕已經有部分形成自催化，會極大地加快設備殼體腐蝕穿孔速度。針對測流儀在南海的腐蝕現象，可從以下幾方面考慮預防。

1.3.1 電位差因素

設備自身不同的金屬結構宜選擇同種材料，防止不同材料間電位差加速部分結構件腐蝕。可通過加裝鋅塊等活躍度較高的金屬進行犧牲陽極保護。另外可采取絕緣措施，避免金屬結構在通電狀態(tài)下形成電化學腐蝕。如在接殼地線間串聯一個電容，隔斷直流，防止殼體由于地線電勢高出現電化學腐蝕。

1.3.2 結構設計因素

對于腐蝕問題，在結構設計上應預留腐蝕裕度，特別是全面腐蝕材料。在設計中盡量減少密封面處縫隙的同時，可在縫隙處采取填膠或密封脂的形式，避免海水中氯離子在縫隙處過度集中。周期性下水的設備應考慮排水結構設計，避免局部積水形成全浸區(qū)。設計中應盡量避免存在高應力構件，形成應力腐蝕。

1.3.3 定期維護

為防止腐蝕引起的水密問題，防止設備換能器輻射面受海生物附著導致聲性能下降等問題，水下設備應定期進行維護。維護時將設備拆卸下來，首先采取沖淡水等形式破壞微電池環(huán)境，擾亂局部腐蝕環(huán)境；其次可定期進行補漆、涂油等，減少設備在海水中的腐蝕；對換能器部分可定期進行表面清洗、清理，并噴涂防污漆、防海生物膠等防污措施。

2 干端有關問題

2.1 電纜布設問題

干端安裝首先要考慮電纜布設，岸上布設的電纜主要負責信號的傳輸和供電，電纜遠距離傳輸不僅要考慮供電線路損耗致使產生過大壓降，施工過程中還要考慮電纜盡量不要裸露在外，以免發(fā)生意外。在實際施工過程中，多種設備共用一根 6×1.5 mm2的電纜供電，每組2×1.5 mm2分別用作零、火、地線，市電接入點至設備安裝點距離約1.5 km，線纜阻抗約8 Ω，總負載近1 020 W，負載電流約5 A，僅開啟部分設備濕端，電壓已下降至188 V，無法保證電源模塊穩(wěn)定運行（要求輸入電壓為220 V±10%）。最后采用串聯UPS不間斷電源的方式對終端電壓進行穩(wěn)壓。設備在試運行過程中出現了多次跳閘保護的情況，經過逐級排查，發(fā)現電纜被動物啃咬破皮，破皮的電纜在下雨后容易漏電，使漏電保護器跳閘。最后將電纜裸露的部分封裝波紋管，并在穿纜的PVC管口用防火泥封堵，對損傷的電纜進行了替換處理。

2.2 信息傳輸問題

干端安裝其次要考慮信息傳輸問題。測流儀的信息傳輸根據不同需求有三種通信方式：直接電纜連接（RS422，以太網，CAN）、光纖傳輸和北斗傳輸。直接電纜傳輸指短距離采用RS422形式或以太網形式，長距離采用 CAN形式。光纖傳輸指設備通過RS422方式把數據傳給光纖轉換器（光貓），由光纖長距離傳輸，再通過光纖轉換器轉換成RS232形式傳輸給上位機。光纖長距離傳輸可靠穩(wěn)定，但是對安裝人員技能要求較高，需熟練操作多種檢測工具，如熔接機、紅光筆、功率計等。北斗傳輸是指采用北斗通信方式將信息定期發(fā)送，設備接收端定期接收信息的方式。

本次項目中的測流儀采用北斗通信方式，偶爾出現丟包現象，基本穩(wěn)定。但設備掉電恢復供電后，北斗收發(fā)恢復需人為重啟，鑒于該情況，設備需要增加信號處理機遠程復位或者電源遠程控制功能。

2.3 供電方式

測流儀的供電方式一般有供電轉換單元和太陽能供電兩種。前者適合有交流220 V電源的安裝點，比較可靠；后者適合無交流220 V電源，或者電源太遠，且不允許埋線施工的安裝點。太陽能方式要考慮到安裝地點的日照情況，合理選擇太陽能面板面積，且須充分考慮太陽能板鋪設的結構強度。

2.4 防雷問題

測流儀一般安裝在港口碼頭等比較空曠的地方，雷擊損壞比較常見，加裝防雷裝置是安裝不可或缺的防護措施。加裝防雷裝置時，如果不能深埋接地網或無雷電泄放通道的情況下，可用2 m左右的接地棒（銅棒或者鍍鋅棒）打入潮濕的泥土中做簡易的接地點[5]。除了對測流儀設備單體，還應該對工控機、顯示器、電源適配器、轉換器、各通信接口等進行防護，如在工控機中加裝防雷擊模塊等，也有一定的效果。

2.5 提高可靠性、可維修性

設備安裝運行還需要考慮可靠性、可維修性，海洋聲學設備一般安裝在港口碼頭等遠離城市，維修維護一般都不方便，因此提高設備可靠性可減少維修維護成本。安裝地點常有極端惡劣環(huán)境時，可考慮分體安裝方式，換能器安裝于水下，電路板和電源安裝于碼頭邊機柜，便于維護調試；在碼頭側壁上部將電纜及通信纜均加裝一組對接水密接插件，方便拆除設備時線纜的拆除，避免多次重復拆裝。

3 總結

通過某測流儀的安裝實踐，針對安裝方案、具體實施到交付使用整個過程中出現的一些問題，采取的相應解決方法和實施措施進行分析、歸納、總結，為以后的海洋聲學儀器安裝提出一些建議。

3.1 建議增加施工前調研力量投入

針對某項目的安裝環(huán)境，在安裝前期應充分調研，了解當地基本環(huán)境，根據環(huán)境條件設計施工方案，搜集多方信息，并對可能出現的情況做好各種預案，同時請產品制造方、施工方、使用方等相關專家對安裝方案進行充分討論，盡可能考慮全面，開工后少改動、少返工。在現場進行方案調整和更改存在較大的不確定性，影響施工周期并且耗費人力物力。因此在設計新方案時盡可能提前進行實驗驗證，確保穩(wěn)定可靠。

3.2 安裝結構件盡量通用、簡便、安全

采用的安裝結構件盡量通用，降低對環(huán)境的依賴程度，使之在不同場合下具有較好的通用性，縮短外場施工周期[6]。設計中盡量簡化安裝施工過程，應盡可能考慮常用工具及材料的準備，有針對性的設計一些輔助的安裝夾具，或采購專用工具，在一定程度上提高外場安裝效率。海洋環(huán)境中極端天氣對設備安裝影響較大，安裝結構件的安全系數需加大。對于未知的環(huán)境因素不應抱有僥幸心理，設計驗算需有充分的計算理論或實驗數據作為依托。