鐘佩娜（第七一五研究所 杭州 310023）

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

海洋聲學(xué)儀器種類繁多，在結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換成聲信號發(fā)射到水中探測目標(biāo)，完成水中聲信號的接收并轉(zhuǎn)換為電信號；干端一般負(fù)責(zé)信息處理、顯示和存儲測量結(jié)果及對濕端的控制，通常置于水上平臺或?qū)嶒?yàn)室，和濕端間通過電纜連接。

由于海洋環(huán)境復(fù)雜多變，為保證聲學(xué)儀器能正常使用，必須對實(shí)際安裝地點(diǎn)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(shè)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(qiáng)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(yīng)考慮供電保障、信息傳輸?shù)葐栴}。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(xué)儀器的安裝施工中的具體技術(shù)問題。

1 濕端安裝施工的有關(guān)問題

1.1 安裝選點(diǎn)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(shè)備滑入卡槽，用抱箍加固。設(shè)備安裝點(diǎn)應(yīng)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(yīng)平整無凹陷，使管件可貼緊碼頭壁面；安裝點(diǎn)附近無絞盤、纜繩及與其它動態(tài)設(shè)施存在，避免遇到不可預(yù)期的碰撞鉤掛，導(dǎo)致設(shè)備損壞；安裝點(diǎn)的選擇還應(yīng)考慮潮汐的影響，確保低潮時設(shè)備所處的水聲環(huán)境滿足設(shè)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(shè)計

水下支架設(shè)計既要保證濕端的工作深度，又要保證有足夠的強(qiáng)度和剛度[1-3]。某測流儀的水下支架設(shè)計時對臺風(fēng)及海浪的實(shí)際影響力尚未有準(zhǔn)確的計算方法，低估了其破壞力，因此在實(shí)際安裝過程中有一套測流儀，在臺風(fēng)過后出現(xiàn)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(xiàn)象。采取的措施是對安裝管件進(jìn)行加固，加固方案為在入水部分的管件兩側(cè)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(cè)斜拉兩組錨鏈，錨鏈的張緊力通過花蘭螺絲調(diào)節(jié)。加固后的管件在減小流體阻力的同時增加了側(cè)向（平行水流方向）抗彎剛度。經(jīng)計算，加固后的管件側(cè)向抗彎截面模量接近原來的2倍，在臺風(fēng)天氣中風(fēng)浪較大的情況下有更好的防護(hù)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度。所以管件兩側(cè)焊接角鋼的加固方式在盡可能避免安裝結(jié)構(gòu)重量過度增加的同時，在平行海流方向上的強(qiáng)度提升近2倍，同時管件兩側(cè)角鋼還兼導(dǎo)流，減小流體阻力的作用。

1.3 水密和防腐蝕問題

在港灣內(nèi)，由于水體流速較低、表層水溫高、海洋水生物種類多，導(dǎo)致固定設(shè)備的管件以及設(shè)備自身容易被海生物附著，導(dǎo)致設(shè)備關(guān)鍵部件的聲性能下降。因此設(shè)備盡可能避光，安裝于不利于海生物生長的環(huán)境；設(shè)備可選用抗污性較好的材料，比如銅、鈦等，在設(shè)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(dǎo)致設(shè)備水密出現(xiàn)問題。不銹鋼殼體在海水中主要表現(xiàn)為局部銹蝕，主要形態(tài)有：點(diǎn)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(zhì)，部分設(shè)備在安裝運(yùn)行一段時間后出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，實(shí)際情況見圖4 ～圖6。

圖4 設(shè)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(diǎn)蝕

由圖可見，設(shè)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(diǎn)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(kuò)散困難，局部高濃度的腐蝕產(chǎn)物形成的酸性環(huán)境會使金屬氧化膜破壞，進(jìn)而形成點(diǎn)蝕，點(diǎn)蝕部分再鈍化，部分形成自催化構(gòu)成隧道腐蝕。圖6中形成的點(diǎn)蝕已經(jīng)有部分形成自催化，會極大地加快設(shè)備殼體腐蝕穿孔速度。針對測流儀在南海的腐蝕現(xiàn)象，可從以下幾方面考慮預(yù)防。

1.3.1 電位差因素

設(shè)備自身不同的金屬結(jié)構(gòu)宜選擇同種材料，防止不同材料間電位差加速部分結(jié)構(gòu)件腐蝕?？赏ㄟ^加裝鋅塊等活躍度較高的金屬進(jìn)行犧牲陽極保護(hù)。另外可采取絕緣措施，避免金屬結(jié)構(gòu)在通電狀態(tài)下形成電化學(xué)腐蝕。如在接殼地線間串聯(lián)一個電容，隔斷直流，防止殼體由于地線電勢高出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕。

1.3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計因素

對于腐蝕問題，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)預(yù)留腐蝕裕度，特別是全面腐蝕材料。在設(shè)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(shè)備應(yīng)考慮排水結(jié)構(gòu)設(shè)計，避免局部積水形成全浸區(qū)。設(shè)計中應(yīng)盡量避免存在高應(yīng)力構(gòu)件，形成應(yīng)力腐蝕。

1.3.3 定期維護(hù)

為防止腐蝕引起的水密問題，防止設(shè)備換能器輻射面受海生物附著導(dǎo)致聲性能下降等問題，水下設(shè)備應(yīng)定期進(jìn)行維護(hù)。維護(hù)時將設(shè)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(jìn)行補(bǔ)漆、涂油等，減少設(shè)備在海水中的腐蝕；對換能器部分可定期進(jìn)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(guān)問題

2.1 電纜布設(shè)問題

干端安裝首先要考慮電纜布設(shè)，岸上布設(shè)的電纜主要負(fù)責(zé)信號的傳輸和供電，電纜遠(yuǎn)距離傳輸不僅要考慮供電線路損耗致使產(chǎn)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(shí)際施工過程中，多種設(shè)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(diǎn)至設(shè)備安裝點(diǎn)距離約1.5 km，線纜阻抗約8 Ω，總負(fù)載近1 020 W，負(fù)載電流約5 A，僅開啟部分設(shè)備濕端，電壓已下降至188 V，無法保證電源模塊穩(wěn)定運(yùn)行（要求輸入電壓為220 V±10%）。最后采用串聯(lián)UPS不間斷電源的方式對終端電壓進(jìn)行穩(wěn)壓。設(shè)備在試運(yùn)行過程中出現(xiàn)了多次跳閘保護(hù)的情況，經(jīng)過逐級排查，發(fā)現(xiàn)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(hù)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(jìn)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(jù)不同需求有三種通信方式：直接電纜連接（RS422，以太網(wǎng)，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(wǎng)形式，長距離采用 CAN形式。光纖傳輸指設(shè)備通過RS422方式把數(shù)據(jù)傳給光纖轉(zhuǎn)換器（光貓），由光纖長距離傳輸，再通過光纖轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成RS232形式傳輸給上位機(jī)。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(jī)、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(shè)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(xiàn)丟包現(xiàn)象，基本穩(wěn)定。但設(shè)備掉電恢復(fù)供電后，北斗收發(fā)恢復(fù)需人為重啟，鑒于該情況，設(shè)備需要增加信號處理機(jī)遠(yuǎn)程復(fù)位或者電源遠(yuǎn)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(zhuǎn)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(diǎn)，比較可靠；后者適合無交流220 V電源，或者電源太遠(yuǎn)，且不允許埋線施工的安裝點(diǎn)。太陽能方式要考慮到安裝地點(diǎn)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(shè)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(hù)措施。加裝防雷裝置時，如果不能深埋接地網(wǎng)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(diǎn)[5]。除了對測流儀設(shè)備單體，還應(yīng)該對工控機(jī)、顯示器、電源適配器、轉(zhuǎn)換器、各通信接口等進(jìn)行防護(hù)，如在工控機(jī)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(shè)備安裝運(yùn)行還需要考慮可靠性、可維修性，海洋聲學(xué)設(shè)備一般安裝在港口碼頭等遠(yuǎn)離城市，維修維護(hù)一般都不方便，因此提高設(shè)備可靠性可減少維修維護(hù)成本。安裝地點(diǎn)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(jī)柜，便于維護(hù)調(diào)試；在碼頭側(cè)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(shè)備時線纜的拆除，避免多次重復(fù)拆裝。

3 總結(jié)

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

3.1 建議增加施工前調(diào)研力量投入

針對某項目的安裝環(huán)境，在安裝前期應(yīng)充分調(diào)研，了解當(dāng)?shù)鼗经h(huán)境，根據(jù)環(huán)境條件設(shè)計施工方案，搜集多方信息，并對可能出現(xiàn)的情況做好各種預(yù)案，同時請產(chǎn)品制造方、施工方、使用方等相關(guān)專家對安裝方案進(jìn)行充分討論，盡可能考慮全面，開工后少改動、少返工。在現(xiàn)場進(jìn)行方案調(diào)整和更改存在較大的不確定性，影響施工周期并且耗費(fèi)人力物力。因此在設(shè)計新方案時盡可能提前進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確保穩(wěn)定可靠。

3.2 安裝結(jié)構(gòu)件盡量通用、簡便、安全

采用的安裝結(jié)構(gòu)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(shè)計中盡量簡化安裝施工過程，應(yīng)盡可能考慮常用工具及材料的準(zhǔn)備，有針對性的設(shè)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(shè)備安裝影響較大，安裝結(jié)構(gòu)件的安全系數(shù)需加大。對于未知的環(huán)境因素不應(yīng)抱有僥幸心理，設(shè)計驗(yàn)算需有充分的計算理論或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)作為依托。