放射性液位計(jì)在尿素裝置中的應(yīng)用

摘 要：在工業(yè)自動(dòng)化儀表中，測(cè)量物位的儀表種類很多，但是對(duì)于某些高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕、劇毒、粘滯性、易結(jié)晶等介質(zhì)，特別是高溫熔融金屬、粉塵等固體的物位測(cè)量，常規(guī)方法很難實(shí)現(xiàn)，而放射性儀表可以解決這類技術(shù)難題。本文介紹了放射性物位計(jì)的特點(diǎn)、工作原理、測(cè)量系統(tǒng)的組成，闡述了放射性物位計(jì)的選用原則，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)對(duì)放射性液位的測(cè)量安裝方式和安全防護(hù)措施等問題進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：物位測(cè)量；尿素裝置；放射源；探測(cè)器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.241

0 引言

在尿素裝置中，合成塔（R-101）和汽提塔（E-101）是尿素生產(chǎn)工藝過程中最為重要的核心設(shè)備，設(shè)備內(nèi)均為高溫、高壓、易結(jié)晶，并且?guī)в袕?qiáng)腐蝕性的介質(zhì)。

選用何種類型的物位測(cè)量儀表才能在這種嚴(yán)苛的工況條件下準(zhǔn)確測(cè)量設(shè)備內(nèi)介質(zhì)的物位呢？

1 概述

工業(yè)自動(dòng)化儀表中的物位測(cè)量儀表種類較多，方法不同，各有各的適用場(chǎng)合。

對(duì)于某些高溫、高壓容器、強(qiáng)腐蝕、劇毒、有爆炸性、黏滯性、易結(jié)晶或沸騰狀態(tài)的介質(zhì)，以及高溫融熔金屬、煤粉等固體，或特殊結(jié)構(gòu)設(shè)備的物位測(cè)量，常規(guī)方法很難實(shí)現(xiàn)。

放射性液位計(jì)的測(cè)量是非接觸式的。無需在被測(cè)設(shè)備上開孔、打眼、進(jìn)行改造，安裝十分方便。投入使用以后，基本不需要維護(hù)。因此，此類核輻射式物位測(cè)量儀能夠很好的解決以上工況的物位測(cè)量難題。

2 測(cè)量原理

放射性液位計(jì)測(cè)量原理利用同位素技術(shù)，基于射線吸收原理，放射性同位素 Co60 或 Cs137 衰變時(shí)可產(chǎn)生γ射線，γ射線穿透物質(zhì)時(shí)，由于光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)的生成，γ射線將被物質(zhì)的原子散射和吸收，造成γ射線衰減。其強(qiáng)度隨吸收物質(zhì)的厚度（或高度）作指數(shù)規(guī)律的變化。實(shí)踐證明，射線的強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律減弱，有如下關(guān)系式：

I = I0e-μρd

式中，

I0是未經(jīng)被測(cè)物料衰減時(shí)測(cè)到的射線信號(hào)，

I是經(jīng)過被測(cè)物料衰減以后測(cè)到的射線信號(hào)，

μ是被測(cè)物料對(duì)射線的質(zhì)量吸收系數(shù)，

ρ是被測(cè)物料的密度，

d是射線穿過被測(cè)物料的距離。

對(duì)于確定的測(cè)量對(duì)象，I0 和μ、ρ都是不變的常量，因此通過測(cè)量I，就可以得到射線穿過被測(cè)物料的距離d。

典型測(cè)量方式如圖1所示：

放射源和探測(cè)器分別安裝在被測(cè)設(shè)備兩側(cè)的設(shè)定地方（根據(jù)不同情況，放射源或探測(cè)器也可置于被測(cè)設(shè)備里面，或者安裝于設(shè)備的上下方）。探測(cè)器的主要組成部分是閃爍晶體、光電倍增管、高壓電路、前放電路。當(dāng)待測(cè)物料高度發(fā)生變化時(shí)，在探測(cè)器一方，到達(dá)它的射線強(qiáng)度就會(huì)隨之變化。進(jìn)入探測(cè)器里的γ射線被閃爍晶體接收，將它轉(zhuǎn)換成微弱的閃爍光子，再由光電倍增管將它轉(zhuǎn)換成電流脈沖信號(hào)，送給前放電路處理（放大、甄別、整形）。高壓電路負(fù)責(zé)提供光電倍增管工作所必需的直流高壓，范圍一般在800～1300V。探測(cè)器出來的電脈沖信號(hào)經(jīng)專用電纜送到主機(jī)，由主機(jī)進(jìn)行處理，最后給出對(duì)應(yīng)于液位變化的顯示信號(hào)或者標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號(hào)。

3 測(cè)量系統(tǒng)的組成

放射性液位計(jì)一般由放射源、探測(cè)器和信號(hào)處理單元三大部分組成。放射源一般選擇同位素 Cs137 或 Co60。Cs137 半衰期為 30.17 年，穿透性差一些。Co60 半衰期為5.27 年，穿透性強(qiáng)。放射源的選擇要綜合考慮被測(cè)介質(zhì)的密度、容器的材料和壁厚及直徑等因素，要求強(qiáng)度大的或被測(cè)介質(zhì)密度低、測(cè)量范圍小的可選用 Cs137，大直徑厚壁容器要求穿透能力強(qiáng)的可選用 Co60。

放射源有點(diǎn)狀源和棒狀源之分。Cs137 一般為點(diǎn)源，也很難做成連續(xù)的棒狀源，而 Co60 既可做點(diǎn)源又可做棒狀源。點(diǎn)源常常需要大的輻射強(qiáng)度，要多考慮安全防護(hù)問題。棒狀源可盡可能減小所需的輻射強(qiáng)度但制造難度大，尤其是非線性分布的棒狀源。放射源均應(yīng)是符合要求的密封源，一般外部安裝方式均有帶鎖且可開啟輻射窗口的射線屏蔽層（鉛屏蔽等），內(nèi)插安裝時(shí)要設(shè)計(jì)有放射源保護(hù)套管。

探測(cè)器接受穿透介質(zhì)后的剩余射線，常用類型有蓋革管、電離室和閃爍計(jì)數(shù)器，也分點(diǎn)狀接受器和棒狀接受器。

信號(hào)處理單元HZ-5203B型微機(jī)放射性液位計(jì)由天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院生產(chǎn)，由于使用了單片機(jī)，可以對(duì)被測(cè)信號(hào)大范圍地進(jìn)行線性化處理；也可由一個(gè)轉(zhuǎn)換器分別帶 l～3只探測(cè)器，進(jìn)行大范圍的測(cè)量。

4 安裝及應(yīng)用

主機(jī)安裝于儀表控制室里，探測(cè)器部分和放射源部分安裝在被測(cè)設(shè)備內(nèi)外兩側(cè)，主機(jī)和探測(cè)器之間用專用電纜連接，最遠(yuǎn)傳輸距離500米。

（1）主機(jī)的安裝。液位計(jì)的主機(jī)采用盤裝式結(jié)構(gòu)。

外形尺寸：144（寬）×96（高）×400 mm（長）。前面板布置如圖 2所示。

其中，數(shù)碼顯示管在測(cè)量狀態(tài)下用來顯示液位的具體高度，可以是絕對(duì)高度，也可出是相對(duì)高度；在標(biāo)定、檢驗(yàn)狀態(tài)下，數(shù)碼顯示管用來顯示各個(gè)項(xiàng)序號(hào)及其參數(shù)值。四個(gè)指示燈中，數(shù)碼管左側(cè)的兩個(gè)，當(dāng)儀表處于測(cè)量狀態(tài)時(shí)，“測(cè)量”指示燈亮，當(dāng)儀表處于標(biāo)定、檢驗(yàn)狀態(tài)時(shí)，“標(biāo)檢”指示燈亮。數(shù)碼管右側(cè)的兩個(gè)指示燈中，當(dāng)液位超出上限或低于下限時(shí)，“越限”指示燈亮，當(dāng)出現(xiàn)標(biāo)定參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤等故障時(shí)，“故障”指示燈亮。下面的一排光柱可按照百分比模擬指示液位的位置。

（2）放射源的安裝。我公司放射源選用Cs137點(diǎn)源進(jìn)行液位測(cè)量，采用內(nèi)置放射源的測(cè)量方式，放射源容器固定在設(shè)備外部。測(cè)量時(shí)通過手柄將放射源推進(jìn)盲管內(nèi)，遇有設(shè)備檢修或其它需要搬移開放射源的情形時(shí)，通過手柄將放射源拉出，置于放射源容器內(nèi)，放射源便處在完全的密封狀態(tài)下，進(jìn)而進(jìn)行相關(guān)操作。采用內(nèi)置方式可減低使用放射源的強(qiáng)度，減低成本。

（3）探測(cè)器的安裝。探測(cè)器防爆等級(jí)為：ExdⅡCT5。探測(cè)器可以水平安裝，也可以豎直安裝。豎直安裝時(shí)，最好使法蘭蓋一端朝下，以避免進(jìn)水。探測(cè)器自帶一小連接架，與現(xiàn)場(chǎng)制作的探測(cè)器支架連接，用螺栓將二者連接在一起。探測(cè)器外形如圖4所示。

5 實(shí)際應(yīng)用中遇到的問題及解決措施

放射性液位計(jì)自安裝運(yùn)行投用以來，一直安全使用，準(zhǔn)確測(cè)量。但是在實(shí)際運(yùn)行過程中也出現(xiàn)了一些故障現(xiàn)象。

（1）雷擊對(duì)二次儀表及現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)器的影響。故障現(xiàn)象：當(dāng)有雷擊現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，強(qiáng)大的瞬時(shí)電流會(huì)突然擊穿探測(cè)器的光電倍增管，造成探測(cè)器不能把吸收到的γ射線轉(zhuǎn)換成為電流脈沖信號(hào)，導(dǎo)致二次儀表測(cè)量失真。同時(shí)，強(qiáng)大的電流也會(huì)損害二次儀表的工作電路板。解決措施：①進(jìn)一步完善二次儀表及現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)器的接地系統(tǒng)，使其接觸良好，工作可靠；②在二次儀表的供電回路中增設(shè)浪涌保護(hù)器，使系統(tǒng)的元器件不會(huì)受到強(qiáng)大電流的沖擊；③單獨(dú)為探測(cè)器提供獨(dú)立電源，不由二次儀表直接供電。處理結(jié)果：經(jīng)過一系列的整改措施，測(cè)量系統(tǒng)受雷擊的影響大大減小，保證了放射性液位計(jì)測(cè)量的準(zhǔn)確性。

（2）現(xiàn)場(chǎng)干擾信號(hào)影響測(cè)量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。故障現(xiàn)象：當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)干擾信號(hào)時(shí)（如探傷的X射線、強(qiáng)電磁場(chǎng)信號(hào)等），液位測(cè)量波動(dòng)較大，影響尿素系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。解決措施：在探測(cè)器的周圍設(shè)置5㎜厚的鉛板，盡可能降低外界干擾信號(hào)對(duì)探測(cè)器的影響。處理結(jié)果：增設(shè)鉛板對(duì)外界的干擾信號(hào)有一定的屏蔽作用，液位的波動(dòng)較之前相比有所減小，但是不能徹底解決這一問題。

6 放射源的安全使用

（1）使用的放射源出廠前必須經(jīng)過有關(guān)職能部門檢測(cè)，容器表面及對(duì)周圍環(huán)境的輻射劑量，符合國家規(guī)定的安全標(biāo)準(zhǔn)。（2）購進(jìn)含放射性同位素的儀表時(shí)，應(yīng)事先向所在地環(huán)保部門辦理準(zhǔn)購批件。（3）放射源的使用應(yīng)遵照國標(biāo) GB4792及國務(wù)院449號(hào)令《放射性同位素與射線裝置安全和防護(hù)條例》的有關(guān)規(guī)定。（4）放射源應(yīng)設(shè)有專職人員管理，嚴(yán)格收發(fā)手續(xù)，防止差錯(cuò)和丟失事故。（5）廢棄不用的放射源，應(yīng)按照規(guī)定由專門機(jī)構(gòu)進(jìn)行處理，不得隨意處置或者丟棄。

7 結(jié)束語

放射性液位計(jì)由于其自身的特點(diǎn)適用于高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕、劇毒、粘滯性、易結(jié)晶等特殊場(chǎng)合的物位測(cè)量，解決了流程工業(yè)中的許多技術(shù)難題。根據(jù)測(cè)量條件和安全合理原則，選擇放射源的種類和強(qiáng)度，嚴(yán)格操作，精心維護(hù)，安全使用，使放射性液位計(jì)在大型化工生產(chǎn)中得到更加有效的應(yīng)用。

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作者簡介：張俊峰（1986-），男，本科，助理工程師，主任工程師，主要從事儀表車間自動(dòng)化儀表的技術(shù)管理工作。