放射性料位計(jì)在丙烷脫氫裝置中的應(yīng)用

王廣為

(華陸工程科技有限責(zé)任公司，陜西西安710065)

在工業(yè)生產(chǎn)中，料位的監(jiān)測(cè)與控制占有很重要的地位。料位計(jì)的種類很多，例如直讀式、浮標(biāo)式、差壓式、電容式、電感式和γ射線式等，其中γ射線料位計(jì)具有非接觸式測(cè)量的特點(diǎn)，它既可以測(cè)量液位，也可以測(cè)量料位，安裝簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，而且還可以用于其他料位計(jì)難以應(yīng)用甚至不能應(yīng)用的場(chǎng)合[1]。隨著化工生產(chǎn)過程越來越復(fù)雜化、多樣化，在高溫、易爆的工況下對(duì)黏附性大、腐蝕性大、毒性大，顆粒狀和粉粒狀物料的料位測(cè)量已經(jīng)成為普遍難題。某丙烷脫氫裝置的催化劑緩沖料斗需要測(cè)量料位，工藝介質(zhì)主要為1.6 mm直徑的球體催化劑，上部為N2，H2，烴類混合物并漂浮著少量催化劑粉塵。因此，常規(guī)的接觸式測(cè)量?jī)x表難以滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量精度要求，使得緩沖料斗的料位測(cè)量成為難題，只能使用非接觸式測(cè)量?jī)x表[2-3]。本文通過對(duì)放射性料位計(jì)選型、配置和安裝應(yīng)用情況進(jìn)行研究，希望對(duì)類似工況的料位測(cè)量?jī)x表的選型提供參考。

1 放射性料位計(jì)的組成和原理

放射性料位計(jì)由放射源、探測(cè)器和二次儀表組成。放射性料位計(jì)利用放射源產(chǎn)生的γ射線穿過被測(cè)容器和容器中的介質(zhì)時(shí)，射線被不同高度的介質(zhì)所吸收，測(cè)量到因被吸收而衰減的射線強(qiáng)度就可得到相應(yīng)的料位[4]。

1.1 放射源

γ射線料位計(jì)所使用的放射源一般為原子反應(yīng)堆生產(chǎn)的放射性同位素鈷-60(60Co)或銫-137(137Cs)。放射源本身很小，通常情況下1根直徑只有1 mm、長(zhǎng)度1～2 cm的鈷絲就可以用作放射源進(jìn)行測(cè)量[5]。137Cs和60Co的主要區(qū)別有以下幾個(gè)方面：

1)137Cs放出的射線能量只有0.661 MeV一種，而60Co放出的射線能量有1.170 MeV和1.330 MeV兩種。

2)上述兩種射線源對(duì)銅和鋼板的穿透能力差別不大，對(duì)于鉛，137Cs易被屏蔽，50 mm厚的鉛板可將137Cs的劑量降低至0.5%，而60Co只能降低至8.3%，因此采用137Cs作為放射源更安全。

3)137Cs的熔點(diǎn)為2 070 ℃，60Co的熔點(diǎn)為1 495 ℃。

4)137Cs的半衰期為30 a，60Co的半衰期為5.3 a。相對(duì)60Co來說137Cs使用壽命更長(zhǎng)，如果想達(dá)到同樣的屏蔽效果，137Cs的源罐質(zhì)量約為60Co源罐質(zhì)量的20%～33%，因此采用137Cs作為放射源，也在某種程度上方便儀器的拆裝和保護(hù)[4]。

1.2 探測(cè)器

探測(cè)器通常有以下幾種： GM計(jì)數(shù)管、電離室、閃爍晶體檢測(cè)器和柔性光纖檢測(cè)器。GM計(jì)數(shù)管的特點(diǎn)是體積小、成本低、效率低；電離室的特點(diǎn)是體積大、效率高、成本高；閃爍晶體檢測(cè)器的效率在20%～40%，計(jì)數(shù)率較高；柔性光纖檢測(cè)器是利用光纖做成直徑為25 mm的光纜，技術(shù)上比電離室的效率高且光纜長(zhǎng)度更長(zhǎng)，但是其檢測(cè)效率僅為閃爍晶體檢測(cè)器的10%～20%[6]。目前最常用的探測(cè)器為閃爍晶體加光電倍增管型，當(dāng)γ射線射到閃爍晶體材料時(shí)，會(huì)激發(fā)微弱的輝光，當(dāng)介質(zhì)物料增加時(shí)，輻射被過程介質(zhì)吸收后衰減，到達(dá)探測(cè)器的射線就減少，導(dǎo)致產(chǎn)生的輝光脈沖減少。光電倍增管和相關(guān)的探測(cè)器電路將輝光脈沖轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，在一體式探測(cè)器中該信號(hào)被電路處理，最終對(duì)應(yīng)測(cè)量介質(zhì)料位并產(chǎn)生測(cè)量值[7]。

1.3 二次儀表

二次儀表由脈沖放大器、補(bǔ)償電路、轉(zhuǎn)換顯示單元和電源部分組成。脈沖放大器起脈沖放大和整形作用。補(bǔ)償電路分兩個(gè)部分： 一部分補(bǔ)償測(cè)量線性，另一部分補(bǔ)償放射源隨時(shí)間的強(qiáng)度衰減信號(hào)。轉(zhuǎn)換顯示單元中包含輸出報(bào)警繼電器回路，可設(shè)定上下限報(bào)警[8]。

2 緩沖料斗放射性料位計(jì)的設(shè)計(jì)選型

某項(xiàng)目丙烷脫氫裝置中，共涉及10套放射性料位開關(guān)和7套連續(xù)量放射性料位計(jì)。以催化劑緩沖料斗為例，需要為該緩沖料斗設(shè)計(jì)1套連續(xù)量放射性料位計(jì)(LE/LT-03004)，DCS需要實(shí)時(shí)監(jiān)控該料位計(jì)的變化來判斷該緩沖料斗的進(jìn)料速度，從而控制緩沖料斗的頂部進(jìn)料V型球閥的給料速度。

1)催化劑緩沖料斗的參數(shù)。設(shè)備操作溫度為66 ℃，操作壓力為5 kPa，工藝介質(zhì)主要為直徑1.6 mm球體催化劑，設(shè)備上部為N2，H2，烴類混合物并漂浮著少量催化劑粉塵，設(shè)備本身無隔熱層，材質(zhì)為鎮(zhèn)靜碳鋼(Q345R)。

2)對(duì)放射性料位計(jì)要求。測(cè)量精度為±1%，時(shí)間常數(shù)為12 s。

3)設(shè)備尺寸。設(shè)備內(nèi)壁直徑d=3.2 m，壁厚d1=14 mm，放射源距設(shè)備外壁距離d2=50 mm，探測(cè)器距設(shè)備外壁距離d3=50 mm，最低料位L3=820 mm，最高料位L4=5.5 m。

結(jié)合該緩沖料斗的基本信息，由于設(shè)備本身不是很大，壁厚較薄，且對(duì)料位的測(cè)量精度和時(shí)間常數(shù)要求不是十分苛刻，因此采用放射性料位計(jì)中最傳統(tǒng)的點(diǎn)源加棒探測(cè)器的測(cè)量方式。連續(xù)量放射性料位計(jì)初步配置如圖1所示。

圖1 連續(xù)量放射性料位計(jì)初步配置示意注： L1——單個(gè)放射源射線所照射到的料位高度，mm；α——射束角，(°)

2.1 安裝方式

放射源與探測(cè)器分別安裝在料斗的兩側(cè)。

2.2 放射源種類及數(shù)量的選擇

結(jié)合工廠需要以及放射源防護(hù)方便程度，選擇137Cs作為點(diǎn)放射源。對(duì)于料位連續(xù)測(cè)量，不同廠家的射束角α略有所不同，大多數(shù)廠家的點(diǎn)放射源的射束角有30°，40°，45°，60°可以選擇。該項(xiàng)目中選擇射束角為45°，因此射線范圍構(gòu)成了1個(gè)等腰直角三角形，料位連續(xù)測(cè)量時(shí)放射源的個(gè)數(shù)n1為

n1=(L4-L3)/L1

(1)

其中，L1可根據(jù)放射源的放射角度計(jì)算得出，即：

L1=(d+2d1+d2+d3)tagα

(2)

將各數(shù)值帶入式(1)～式(2)中可求得點(diǎn)放射源個(gè)數(shù)n1=1.41，圓整后n1=2，即需要2個(gè)點(diǎn)放射源。

大多情況下，放射源和探測(cè)器分別安裝在容器的兩側(cè)。有時(shí)容器的直徑和介質(zhì)吸收系數(shù)過大，需要使用很大劑量的放射源，而放射源劑量過大會(huì)對(duì)人身安全造成隱患；有的情況下可把放射源置于容器的內(nèi)部，探測(cè)器置于容器的一側(cè)，這樣可以達(dá)到減少放射源劑量的目的[2]。

2.3 探測(cè)器種類及數(shù)量的選擇

根據(jù)上述相關(guān)信息，該項(xiàng)目采用目前最常用的閃爍晶體作為棒探測(cè)器。

當(dāng)棒探測(cè)器的物理連接沒有重疊部分時(shí)，對(duì)于料位連續(xù)測(cè)量，棒探測(cè)器的數(shù)量n2為

n2=(L4-L3)/Ln

(3)

式中：Ln——棒探測(cè)器的長(zhǎng)度，mm。

根據(jù)式(3)，L4-L3=4.68 m,由于目前各放射性料位計(jì)廠家的閃爍晶體探測(cè)器最長(zhǎng)約3.66 m，因此計(jì)算出探測(cè)器數(shù)量n2=2。經(jīng)過與廠家的協(xié)商，最終采用長(zhǎng)度分別為3.35 m和2.13 m 2根棒探測(cè)器，上下布置。

2.4 放射源需要的射線強(qiáng)度

確定γ放射性料位計(jì)的安裝方式后，根據(jù)測(cè)量精度和儀表反應(yīng)速度(即時(shí)間常數(shù))的要求，可以決定脈沖計(jì)數(shù)率；由探測(cè)器與源之間的距離，探測(cè)器的探測(cè)效率以及γ射線束在被測(cè)設(shè)備、被測(cè)介質(zhì)中的衰減情況，即可算出所需放射源射線強(qiáng)度I為[3]

I=(n+2n本)L2Kk(μ，d)ξ

(4)

式中：I——射線強(qiáng)度，mCi；n——脈沖計(jì)數(shù)率，脈沖數(shù)/s；n本——探測(cè)器的本底計(jì)數(shù)率，脈沖數(shù)/s；L——放射源與探測(cè)器之間的距離，m；K——探測(cè)器的測(cè)量系數(shù)；k(μ，d)——γ射線束通過材料厚度為d時(shí)的減弱倍數(shù)；ξ——源強(qiáng)寬裕系數(shù)。

1)探測(cè)器的測(cè)量系數(shù)K。與探測(cè)元件種類、探測(cè)器有效探測(cè)面積和γ源種類等因素有關(guān)，但是各探測(cè)器制造商對(duì)不同的放射源和不同型號(hào)的探測(cè)器下的K均有定義，該項(xiàng)目中選用的探測(cè)器的K=1×10-3脈沖數(shù)/s。

2)脈沖計(jì)數(shù)率n。與測(cè)量精度和時(shí)間常數(shù)有關(guān)，這2個(gè)參數(shù)對(duì)放射源的射線強(qiáng)度計(jì)算影響很大，同樣的設(shè)備、探測(cè)器、測(cè)量介質(zhì)及安裝方式，采用不同的測(cè)量精度和時(shí)間常數(shù)，所計(jì)算出來的源強(qiáng)可以相差數(shù)倍，甚至上百上千倍[3]：

n=1/2E2τ

(5)

式中：E——測(cè)量精度，%；τ——時(shí)間常數(shù)，s。

將測(cè)量精度和時(shí)間常數(shù)代入式(5)，得到n=417脈沖數(shù)/s。

3)本底計(jì)數(shù)率n本。閃爍晶體探測(cè)器本底計(jì)數(shù)率的大小不僅與γ射線的天然本底有關(guān)，而且與閃爍晶體的幾何尺寸、光電倍增管的種類、光電倍增管所加工作壓力和計(jì)數(shù)電路的甄別閾等因素有關(guān)，其具體數(shù)字需要實(shí)驗(yàn)確定。該項(xiàng)目中，閃爍計(jì)數(shù)器的n本約為100脈沖數(shù)/s。

4)減弱倍數(shù)k(μ，d)。該項(xiàng)目中設(shè)備采用鎮(zhèn)靜碳鋼，可參考137Cs在鐵中的減弱倍數(shù)，該處取k(μ，2.8 cm)約為2.1。

5)源強(qiáng)寬裕系數(shù)ξ。該項(xiàng)目中采用137Cs作為放射源，半衰期為30 a，且該料斗中上部氣相基本為氮?dú)夂痛呋瘎┓蹓m，因此對(duì)射線強(qiáng)度的減弱作用不明顯，ξ取為1.4。

將上述各數(shù)值代入式(4)，求得I=19.92 mCi，取整后采用射線強(qiáng)度為20 mCi的2個(gè)137Cs點(diǎn)放射源。

3 緩沖料斗連續(xù)量放射性料位計(jì)的配置方案

根據(jù)上述原理及計(jì)算，連續(xù)量放射性料位計(jì)的配置方案見表1所列。

最終選用的連續(xù)料位計(jì)，放射源137Cs防護(hù)等級(jí)IP68，一體化探測(cè)器采用PVT閃爍晶體，探測(cè)器直流供電為24 V，功耗17 W，防護(hù)等級(jí)IP67，防爆等級(jí)Ex d IICT6，輸出4～20 mA信號(hào)并帶HART協(xié)議。

由于該項(xiàng)目探測(cè)器為上下布置的多棒探測(cè)器，棒探測(cè)器的射程范圍會(huì)有疊加區(qū)域，需對(duì)該部分區(qū)域進(jìn)行線性補(bǔ)償。

表1 連續(xù)量放射性料位計(jì)配置方案

4 放射源安全防護(hù)及儲(chǔ)存

為了保障工作人員的健康和安全，保護(hù)環(huán)境，國(guó)家對(duì)于射線的安全、衛(wèi)生防護(hù)制定了一系列的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。只要嚴(yán)格地遵循指定的標(biāo)準(zhǔn)和防護(hù)規(guī)定，就可確保人身的健康和安全。

4.1 合理選源

參照國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)的相關(guān)規(guī)定，按照放射源對(duì)人體健康和環(huán)境的潛在危害程度，將放射源分為5類，結(jié)合常見的用于放射性料位計(jì)的137Cs和60Co兩種放射源，對(duì)應(yīng)分類見表2所列。

表2 137Cs和60Co放射源分類

在設(shè)計(jì)放射源強(qiáng)度、考慮安裝方式和衛(wèi)生防護(hù)時(shí)，不能一味地加大放射源強(qiáng)度來追求高精度和儀表靈敏度，否則帶來的不僅是資源和資金的浪費(fèi)，根據(jù)《放射性同位素與射線裝置安全和防護(hù)條例》中的規(guī)定，不同分類的放射源在使用、存儲(chǔ)、廢舊放射源的回收、可能造成的事故等級(jí)，以及造成相應(yīng)事故后的處罰辦法等方面都有區(qū)別。因此合理選擇放射源的種類和源強(qiáng)是γ射線儀表防護(hù)中的首要問題，另外在滿足工藝生產(chǎn)要求的前提下，也應(yīng)當(dāng)合理地選擇安裝方式和儀表參數(shù)。

從表2中可以看出，該項(xiàng)目最終選擇強(qiáng)度為20 mCi的137Cs，屬于V類放射源。

4.2 安全防護(hù)

由于人體受射線照射所積累的劑量當(dāng)量與受照時(shí)間成正比，所以縮短被射線照射的時(shí)間也是射線防護(hù)的重要方法。因此，要求工作人員少在放射源附近逗留，無關(guān)人員無故不要到放射源附近的地方去，在操作、安裝放射源時(shí)，要求技術(shù)熟練、動(dòng)作迅速、輪換操作等，都是從縮短與射線接觸時(shí)間的角度來減少累積劑量的辦法[9]。另外，由于射線對(duì)人體的照射率與人體離放射源的距離的平方成反比，因此操作放射源時(shí)利用長(zhǎng)柄鉗等遠(yuǎn)距離操作工具，在放射源附近設(shè)置安全區(qū)，并在安全區(qū)的便捷處設(shè)置明顯的標(biāo)志等，這些措施都是從距離防護(hù)的觀點(diǎn)來降低射線照射量的方法。

除此之外，利用射線通過物質(zhì)時(shí)的衰減性能，在人體和放射源之間設(shè)置屏蔽物以降低射線的照射度，是γ射線防護(hù)中十分重要的手段。屏蔽物質(zhì)的密度越大，則屏蔽防護(hù)的效果越好，因此常用鉛、鐵作為屏蔽材料。從經(jīng)濟(jì)方便的角度來考慮，也可使用磚石、泥沙、混凝土等材料，137Cs和60Co放射源γ射線在不同屏蔽材料中的減弱效果見表3所列。

表3 137Cs和60Co放射源在不同屏蔽材料中的減弱倍數(shù)與屏蔽材料厚度的關(guān)系 cm

表4中μSV/h為劑量當(dāng)量率的單位，專門用于衡量輻射對(duì)生物組織的傷害，定義為1 SV=1 J/kg。從事輻射工作的人員，年劑量限值為50 mSV。

表4 不同使用場(chǎng)所對(duì)檢測(cè)儀表外圍輻射的劑量當(dāng)量率要求 μSV/h

根據(jù)表4中的要求，該項(xiàng)目放射性料位計(jì)的使用場(chǎng)所為二級(jí)，通過在放射源外增加適當(dāng)厚度的鉛罐后，將放射源5 cm周圍的劑量當(dāng)量率降為6.04 μSV/h，放射源1 m周圍的劑量當(dāng)量率降為0.18 μSV/h，這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)均滿足表4中二級(jí)對(duì)應(yīng)的劑量當(dāng)量率要求。因此，該項(xiàng)目中儀表選型是合理的，采取的衛(wèi)生防護(hù)措施也是安全可靠的。

此外，該項(xiàng)目中每個(gè)放射源鉛盒的照射孔處還設(shè)置了一個(gè)可移動(dòng)鉛塊，當(dāng)需要測(cè)量時(shí)，移動(dòng)鉛塊，打開照射孔，當(dāng)不需要測(cè)量時(shí)，移動(dòng)鉛塊，關(guān)閉照射孔。為了盡量縮短工作人員在放射源周邊的停留時(shí)間、增加操作距離，為可移動(dòng)鉛塊連接1臺(tái)雙作用氣缸型執(zhí)行機(jī)構(gòu)和1臺(tái)兩位五通電磁閥，并配備了2個(gè)限位開關(guān)，采用儀表空氣作為動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)了控制室遠(yuǎn)程控制可移動(dòng)鉛塊來打開或者關(guān)閉照射孔，通過限位開關(guān)來查看照射孔的打開或者關(guān)閉狀態(tài)。

5 結(jié)束語

放射性料位計(jì)作為一種非接觸式料位測(cè)量?jī)x表，由于其放射源會(huì)對(duì)人員安全造成威脅，因此選用時(shí)需要慎重，在使用時(shí)必須嚴(yán)格遵守相關(guān)國(guó)家法律法規(guī)和安全衛(wèi)生防護(hù)規(guī)定，需要注意的是，有些地方對(duì)放射源的安全衛(wèi)生防護(hù)要求高于國(guó)家規(guī)定，因此在設(shè)計(jì)選型以及檢驗(yàn)和儲(chǔ)存時(shí)，還應(yīng)認(rèn)真研讀地方法規(guī)，及時(shí)與地方環(huán)保部門溝通。通過對(duì)放射性料位計(jì)的設(shè)計(jì)選型、配置、安裝和校驗(yàn)的研究，對(duì)相關(guān)放射性料位計(jì)的應(yīng)用提供一定的參考和借鑒。