罐車用側(cè)裝式浮球液位計(jì)檢驗(yàn)現(xiàn)狀及檢驗(yàn)裝置探討

馬中強(qiáng)，王 恒，黃小宇，崔仕博，吳彥峰

(1. 天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 天津 300192； 2. 國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(特種設(shè)備數(shù)字孿生共性技術(shù)) 天津 300192)

0 引言

液位計(jì)是一種安裝在壓力容器上能夠連續(xù)測(cè)量液面高度的儀表，在石油化工行業(yè)應(yīng)用十分廣泛。液位計(jì)的計(jì)量性能關(guān)系到產(chǎn)品交接過(guò)程中的準(zhǔn)確程度，對(duì)單位的效益和安全有重要影響。根據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)《液化氣體汽車罐車》(GB/T19905—2017)的相關(guān)規(guī)定[1]，罐體應(yīng)至少設(shè)置一個(gè)液位計(jì)，液化氣體汽車罐車有最大充裝量的要求，充裝低壓液化氣體介質(zhì)的罐體至少留有5%的氣相空間；充裝高壓液化氣體的罐車充裝非易燃易爆介質(zhì)時(shí)，當(dāng)介質(zhì)溫度升至其蒸氣壓達(dá)到安全閥的整定壓力的溫度時(shí)，在此溫度下液體體積應(yīng)不大于罐體幾何容積的98%；充裝易燃易爆介質(zhì)時(shí)，當(dāng)介質(zhì)溫度升至其蒸氣壓達(dá)到安全閥的整定壓力的溫度時(shí)，在此溫度下液體體積應(yīng)不大于罐體幾何容積的95%。

液化氣體汽車罐車盛裝介質(zhì)多為易燃、易爆、有毒有害介質(zhì)，一旦超裝發(fā)生泄漏、爆炸等事故，極易給社會(huì)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成重大損失。根據(jù)《移動(dòng)式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[2]和《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》[3]，每年都需要對(duì)汽車罐車進(jìn)行定期檢驗(yàn)，在定期檢驗(yàn)時(shí)要對(duì)液位計(jì)進(jìn)行檢查，以保證汽車罐車的安全運(yùn)行。

側(cè)裝式浮球液位計(jì)是近年來(lái)新出現(xiàn)的產(chǎn)品，安裝在汽車罐車筒體上，在檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其存在示數(shù)不準(zhǔn)、支撐件斷裂等問(wèn)題。同時(shí)，由于是新出現(xiàn)的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)形式與傳統(tǒng)液位計(jì)不同，目前尚無(wú)專用的檢驗(yàn)裝置。

1 液位計(jì)結(jié)構(gòu)

目前，液化氣體汽車罐車主要采用旋轉(zhuǎn)管式液位計(jì)、旋轉(zhuǎn)式浮球液位計(jì)和側(cè)裝式浮球液位計(jì)，前2種是傳統(tǒng)液位計(jì)，側(cè)裝式浮球液位計(jì)是近年來(lái)新出現(xiàn)的產(chǎn)品，其應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。

旋轉(zhuǎn)管式液位計(jì)是安裝在汽車罐車靠近罐體后封頭的軸線上，當(dāng)導(dǎo)管里端與液面齊平時(shí)，通過(guò)放氣閥排出的是氣液混合物，此時(shí)通過(guò)指針在刻度盤上的指示可知道罐中液體的位置。它是由放氣閥、法蘭、導(dǎo)管、刻度盤、壓蓋、鎖緊螺母、把手、指針等零部件組成的，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。

圖1 旋轉(zhuǎn)管式液位計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of rotary tubular liquid level gauge

旋轉(zhuǎn)式浮球液位計(jì)也是安裝在汽車罐車后封頭上，包括浮球組件、傳動(dòng)軸、配重塊、內(nèi)磁鋼、外 磁鋼、支架、法蘭座、指針等零部件，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示[5]。

圖2 旋轉(zhuǎn)式浮球液位計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of rotary floating ball level gauge

旋轉(zhuǎn)管式液位計(jì)、旋轉(zhuǎn)式浮球液位計(jì)都是安裝在罐車后部的封頭上，而側(cè)裝式浮球液位計(jì)與前兩者結(jié)構(gòu)有所不同，其安裝在罐車筒體中部，裝卸系統(tǒng)上方，儀表盤安裝在筒體側(cè)面，便于裝卸液時(shí)觀察液位，所有部件為純機(jī)械結(jié)構(gòu)，具有本質(zhì)安全性，浮球與儀表之間通過(guò)圓錐齒輪傳動(dòng)，工作可靠；浮球?yàn)殚L(zhǎng)圓形結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖3所示[6-7]。

圖3 側(cè)裝式液位計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural diagram of side-mounted liquid level gage

2 側(cè)裝式浮球液位計(jì)檢驗(yàn)現(xiàn)狀

天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院在對(duì)某公司所屬的20輛液化氣體汽車罐車進(jìn)行定期檢驗(yàn)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)多輛罐車存在液位計(jì)示數(shù)不歸零、支撐結(jié)構(gòu)斷裂等問(wèn)題，如圖4所示。

圖4 液位計(jì)缺陷示意圖Fig.4 Defects of liquid level gages

液位計(jì)示數(shù)不歸零可能是由于罐車長(zhǎng)期運(yùn)行后相互配合的2塊磁鐵發(fā)生錯(cuò)位造成的。而液位計(jì)支撐斷裂都是發(fā)生在支撐管與筒體連接位置開裂時(shí)，可能是由于罐車運(yùn)輸過(guò)程中液體發(fā)生晃動(dòng)，導(dǎo)致長(zhǎng)期 對(duì)支撐管進(jìn)行沖擊，進(jìn)而造成支撐管根部焊縫疲勞 開裂。

根據(jù)《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》[3]，檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)對(duì)汽車罐車進(jìn)行定期檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)對(duì)液位計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)，主要檢驗(yàn)各零部件有無(wú)損傷變形，表盤刻度不清楚應(yīng)當(dāng)更換；檢驗(yàn)浮球式液位計(jì)指示是否準(zhǔn)確，否則要進(jìn)行校正。目前對(duì)側(cè)裝式浮球液位計(jì)只能采用模擬法，利用鋼卷尺等工具對(duì)液位計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)，因缺乏專業(yè)的檢驗(yàn)裝置，檢測(cè)精度不高。針對(duì)傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)管式液位計(jì)和旋轉(zhuǎn)式浮球液位計(jì)，黃小宇等[8]設(shè)計(jì)了一套液位計(jì)檢測(cè)與校準(zhǔn)裝置，在不借助校驗(yàn)介質(zhì)的情況下，利用壓力傳感器和角度儀代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼卷尺等測(cè)量工具，通過(guò)數(shù)據(jù)采集和計(jì)算對(duì)液位計(jì)精度進(jìn)行了評(píng)定，提高了檢測(cè)效率。

3 液位計(jì)檢驗(yàn)裝置現(xiàn)狀

液位計(jì)根據(jù)工作原理可以分為以下幾類：浮力式、聯(lián)通式、反射式等，罐車用旋轉(zhuǎn)式浮球液位計(jì)和側(cè)裝式浮球液位計(jì)都是利用浮力原理設(shè)計(jì)的，根據(jù)最新發(fā)布實(shí)施的《液位計(jì)檢定規(guī)程》(JJG 971—2019)[9]，液位計(jì)檢定方式有2種，一種是橫式液位模擬檢定，另一種是立式液位檢定。

目前國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)針對(duì)不同類的液位計(jì)開發(fā)了相應(yīng)的檢驗(yàn)裝置。河北省計(jì)量院廊坊分院吉喆等[10]研制了一種液位計(jì)自動(dòng)檢定裝置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)浮子式、反射式、壓力式、浮筒式、浮球式液位計(jì)的自動(dòng)檢定，但是它只適用于垂直方向浮動(dòng)的浮球式液位計(jì)，不適用于旋轉(zhuǎn)式浮球液位計(jì)，并且液位計(jì)均需拆卸后檢驗(yàn)。國(guó)家大容量第一計(jì)量站張永波等[11]設(shè)計(jì)了一種立式儲(chǔ)罐用自動(dòng)類型液位計(jì)檢定裝置，該裝置由激光干涉儀、自由態(tài)雙浮子和25m高立式儲(chǔ)罐構(gòu)成，模擬浮球液位計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境和工作狀態(tài)，在立式儲(chǔ)罐頂部安裝激光干涉儀和待檢液位計(jì)，通過(guò)檢定裝置的測(cè)量值和待檢液位計(jì)測(cè)量值之間的差值得到待檢液位計(jì)的最大允許誤差。該裝置是一種豎向的檢定裝置，量程能夠覆蓋12～25m范圍，但也是只適用于在垂直方向移動(dòng)的浮子式液位計(jì)，并且液位計(jì)需要拆卸后檢驗(yàn)。王德利等[12]針對(duì)液位計(jì)檢測(cè)是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下完成，而現(xiàn)場(chǎng)安裝完成以后受安裝精度的影響導(dǎo)致浮子式液位計(jì)在實(shí)際使用中出現(xiàn)了計(jì)量不可靠的問(wèn)題，為此設(shè)計(jì)了一套浮子式液位計(jì)原位校準(zhǔn)系統(tǒng)確保液位計(jì)安裝后的精度準(zhǔn)確可靠，但液位計(jì)仍需拆卸。上海市計(jì)量院章天霈等[13]對(duì)無(wú)法拆卸和送檢的液位計(jì)提出了一種新的針對(duì)磁性液位計(jì)的模擬檢測(cè)方法，通過(guò)精確標(biāo)記V形磁鐵移動(dòng)距離提高測(cè)量準(zhǔn)確度，并代替水箱法檢測(cè)，但同樣無(wú)法適用于浮球式液位計(jì)。鐘晨[14]依據(jù)液位計(jì)檢定規(guī)程和等精度量值傳遞原理，針對(duì)20m以下的大型油罐設(shè)計(jì)了一套基于激光測(cè)距儀與參考板的雷達(dá)液位計(jì)在線檢定與校準(zhǔn)裝置，能夠在現(xiàn)場(chǎng)使用，具有便攜性。新疆計(jì)量測(cè)試研究院塔依爾·斯拉普力等[15]采用高精度激光距離傳感器作為主標(biāo)準(zhǔn)器和控制器，研制了導(dǎo)軌式自動(dòng)檢定裝置，實(shí)現(xiàn)了反射式液位計(jì)(雷達(dá)式液位計(jì)和超聲波式液位計(jì))的全自動(dòng)檢測(cè)過(guò)程。

綜上所述，針對(duì)不同類的液位計(jì)，各個(gè)機(jī)構(gòu)都研制了對(duì)應(yīng)的檢測(cè)裝置，但是沒(méi)有見(jiàn)到能夠現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)側(cè)裝式浮球液位計(jì)的專用裝置。

4 檢驗(yàn)需求及難點(diǎn)

浮球能準(zhǔn)確顯示液位是根據(jù)阿基米德原理，故計(jì)算不同旋轉(zhuǎn)角度下浮球排開的液體體積尤為重要。對(duì)于圓形浮球在不同角度下排開液體的體積，黃小宇等[8]在其研究中給出了計(jì)算公式；而側(cè)裝式浮球液位計(jì)的浮球形狀為長(zhǎng)圓形，長(zhǎng)圓形浮球與液面的相對(duì)位置隨著轉(zhuǎn)動(dòng)角度的不同而不斷變化，浮球液面下部分的體積與浮球轉(zhuǎn)動(dòng)角度表現(xiàn)為復(fù)雜的非線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，由于檢測(cè)時(shí)液位位置為未知量，采用解析法計(jì)算浮球液面下體積十分困難。另外，側(cè)裝式浮球液位計(jì)的浮球在同一橫截面內(nèi)作圓周運(yùn)動(dòng)，浮球通過(guò)液面高度變化帶動(dòng)錐齒輪、傳動(dòng)軸和指針轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到測(cè)量的目的，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比多了齒輪傳動(dòng)的環(huán)節(jié)，并且有支撐結(jié)構(gòu)，受安裝精度限制，安裝過(guò)程中將產(chǎn)生新的隨機(jī)誤差，與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生偏差。由于罐車送檢時(shí)已將介質(zhì)排放干凈，只能采用模擬法對(duì)液位計(jì)示值誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，若拆卸后送檢到計(jì)量機(jī)構(gòu)，將大為延長(zhǎng)罐車檢驗(yàn)時(shí)間，增大企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本，并且根據(jù)《特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)核準(zhǔn)規(guī)則》，RD7資質(zhì)要求配備液位計(jì)校驗(yàn)裝置，而目前未見(jiàn)側(cè)裝式浮球液位計(jì)專用檢驗(yàn)裝置。

5 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái)，移動(dòng)式壓力容器數(shù)量逐漸增多，國(guó)家于2018年建立了全國(guó)移動(dòng)式壓力容器公共信息追溯平臺(tái)，加強(qiáng)了對(duì)移動(dòng)式壓力容器的監(jiān)管。移動(dòng)式壓力容器運(yùn)行安全與否關(guān)乎人民生命財(cái)產(chǎn)安全，液位計(jì)作為指示儀表，對(duì)保障移動(dòng)式壓力容器不超裝具有至關(guān)重要的作用，同時(shí)因液位計(jì)故障、示數(shù)不準(zhǔn)等給企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，因此，有必要研制一種可供檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)定期檢驗(yàn)時(shí)使用的針對(duì)側(cè)裝式浮球液位計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置，保障移動(dòng)式壓力容器安全運(yùn)行、提升檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的檢驗(yàn)?zāi)芰?，為監(jiān)管機(jī)構(gòu)加強(qiáng)監(jiān)督工作提供技術(shù)支持。