放射性料位計在聚丙烯裝置中的應用

蔡 丹 魏慶韙

(中國五環工程有限公司,武漢 430023)

隨著工業技術的發展，化工生產過程越來越復雜化、多樣化，在高溫、高壓、易爆的工況下對粘附性大、腐蝕性大、毒性大、顆粒狀和粉粒狀物料的料面測量已經成為普遍難題。某聚丙烯裝置的產品接收罐C-5013上就需要進行料位測量，但工藝生產過程中物料存在氣、粉末和粉塵三相，上部為N2并漂浮著少量碳氫化合物和聚丙烯粉塵；下部為聚丙烯粉末，且設備壁容易掛料。因此常規的接觸式測量儀表難以滿足較高的現場測量精度要求，使得產品接收罐的料位測量成為難題，只能使用非接觸式測量儀表[1]。為此筆者通過對放射性料位計選型、配置和安裝應用情況進行研究，希望對類似工況的料位測量儀表的選型提供參考。

放射性料位計由放射源、檢測器和二次儀表組成(圖1)。放射性料位計是利用放射源產生的γ射線，穿過被測容器和容器中的介質時，射線被不同高度的介質所吸收，當測得了因被吸收而衰減的射線強度時就可得到相應的料位[2]。

圖1 放射性料位計組成

檢測器測到的射線強度I為：

I=I0e-μρd

(1)

式中d——容器直徑,m；

I0——發出的射線強度,mCi；

ρ——介質密度,kg/m3；

μ——吸收系數,m2/kg。

從式(1)可以看出，針對某一特定的介質，介質密度和吸收系數是常量，射線強度I只與容器直徑d有關。再根據放射源的放射角度可計算出單個點放射源射線所照射到的料位高度L1，即：

L1=(d+2d1+d2+d3)tagα

(2)

式中d1——壁厚,mm；

d2——放射源至容器外壁的距離,mm；

d3——檢測器至容器外壁的距離,mm；

α——射束角,(°)。

大多情況下，放射源和檢測器分別安裝在容器的兩側。有時容器的直徑和介質吸收系數過大，需要使用很大劑量的放射源，而放射源劑量過大會對人身安全造成隱患，這種情況下可把放射源置于容器的中央，檢測器置于容器的一側，這樣可以達到減少放射源劑量的目的。此時單個放射源射線所照射到的料位高度L2(單位mm)為：

L2=(d2+d3)tagα

(3)

上述是料位連續測量的計算，當為料位位式測量時，需要報警點的料位是定值。而ρ若是變化的，料位位式測量實際上是通過所測得的密度值來判斷開關量的輸出的。

2 放射性料位計的選型

2.1 放射源的選擇

2.1.1放射源種類的選擇

放射源按其密封狀況分為密封放射源和非密封放射源。密封放射源密封在包殼或緊密覆蓋層里，工業生產中應用的料位計使用的都是密封放射源。常用的密封放射源(后續提到的放射源均指密封放射源)有137Cs和60Co，兩者的主要區別是：第一，137Cs放出的射線能量只有0.661MeV一種，而60Co放出的射線能量有1.170MeV和1.330MeV兩種；第二，相對銅和鋼板這兩種射線源穿透本領差別不大，但相對鉛，137Cs易被屏蔽，50mm厚的鉛可將137Cs的劑量降低200倍，而60Co只能降低12倍，因此采用137Cs作為放射源更安全；第三，137Cs的熔點為2 070℃，60Co的熔點為1 495℃；第四，137Cs半衰期為30年，60Co半衰期為5.3年。相較60Co來說137Cs使用壽命更長，源罐重量輕3～5倍，方便了儀器的拆裝和保護。

2.1.2放射源劑量的選擇

放射源劑量的選擇主要從兩方面考慮：檢測器所能檢測到的放射源射線劑量的范圍；在一定距離內人體所吸收到的放射源射線劑量是否滿足相關國家標準規范。不同廠家不同種類的檢測器會有所不同，關于放射源對人體的相對安全劑量，GBZ 125-2009《含密封源儀表的衛生防護標準》中有明確要求，具體見表1[3]。

表1 一定距離內放射源劑量要求 μSv·h-1

2.1.3放射源形狀的選擇

放射源可分為(多)點放射源和(多)棒放射源。點放射源相對強度較小，測量范圍較小，價格較便宜，而棒放射源測量范圍較大，需線性補償，價格較貴[4]。對于料位位式測量，通常采用點放射源；而對于料位連續測量，可根據所需測量的料位范圍和放射源的射束角來計算并確定放射源。需要注意的是，當采用多點放射源或多棒放射源時，各放射源的射程上有疊加區域，這部分區域需要進行線性補償。

2.1.4放射源射束角和個數的選擇

對于料位位式測量，點放射源射束角比較小，不同放射性料位計生產廠家不同，大都在5～15°之間。對于料位連續測量，不同廠家也有所不同，大多數廠家的點放射源有30、40、45、60°可以選擇。當射束角為45°時，射線范圍構成了一個等腰直角三角形，料位連續測量時放射源的個數n1為：

n1=(L4-L3)/Lii=1,2

(4)

式中L3——最低料位,mm；

L4——最高料位,mm；

Li——單個放射源射線所照射到的料位高度,mm。

如某項目中d=2 500mm、d1=10mm、d2=50mm、d3=50mm、L3=0mm、L4=4 382mm，放射源與檢測器安裝在容器的兩側，將上述數值代入式(1)、(2)、(4)中可求得點放射源個數n1=1.67，圓整后n1=2，即需要兩個點放射源。

2.2 檢測器的選擇

2.2.1檢測器種類的選擇

檢測器的種類有電離式型、蓋革計數管型和閃爍晶體加光電倍增管型(以下簡稱閃爍晶體)3種。近年來，Ohmart生產了一種新型產品——柔性光纖，此類產品目前應用并不十分廣泛，效果有待進一步考證。筆者結合4家放射性料位計的廠家樣本，總結出各類檢測器特點(表2)。

2.2.2檢測器形狀的選擇

檢測器的形狀可分為(多)點檢測器和(多)棒檢測器。在實際應用中，檢測器形狀與放射源形狀通常需要搭配考慮。對于料位位式測量，通常采用點放射源加點接收器；對于料位連續測量，有點源加棒探測器、棒源加點探測器和棒源加棒探測器3種不同的配置方案，而配置方案的選擇主要取決于測量容器的幾何形狀、測量目的、周圍

表2 各類檢測器特點

條件、防護安全等級、設備所在空間和資金投入。

2.2.3檢測器根數的選擇

不同廠家檢測器的長度不同，由表2可知，棒檢測器最長3m，閃爍晶體檢測器最長2m。當棒檢測器的物理連接沒有重疊部分時，對于料位連續測量，棒檢測器的數量n2為：

n2=(L4-L3)/Ln

(5)

式中Ln——棒檢測器的長度,mm。

2.3 二次儀表的選擇

二次儀表由脈沖放大器、補償電路、轉換顯示單元和電源部分組成。二次儀表將檢測器接收到的脈沖信號轉換為4～20mA標準信號并輸出至控制室。目前大多數廠家將二次儀表與檢測器集成為一體，當檢測器為多棒檢測器時，每根棒檢測器可配一個二次儀表，最后由最上面或最下面的棒檢測器的二次儀表將各二次儀表的信號疊加起來輸出至控制室；所有的棒檢測器也可共配一個二次儀表，由這個共用的二次儀表將信號輸出至控制室。

2.4 放射性料位計的配置方案

某項目聚丙烯裝置的產品接收罐C-5013上有兩處測量料位，一處是料位連續測量LE/LX/LT-5013-1，另一處是料位位式測量LE/LX/LT-5013-2，通過LE/LX/LT-5013-1來判斷C-5013的下料速度從而控制旋轉給料閥的給料速度，通過LE/LX/LT-5013-2來判斷C-5013在下料中是否出現故障和堵塞。這兩處料位計的配置如圖2、3所示，配置方案見表3。

當檢測器為多棒檢測器時，棒檢測器的射程范圍會有疊加區域，需對這部分區域進行線性補償。某放射性料位計廠家經過線性補償后，LE/LX/LT-5013-1的液位-計數率曲線如圖4所示。曲線稍許凹陷的部分即是射程范圍有疊加的料位范圍，若不進行線性補償，此段料位范圍的曲線會凹陷得更深。

圖2 LE/LX/LT-5013-1配置

圖3 LE/LX/LT-5013-2配置

測量位號放射源種類放射源劑量放射源形狀放射源射束角和源數檢測器種類檢測器形狀和數量二次儀表5013-1137Cs5mCi點狀源45°,2個閃爍晶體棒檢測器,2個與檢測器一體,1個5013-2137Cs30mCi點狀源10°,1個閃爍晶體點檢測器,1個與檢測器一體,1個

圖4 LE/LX/LT-5013-1的液位-計數率曲線

3 放射性料位計的安裝

在確定了放射性料位計的設計選型后，需要提供放射性料位計的支架安裝條件。由于在計算放射源個數時，需要知道放射源和檢測器離設備外壁的距離、設備壁厚、設備直徑以及放射源和檢測器的安裝高度，這些信息從支架安裝詳圖和設備圖中可以獲得，因此應將設備上的支架安裝詳圖和設備圖發給放射性料位計廠家。放射性料位計在安裝時需注意以下事項[5]：

a. 檢測器安裝維護由專業人員實施，安裝中的安全防護措施應符合國家標準的有關規定。常規儀表維護人員和工藝外操人員絕不允許維護，在現場必須有明顯的警戒標志。

b. 由于檢測器是露天安裝，需要加防護罩，以避免太陽光的直接照射，防止儀表因環境溫度過高而影響檢測器正常工作。

c. 由于檢測器接收的是放射性信號，因此要求在裝有放射性料位計的裝置進行調試和運行時，周圍不能進行探傷等發出電磁干擾的工作，否則放射性料位計不能正常工作，從而發出假信號而影響裝置運行。

4 放射性料位計的校驗

為了保證測量準確，在裝置開車前均要對放射性料位計進行原始標定。首先在設備安裝完畢和放射源安裝后，檢查射線是否超過國家標準和設計標準；之后在常溫、常壓和容器內沒有介質的情況下，將放射源關閉，二次儀表上顯示的脈沖數作為背景值；在上述條件下打開放射源，二次儀表上顯示的脈沖數作為最大值，背景值和最大值可作為校驗的參考值。一般在所要求的工藝條件下，當放射源開啟且罐滿時，測得的脈沖值與背景值相近，可以表示為放射源開啟時罐滿值不小于背景值；而在所要求的工藝條件下，當放射源開啟且罐未滿時，測得的脈沖值與背景值相近，可以表示為放射源開啟時罐滿值不大于最大值。在沒有條件實校時，通常把背景值對應的料位值作為量程，而把最大值對應的料位值作為零點。在沒有條件實校時，通常也可以用水作為介質進行校驗，通過水的密度和實際介質密度的關系進行換算，再通過實際使用時現場標定，從而得出準確的測量結果。

5 結束語

放射性料位計作為一種非接觸式料位測量儀表，由于其放射源會對人員安全造成威脅，因此選用時需要慎重，在使用時必須嚴格遵守相關國家法律法規和安全衛生防護規定。筆者通過對放射性料位計的設計選型、配置、安裝和校驗的研究，對同行在使用相關放射性料位計時提供一定的參考和借鑒。

[1] 陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動控制設計手冊[M].北京:化學工業出版社,2011.

[2] HG/T 20507-2000,自動化儀表選型設計規定[S].北京:全國化工工程建設標準編輯中心,2001.

[3] GBZ 125-2009,含密封源儀表的放射衛生防護要求[S].北京:中華人民共和國衛生部,2010.

[4] SH 3005-1999,石油化工自動化儀表選型設計規范[S].北京:國家石油和化學工業局,2000.

[5] 許智鋒.放射性料位計在本體法ABS裝置中的應用[J].石油化工自動化,2012,48(5):60～63.