放射性料位計在丙烷脫氫裝置中的應用

王廣為

(華陸工程科技有限責任公司，陜西西安710065)

在工業生產中，料位的監測與控制占有很重要的地位。料位計的種類很多，例如直讀式、浮標式、差壓式、電容式、電感式和γ射線式等，其中γ射線料位計具有非接觸式測量的特點，它既可以測量液位，也可以測量料位，安裝簡單，運行可靠，而且還可以用于其他料位計難以應用甚至不能應用的場合[1]。隨著化工生產過程越來越復雜化、多樣化，在高溫、易爆的工況下對黏附性大、腐蝕性大、毒性大，顆粒狀和粉粒狀物料的料位測量已經成為普遍難題。某丙烷脫氫裝置的催化劑緩沖料斗需要測量料位，工藝介質主要為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，常規的接觸式測量儀表難以滿足現場測量精度要求，使得緩沖料斗的料位測量成為難題，只能使用非接觸式測量儀表[2-3]。本文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。

1 放射性料位計的組成和原理

放射性料位計由放射源、探測器和二次儀表組成。放射性料位計利用放射源產生的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，測量到因被吸收而衰減的射線強度就可得到相應的料位[4]。

1.1 放射源

γ射線料位計所使用的放射源一般為原子反應堆生產的放射性同位素鈷-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、長度1～2 cm的鈷絲就可以用作放射源進行測量[5]。137Cs和60Co的主要區別有以下幾個方面：

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)上述兩種射線源對銅和鋼板的穿透能力差別不大，對于鉛，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的熔點為2 070 ℃，60Co的熔點為1 495 ℃。

4)137Cs的半衰期為30 a，60Co的半衰期為5.3 a。相對60Co來說137Cs使用壽命更長，如果想達到同樣的屏蔽效果，137Cs的源罐質量約為60Co源罐質量的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[4]。

1.2 探測器

探測器通常有以下幾種： GM計數管、電離室、閃爍晶體檢測器和柔性光纖檢測器。GM計數管的特點是體積小、成本低、效率低；電離室的特點是體積大、效率高、成本高；閃爍晶體檢測器的效率在20%～40%，計數率較高；柔性光纖檢測器是利用光纖做成直徑為25 mm的光纜，技術上比電離室的效率高且光纜長度更長，但是其檢測效率僅為閃爍晶體檢測器的10%～20%[6]。目前最常用的探測器為閃爍晶體加光電倍增管型，當γ射線射到閃爍晶體材料時，會激發微弱的輝光，當介質物料增加時，輻射被過程介質吸收后衰減，到達探測器的射線就減少，導致產生的輝光脈沖減少。光電倍增管和相關的探測器電路將輝光脈沖轉換為電脈沖信號，在一體式探測器中該信號被電路處理，最終對應測量介質料位并產生測量值[7]。

1.3 二次儀表

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。脈沖放大器起脈沖放大和整形作用。補償電路分兩個部分： 一部分補償測量線性，另一部分補償放射源隨時間的強度衰減信號。轉換顯示單元中包含輸出報警繼電器回路，可設定上下限報警[8]。

2 緩沖料斗放射性料位計的設計選型

某項目丙烷脫氫裝置中，共涉及10套放射性料位開關和7套連續量放射性料位計。以催化劑緩沖料斗為例，需要為該緩沖料斗設計1套連續量放射性料位計(LE/LT-03004)，DCS需要實時監控該料位計的變化來判斷該緩沖料斗的進料速度，從而控制緩沖料斗的頂部進料V型球閥的給料速度。

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

2)對放射性料位計要求。測量精度為±1%，時間常數為12 s。

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

結合該緩沖料斗的基本信息，由于設備本身不是很大，壁厚較薄，且對料位的測量精度和時間常數要求不是十分苛刻，因此采用放射性料位計中最傳統的點源加棒探測器的測量方式。連續量放射性料位計初步配置如圖1所示。

圖1 連續量放射性料位計初步配置示意注： L1——單個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

放射源與探測器分別安裝在料斗的兩側。

2.2 放射源種類及數量的選擇

結合工廠需要以及放射源防護方便程度，選擇137Cs作為點放射源。對于料位連續測量，不同廠家的射束角α略有所不同，大多數廠家的點放射源的射束角有30°，40°，45°，60°可以選擇。該項目中選擇射束角為45°，因此射線范圍構成了1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)/L1

(1)

其中，L1可根據放射源的放射角度計算得出，即：

L1=(d+2d1+d2+d3)tagα

(2)

將各數值帶入式(1)～式(2)中可求得點放射源個數n1=1.41，圓整后n1=2，即需要2個點放射源。

大多情況下，放射源和探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；有的情況下可把放射源置于容器的內部，探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[2]。

2.3 探測器種類及數量的選擇

根據上述相關信息，該項目采用目前最常用的閃爍晶體作為棒探測器。

當棒探測器的物理連接沒有重疊部分時，對于料位連續測量，棒探測器的數量n2為

n2=(L4-L3)/Ln

(3)

式中：Ln——棒探測器的長度，mm。

根據式(3)，L4-L3=4.68 m,由于目前各放射性料位計廠家的閃爍晶體探測器最長約3.66 m，因此計算出探測器數量n2=2。經過與廠家的協商，最終采用長度分別為3.35 m和2.13 m 2根棒探測器，上下布置。

2.4 放射源需要的射線強度

確定γ放射性料位計的安裝方式后，根據測量精度和儀表反應速度(即時間常數)的要求，可以決定脈沖計數率；由探測器與源之間的距離，探測器的探測效率以及γ射線束在被測設備、被測介質中的衰減情況，即可算出所需放射源射線強度I為[3]

I=(n+2n本)L2Kk(μ，d)ξ

(4)

式中：I——射線強度，mCi；n——脈沖計數率，脈沖數/s；n本——探測器的本底計數率，脈沖數/s；L——放射源與探測器之間的距離，m；K——探測器的測量系數；k(μ，d)——γ射線束通過材料厚度為d時的減弱倍數；ξ——源強寬裕系數。

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

2)脈沖計數率n。與測量精度和時間常數有關，這2個參數對放射源的射線強度計算影響很大，同樣的設備、探測器、測量介質及安裝方式，采用不同的測量精度和時間常數，所計算出來的源強可以相差數倍，甚至上百上千倍[3]：

n=1/2E2τ

(5)

式中：E——測量精度，%；τ——時間常數，s。

將測量精度和時間常數代入式(5)，得到n=417脈沖數/s。

3)本底計數率n本。閃爍晶體探測器本底計數率的大小不僅與γ射線的天然本底有關，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數電路的甄別閾等因素有關，其具體數字需要實驗確定。該項目中，閃爍計數器的n本約為100脈沖數/s。

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

5)源強寬裕系數ξ。該項目中采用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氣和催化劑粉塵，因此對射線強度的減弱作用不明顯，ξ取為1.4。

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

3 緩沖料斗連續量放射性料位計的配置方案

根據上述原理及計算，連續量放射性料位計的配置方案見表1所列。

最終選用的連續料位計，放射源137Cs防護等級IP68，一體化探測器采用PVT閃爍晶體，探測器直流供電為24 V，功耗17 W，防護等級IP67，防爆等級Ex d IICT6，輸出4～20 mA信號并帶HART協議。

由于該項目探測器為上下布置的多棒探測器，棒探測器的射程范圍會有疊加區域，需對該部分區域進行線性補償。

表1 連續量放射性料位計配置方案

4 放射源安全防護及儲存

為了保障工作人員的健康和安全，保護環境，國家對于射線的安全、衛生防護制定了一系列的標準和規定。只要嚴格地遵循指定的標準和防護規定，就可確保人身的健康和安全。

4.1 合理選源

參照國際原子能機構的相關規定，按照放射源對人體健康和環境的潛在危害程度，將放射源分為5類，結合常見的用于放射性料位計的137Cs和60Co兩種放射源，對應分類見表2所列。

表2 137Cs和60Co放射源分類

在設計放射源強度、考慮安裝方式和衛生防護時，不能一味地加大放射源強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，根據《放射性同位素與射線裝置安全和防護條例》中的規定，不同分類的放射源在使用、存儲、廢舊放射源的回收、可能造成的事故等級，以及造成相應事故后的處罰辦法等方面都有區別。因此合理選擇放射源的種類和源強是γ射線儀表防護中的首要問題，另外在滿足工藝生產要求的前提下，也應當合理地選擇安裝方式和儀表參數。

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

4.2 安全防護

由于人體受射線照射所積累的劑量當量與受照時間成正比，所以縮短被射線照射的時間也是射線防護的重要方法。因此，要求工作人員少在放射源附近逗留，無關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，要求技術熟練、動作迅速、輪換操作等，都是從縮短與射線接觸時間的角度來減少累積劑量的辦法[9]。另外，由于射線對人體的照射率與人體離放射源的距離的平方成反比，因此操作放射源時利用長柄鉗等遠距離操作工具，在放射源附近設置安全區，并在安全區的便捷處設置明顯的標志等，這些措施都是從距離防護的觀點來降低射線照射量的方法。

除此之外，利用射線通過物質時的衰減性能，在人體和放射源之間設置屏蔽物以降低射線的照射度，是γ射線防護中十分重要的手段。屏蔽物質的密度越大，則屏蔽防護的效果越好，因此常用鉛、鐵作為屏蔽材料。從經濟方便的角度來考慮，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與屏蔽材料厚度的關系 cm

表4中μSV/h為劑量當量率的單位，專門用于衡量輻射對生物組織的傷害，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 不同使用場所對檢測儀表外圍輻射的劑量當量率要求 μSV/h

根據表4中的要求，該項目放射性料位計的使用場所為二級，通過在放射源外增加適當厚度的鉛罐后，將放射源5 cm周圍的劑量當量率降為6.04 μSV/h，放射源1 m周圍的劑量當量率降為0.18 μSV/h，這兩項數據均滿足表4中二級對應的劑量當量率要求。因此，該項目中儀表選型是合理的，采取的衛生防護措施也是安全可靠的。

此外，該項目中每個放射源鉛盒的照射孔處還設置了一個可移動鉛塊，當需要測量時，移動鉛塊，打開照射孔，當不需要測量時，移動鉛塊，關閉照射孔。為了盡量縮短工作人員在放射源周邊的停留時間、增加操作距離，為可移動鉛塊連接1臺雙作用氣缸型執行機構和1臺兩位五通電磁閥，并配備了2個限位開關，采用儀表空氣作為動力源，實現了控制室遠程控制可移動鉛塊來打開或者關閉照射孔，通過限位開關來查看照射孔的打開或者關閉狀態。

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，需要注意的是，有些地方對放射源的安全衛生防護要求高于國家規定，因此在設計選型以及檢驗和儲存時，還應認真研讀地方法規，及時與地方環保部門溝通。通過對放射性料位計的設計選型、配置、安裝和校驗的研究，對相關放射性料位計的應用提供一定的參考和借鑒。