罐車用側裝式浮球液位計檢驗現狀及檢驗裝置探討

馬中強，王 恒，黃小宇，崔仕博，吳彥峰

(1. 天津市特種設備監督檢驗技術研究院 天津 300192； 2. 國家市場監管重點實驗室(特種設備數字孿生共性技術) 天津 300192)

0 引言

液位計是一種安裝在壓力容器上能夠連續測量液面高度的儀表，在石油化工行業應用十分廣泛。液位計的計量性能關系到產品交接過程中的準確程度，對單位的效益和安全有重要影響。根據產品標準《液化氣體汽車罐車》(GB/T19905—2017)的相關規定[1]，罐體應至少設置一個液位計，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時，當介質溫度升至其蒸氣壓達到安全閥的整定壓力的溫度時，在此溫度下液體體積應不大于罐體幾何容積的98%；充裝易燃易爆介質時，當介質溫度升至其蒸氣壓達到安全閥的整定壓力的溫度時，在此溫度下液體體積應不大于罐體幾何容積的95%。

液化氣體汽車罐車盛裝介質多為易燃、易爆、有毒有害介質，一旦超裝發生泄漏、爆炸等事故，極易給社會和人民生命財產安全造成重大損失。根據《移動式壓力容器安全技術監察規程》[2]和《壓力容器定期檢驗規則》[3]，每年都需要對汽車罐車進行定期檢驗，在定期檢驗時要對液位計進行檢查，以保證汽車罐車的安全運行。

側裝式浮球液位計是近年來新出現的產品，安裝在汽車罐車筒體上，在檢驗過程中發現其存在示數不準、支撐件斷裂等問題。同時，由于是新出現的產品，其結構形式與傳統液位計不同，目前尚無專用的檢驗裝置。

1 液位計結構

目前，液化氣體汽車罐車主要采用旋轉管式液位計、旋轉式浮球液位計和側裝式浮球液位計，前2種是傳統液位計，側裝式浮球液位計是近年來新出現的產品，其應用范圍逐漸擴大。

旋轉管式液位計是安裝在汽車罐車靠近罐體后封頭的軸線上，當導管里端與液面齊平時，通過放氣閥排出的是氣液混合物，此時通過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、導管、刻度盤、壓蓋、鎖緊螺母、把手、指針等零部件組成的，其結構如圖1所示[4]。

圖1 旋轉管式液位計結構示意圖Fig.1 Structural diagram of rotary tubular liquid level gauge

旋轉式浮球液位計也是安裝在汽車罐車后封頭上，包括浮球組件、傳動軸、配重塊、內磁鋼、外 磁鋼、支架、法蘭座、指針等零部件，其結構如圖2 所示[5]。

圖2 旋轉式浮球液位計結構示意圖Fig.2 Structural diagram of rotary floating ball level gauge

旋轉管式液位計、旋轉式浮球液位計都是安裝在罐車后部的封頭上，而側裝式浮球液位計與前兩者結構有所不同，其安裝在罐車筒體中部，裝卸系統上方，儀表盤安裝在筒體側面，便于裝卸液時觀察液位，所有部件為純機械結構，具有本質安全性，浮球與儀表之間通過圓錐齒輪傳動，工作可靠；浮球為長圓形結構。其結構如圖3所示[6-7]。

圖3 側裝式液位計結構示意圖Fig.3 Structural diagram of side-mounted liquid level gage

2 側裝式浮球液位計檢驗現狀

天津市特種設備監督檢驗技術研究院在對某公司所屬的20輛液化氣體汽車罐車進行定期檢驗的過程中，發現多輛罐車存在液位計示數不歸零、支撐結構斷裂等問題，如圖4所示。

圖4 液位計缺陷示意圖Fig.4 Defects of liquid level gages

液位計示數不歸零可能是由于罐車長期運行后相互配合的2塊磁鐵發生錯位造成的。而液位計支撐斷裂都是發生在支撐管與筒體連接位置開裂時，可能是由于罐車運輸過程中液體發生晃動，導致長期 對支撐管進行沖擊，進而造成支撐管根部焊縫疲勞 開裂。

根據《壓力容器定期檢驗規則》[3]，檢驗機構對汽車罐車進行定期檢驗時應對液位計進行檢驗，主要檢驗各零部件有無損傷變形，表盤刻度不清楚應當更換；檢驗浮球式液位計指示是否準確，否則要進行校正。目前對側裝式浮球液位計只能采用模擬法，利用鋼卷尺等工具對液位計進行檢驗，因缺乏專業的檢驗裝置，檢測精度不高。針對傳統的旋轉管式液位計和旋轉式浮球液位計，黃小宇等[8]設計了一套液位計檢測與校準裝置，在不借助校驗介質的情況下，利用壓力傳感器和角度儀代替傳統的鋼卷尺等測量工具，通過數據采集和計算對液位計精度進行了評定，提高了檢測效率。

3 液位計檢驗裝置現狀

液位計根據工作原理可以分為以下幾類：浮力式、聯通式、反射式等，罐車用旋轉式浮球液位計和側裝式浮球液位計都是利用浮力原理設計的，根據最新發布實施的《液位計檢定規程》(JJG 971—2019)[9]，液位計檢定方式有2種，一種是橫式液位模擬檢定，另一種是立式液位檢定。

目前國內研究機構針對不同類的液位計開發了相應的檢驗裝置。河北省計量院廊坊分院吉喆等[10]研制了一種液位計自動檢定裝置，可以實現對浮子式、反射式、壓力式、浮筒式、浮球式液位計的自動檢定，但是它只適用于垂直方向浮動的浮球式液位計，不適用于旋轉式浮球液位計，并且液位計均需拆卸后檢驗。國家大容量第一計量站張永波等[11]設計了一種立式儲罐用自動類型液位計檢定裝置，該裝置由激光干涉儀、自由態雙浮子和25m高立式儲罐構成，模擬浮球液位計的現場安裝環境和工作狀態，在立式儲罐頂部安裝激光干涉儀和待檢液位計，通過檢定裝置的測量值和待檢液位計測量值之間的差值得到待檢液位計的最大允許誤差。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的浮子式液位計，并且液位計需要拆卸后檢驗。王德利等[12]針對液位計檢測是在實驗室環境下完成，而現場安裝完成以后受安裝精度的影響導致浮子式液位計在實際使用中出現了計量不可靠的問題，為此設計了一套浮子式液位計原位校準系統確保液位計安裝后的精度準確可靠，但液位計仍需拆卸。上海市計量院章天霈等[13]對無法拆卸和送檢的液位計提出了一種新的針對磁性液位計的模擬檢測方法，通過精確標記V形磁鐵移動距離提高測量準確度，并代替水箱法檢測，但同樣無法適用于浮球式液位計。鐘晨[14]依據液位計檢定規程和等精度量值傳遞原理，針對20m以下的大型油罐設計了一套基于激光測距儀與參考板的雷達液位計在線檢定與校準裝置，能夠在現場使用，具有便攜性。新疆計量測試研究院塔依爾·斯拉普力等[15]采用高精度激光距離傳感器作為主標準器和控制器，研制了導軌式自動檢定裝置，實現了反射式液位計(雷達式液位計和超聲波式液位計)的全自動檢測過程。

綜上所述，針對不同類的液位計，各個機構都研制了對應的檢測裝置，但是沒有見到能夠現場檢測側裝式浮球液位計的專用裝置。

4 檢驗需求及難點

浮球能準確顯示液位是根據阿基米德原理，故計算不同旋轉角度下浮球排開的液體體積尤為重要。對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算公式；而側裝式浮球液位計的浮球形狀為長圓形，長圓形浮球與液面的相對位置隨著轉動角度的不同而不斷變化，浮球液面下部分的體積與浮球轉動角度表現為復雜的非線性對應關系，由于檢測時液位位置為未知量，采用解析法計算浮球液面下體積十分困難。另外，側裝式浮球液位計的浮球在同一橫截面內作圓周運動，浮球通過液面高度變化帶動錐齒輪、傳動軸和指針轉動達到測量的目的，與傳統結構相比多了齒輪傳動的環節，并且有支撐結構，受安裝精度限制，安裝過程中將產生新的隨機誤差，與實驗室測量結果產生偏差。由于罐車送檢時已將介質排放干凈，只能采用模擬法對液位計示值誤差進行校準，若拆卸后送檢到計量機構，將大為延長罐車檢驗時間，增大企業運營成本，并且根據《特種設備檢驗檢測機構核準規則》，RD7資質要求配備液位計校驗裝置，而目前未見側裝式浮球液位計專用檢驗裝置。

5 結 語

近年來，移動式壓力容器數量逐漸增多，國家于2018年建立了全國移動式壓力容器公共信息追溯平臺，加強了對移動式壓力容器的監管。移動式壓力容器運行安全與否關乎人民生命財產安全，液位計作為指示儀表，對保障移動式壓力容器不超裝具有至關重要的作用，同時因液位計故障、示數不準等給企業帶來經濟損失的現象時有發生，因此，有必要研制一種可供檢驗機構定期檢驗時使用的針對側裝式浮球液位計的現場檢測裝置，保障移動式壓力容器安全運行、提升檢驗機構的檢驗能力，為監管機構加強監督工作提供技術支持。