放射性料位计在丙烷脱氢装置中的应用

王广为

(华陆工程科技有限责任公司，陕西西安710065)

在工业生产中，料位的监测与控制占有很重要的地位。料位计的种类很多，例如直读式、浮标式、差压式、电容式、电感式和γ射线式等，其中γ射线料位计具有非接触式测量的特点，它既可以测量液位，也可以测量料位，安装简单，运行可靠，而且还可以用于其他料位计难以应用甚至不能应用的场合[1]。随着化工生产过程越来越复杂化、多样化，在高温、易爆的工况下对黏附性大、腐蚀性大、毒性大，颗粒状和粉粒状物料的料位测量已经成为普遍难题。某丙烷脱氢装置的催化剂缓冲料斗需要测量料位，工艺介质主要为1.6 mm直径的球体催化剂，上部为N2，H2，烃类混合物并漂浮着少量催化剂粉尘。因此，常规的接触式测量仪表难以满足现场测量精度要求，使得缓冲料斗的料位测量成为难题，只能使用非接触式测量仪表[2-3]。本文通过对放射性料位计选型、配置和安装应用情况进行研究，希望对类似工况的料位测量仪表的选型提供参考。

1 放射性料位计的组成和原理

放射性料位计由放射源、探测器和二次仪表组成。放射性料位计利用放射源产生的γ射线穿过被测容器和容器中的介质时，射线被不同高度的介质所吸收，测量到因被吸收而衰减的射线强度就可得到相应的料位[4]。

1.1 放射源

γ射线料位计所使用的放射源一般为原子反应堆生产的放射性同位素钴-60(60Co)或铯-137(137Cs)。放射源本身很小，通常情况下1根直径只有1 mm、长度1～2 cm的钴丝就可以用作放射源进行测量[5]。137Cs和60Co的主要区别有以下几个方面：

1)137Cs放出的射线能量只有0.661 MeV一种，而60Co放出的射线能量有1.170 MeV和1.330 MeV两种。

2)上述两种射线源对铜和钢板的穿透能力差别不大，对于铅，137Cs易被屏蔽，50 mm厚的铅板可将137Cs的剂量降低至0.5%，而60Co只能降低至8.3%，因此采用137Cs作为放射源更安全。

3)137Cs的熔点为2 070 ℃，60Co的熔点为1 495 ℃。

4)137Cs的半衰期为30 a，60Co的半衰期为5.3 a。相对60Co来说137Cs使用寿命更长，如果想达到同样的屏蔽效果，137Cs的源罐质量约为60Co源罐质量的20%～33%，因此采用137Cs作为放射源，也在某种程度上方便仪器的拆装和保护[4]。

1.2 探测器

探测器通常有以下几种： GM计数管、电离室、闪烁晶体检测器和柔性光纤检测器。GM计数管的特点是体积小、成本低、效率低；电离室的特点是体积大、效率高、成本高；闪烁晶体检测器的效率在20%～40%，计数率较高；柔性光纤检测器是利用光纤做成直径为25 mm的光缆，技术上比电离室的效率高且光缆长度更长，但是其检测效率仅为闪烁晶体检测器的10%～20%[6]。目前最常用的探测器为闪烁晶体加光电倍增管型，当γ射线射到闪烁晶体材料时，会激发微弱的辉光，当介质物料增加时，辐射被过程介质吸收后衰减，到达探测器的射线就减少，导致产生的辉光脉冲减少。光电倍增管和相关的探测器电路将辉光脉冲转换为电脉冲信号，在一体式探测器中该信号被电路处理，最终对应测量介质料位并产生测量值[7]。

1.3 二次仪表

二次仪表由脉冲放大器、补偿电路、转换显示单元和电源部分组成。脉冲放大器起脉冲放大和整形作用。补偿电路分两个部分： 一部分补偿测量线性，另一部分补偿放射源随时间的强度衰减信号。转换显示单元中包含输出报警继电器回路，可设定上下限报警[8]。

2 缓冲料斗放射性料位计的设计选型

某项目丙烷脱氢装置中，共涉及10套放射性料位开关和7套连续量放射性料位计。以催化剂缓冲料斗为例，需要为该缓冲料斗设计1套连续量放射性料位计(LE/LT-03004)，DCS需要实时监控该料位计的变化来判断该缓冲料斗的进料速度，从而控制缓冲料斗的顶部进料V型球阀的给料速度。

1)催化剂缓冲料斗的参数。设备操作温度为66 ℃，操作压力为5 kPa，工艺介质主要为直径1.6 mm球体催化剂，设备上部为N2，H2，烃类混合物并漂浮着少量催化剂粉尘，设备本身无隔热层，材质为镇静碳钢(Q345R)。

2)对放射性料位计要求。测量精度为±1%，时间常数为12 s。

3)设备尺寸。设备内壁直径d=3.2 m，壁厚d1=14 mm，放射源距设备外壁距离d2=50 mm，探测器距设备外壁距离d3=50 mm，最低料位L3=820 mm，最高料位L4=5.5 m。

结合该缓冲料斗的基本信息，由于设备本身不是很大，壁厚较薄，且对料位的测量精度和时间常数要求不是十分苛刻，因此采用放射性料位计中最传统的点源加棒探测器的测量方式。连续量放射性料位计初步配置如图1所示。

图1 连续量放射性料位计初步配置示意注： L1——单个放射源射线所照射到的料位高度，mm；α——射束角，(°)

2.1 安装方式

放射源与探测器分别安装在料斗的两侧。

2.2 放射源种类及数量的选择

结合工厂需要以及放射源防护方便程度，选择137Cs作为点放射源。对于料位连续测量，不同厂家的射束角α略有所不同，大多数厂家的点放射源的射束角有30°，40°，45°，60°可以选择。该项目中选择射束角为45°，因此射线范围构成了1个等腰直角三角形，料位连续测量时放射源的个数n1为

n1=(L4-L3)/L1

(1)

其中，L1可根据放射源的放射角度计算得出，即：

L1=(d+2d1+d2+d3)tagα

(2)

将各数值带入式(1)～式(2)中可求得点放射源个数n1=1.41，圆整后n1=2，即需要2个点放射源。

大多情况下，放射源和探测器分别安装在容器的两侧。有时容器的直径和介质吸收系数过大，需要使用很大剂量的放射源，而放射源剂量过大会对人身安全造成隐患；有的情况下可把放射源置于容器的内部，探测器置于容器的一侧，这样可以达到减少放射源剂量的目的[2]。

2.3 探测器种类及数量的选择

根据上述相关信息，该项目采用目前最常用的闪烁晶体作为棒探测器。

当棒探测器的物理连接没有重叠部分时，对于料位连续测量，棒探测器的数量n2为

n2=(L4-L3)/Ln

(3)

式中：Ln——棒探测器的长度，mm。

根据式(3)，L4-L3=4.68 m,由于目前各放射性料位计厂家的闪烁晶体探测器最长约3.66 m，因此计算出探测器数量n2=2。经过与厂家的协商，最终采用长度分别为3.35 m和2.13 m 2根棒探测器，上下布置。

2.4 放射源需要的射线强度

确定γ放射性料位计的安装方式后，根据测量精度和仪表反应速度(即时间常数)的要求，可以决定脉冲计数率；由探测器与源之间的距离，探测器的探测效率以及γ射线束在被测设备、被测介质中的衰减情况，即可算出所需放射源射线强度I为[3]

I=(n+2n本)L2Kk(μ，d)ξ

(4)

式中：I——射线强度，mCi；n——脉冲计数率，脉冲数/s；n本——探测器的本底计数率，脉冲数/s；L——放射源与探测器之间的距离，m；K——探测器的测量系数；k(μ，d)——γ射线束通过材料厚度为d时的减弱倍数；ξ——源强宽裕系数。

1)探测器的测量系数K。与探测元件种类、探测器有效探测面积和γ源种类等因素有关，但是各探测器制造商对不同的放射源和不同型号的探测器下的K均有定义，该项目中选用的探测器的K=1×10-3脉冲数/s。

2)脉冲计数率n。与测量精度和时间常数有关，这2个参数对放射源的射线强度计算影响很大，同样的设备、探测器、测量介质及安装方式，采用不同的测量精度和时间常数，所计算出来的源强可以相差数倍，甚至上百上千倍[3]：

n=1/2E2τ

(5)

式中：E——测量精度，%；τ——时间常数，s。

将测量精度和时间常数代入式(5)，得到n=417脉冲数/s。

3)本底计数率n本。闪烁晶体探测器本底计数率的大小不仅与γ射线的天然本底有关，而且与闪烁晶体的几何尺寸、光电倍增管的种类、光电倍增管所加工作压力和计数电路的甄别阈等因素有关，其具体数字需要实验确定。该项目中，闪烁计数器的n本约为100脉冲数/s。

4)减弱倍数k(μ，d)。该项目中设备采用镇静碳钢，可参考137Cs在铁中的减弱倍数，该处取k(μ，2.8 cm)约为2.1。

5)源强宽裕系数ξ。该项目中采用137Cs作为放射源，半衰期为30 a，且该料斗中上部气相基本为氮气和催化剂粉尘，因此对射线强度的减弱作用不明显，ξ取为1.4。

将上述各数值代入式(4)，求得I=19.92 mCi，取整后采用射线强度为20 mCi的2个137Cs点放射源。

3 缓冲料斗连续量放射性料位计的配置方案

根据上述原理及计算，连续量放射性料位计的配置方案见表1所列。

最终选用的连续料位计，放射源137Cs防护等级IP68，一体化探测器采用PVT闪烁晶体，探测器直流供电为24 V，功耗17 W，防护等级IP67，防爆等级Ex d IICT6，输出4～20 mA信号并带HART协议。

由于该项目探测器为上下布置的多棒探测器，棒探测器的射程范围会有叠加区域，需对该部分区域进行线性补偿。

表1 连续量放射性料位计配置方案

4 放射源安全防护及储存

为了保障工作人员的健康和安全，保护环境，国家对于射线的安全、卫生防护制定了一系列的标准和规定。只要严格地遵循指定的标准和防护规定，就可确保人身的健康和安全。

4.1 合理选源

参照国际原子能机构的相关规定，按照放射源对人体健康和环境的潜在危害程度，将放射源分为5类，结合常见的用于放射性料位计的137Cs和60Co两种放射源，对应分类见表2所列。

表2 137Cs和60Co放射源分类

在设计放射源强度、考虑安装方式和卫生防护时，不能一味地加大放射源强度来追求高精度和仪表灵敏度，否则带来的不仅是资源和资金的浪费，根据《放射性同位素与射线装置安全和防护条例》中的规定，不同分类的放射源在使用、存储、废旧放射源的回收、可能造成的事故等级，以及造成相应事故后的处罚办法等方面都有区别。因此合理选择放射源的种类和源强是γ射线仪表防护中的首要问题，另外在满足工艺生产要求的前提下，也应当合理地选择安装方式和仪表参数。

从表2中可以看出，该项目最终选择强度为20 mCi的137Cs，属于V类放射源。

4.2 安全防护

由于人体受射线照射所积累的剂量当量与受照时间成正比，所以缩短被射线照射的时间也是射线防护的重要方法。因此，要求工作人员少在放射源附近逗留，无关人员无故不要到放射源附近的地方去，在操作、安装放射源时，要求技术熟练、动作迅速、轮换操作等，都是从缩短与射线接触时间的角度来减少累积剂量的办法[9]。另外，由于射线对人体的照射率与人体离放射源的距离的平方成反比，因此操作放射源时利用长柄钳等远距离操作工具，在放射源附近设置安全区，并在安全区的便捷处设置明显的标志等，这些措施都是从距离防护的观点来降低射线照射量的方法。

除此之外，利用射线通过物质时的衰减性能，在人体和放射源之间设置屏蔽物以降低射线的照射度，是γ射线防护中十分重要的手段。屏蔽物质的密度越大，则屏蔽防护的效果越好，因此常用铅、铁作为屏蔽材料。从经济方便的角度来考虑，也可使用砖石、泥沙、混凝土等材料，137Cs和60Co放射源γ射线在不同屏蔽材料中的减弱效果见表3所列。

表3 137Cs和60Co放射源在不同屏蔽材料中的减弱倍数与屏蔽材料厚度的关系 cm

表4中μSV/h为剂量当量率的单位，专门用于衡量辐射对生物组织的伤害，定义为1 SV=1 J/kg。从事辐射工作的人员，年剂量限值为50 mSV。

表4 不同使用场所对检测仪表外围辐射的剂量当量率要求 μSV/h

根据表4中的要求，该项目放射性料位计的使用场所为二级，通过在放射源外增加适当厚度的铅罐后，将放射源5 cm周围的剂量当量率降为6.04 μSV/h，放射源1 m周围的剂量当量率降为0.18 μSV/h，这两项数据均满足表4中二级对应的剂量当量率要求。因此，该项目中仪表选型是合理的，采取的卫生防护措施也是安全可靠的。

此外，该项目中每个放射源铅盒的照射孔处还设置了一个可移动铅块，当需要测量时，移动铅块，打开照射孔，当不需要测量时，移动铅块，关闭照射孔。为了尽量缩短工作人员在放射源周边的停留时间、增加操作距离，为可移动铅块连接1台双作用气缸型执行机构和1台两位五通电磁阀，并配备了2个限位开关，采用仪表空气作为动力源，实现了控制室远程控制可移动铅块来打开或者关闭照射孔，通过限位开关来查看照射孔的打开或者关闭状态。

5 结束语

放射性料位计作为一种非接触式料位测量仪表，由于其放射源会对人员安全造成威胁，因此选用时需要慎重，在使用时必须严格遵守相关国家法律法规和安全卫生防护规定，需要注意的是，有些地方对放射源的安全卫生防护要求高于国家规定，因此在设计选型以及检验和储存时，还应认真研读地方法规，及时与地方环保部门沟通。通过对放射性料位计的设计选型、配置、安装和校验的研究，对相关放射性料位计的应用提供一定的参考和借鉴。