罐车用侧装式浮球液位计检验现状及检验装置探讨

马中强，王 恒，黄小宇，崔仕博，吴彦峰

(1. 天津市特种设备监督检验技术研究院 天津 300192； 2. 国家市场监管重点实验室(特种设备数字孪生共性技术) 天津 300192)

0 引言

液位计是一种安装在压力容器上能够连续测量液面高度的仪表，在石油化工行业应用十分广泛。液位计的计量性能关系到产品交接过程中的准确程度，对单位的效益和安全有重要影响。根据产品标准《液化气体汽车罐车》(GB/T19905—2017)的相关规定[1]，罐体应至少设置一个液位计，液化气体汽车罐车有最大充装量的要求，充装低压液化气体介质的罐体至少留有5%的气相空间；充装高压液化气体的罐车充装非易燃易爆介质时，当介质温度升至其蒸气压达到安全阀的整定压力的温度时，在此温度下液体体积应不大于罐体几何容积的98%；充装易燃易爆介质时，当介质温度升至其蒸气压达到安全阀的整定压力的温度时，在此温度下液体体积应不大于罐体几何容积的95%。

液化气体汽车罐车盛装介质多为易燃、易爆、有毒有害介质，一旦超装发生泄漏、爆炸等事故，极易给社会和人民生命财产安全造成重大损失。根据《移动式压力容器安全技术监察规程》[2]和《压力容器定期检验规则》[3]，每年都需要对汽车罐车进行定期检验，在定期检验时要对液位计进行检查，以保证汽车罐车的安全运行。

侧装式浮球液位计是近年来新出现的产品，安装在汽车罐车筒体上，在检验过程中发现其存在示数不准、支撑件断裂等问题。同时，由于是新出现的产品，其结构形式与传统液位计不同，目前尚无专用的检验装置。

1 液位计结构

目前，液化气体汽车罐车主要采用旋转管式液位计、旋转式浮球液位计和侧装式浮球液位计，前2种是传统液位计，侧装式浮球液位计是近年来新出现的产品，其应用范围逐渐扩大。

旋转管式液位计是安装在汽车罐车靠近罐体后封头的轴线上，当导管里端与液面齐平时，通过放气阀排出的是气液混合物，此时通过指针在刻度盘上的指示可知道罐中液体的位置。它是由放气阀、法兰、导管、刻度盘、压盖、锁紧螺母、把手、指针等零部件组成的，其结构如图1所示[4]。

图1 旋转管式液位计结构示意图Fig.1 Structural diagram of rotary tubular liquid level gauge

旋转式浮球液位计也是安装在汽车罐车后封头上，包括浮球组件、传动轴、配重块、内磁钢、外 磁钢、支架、法兰座、指针等零部件，其结构如图2 所示[5]。

图2 旋转式浮球液位计结构示意图Fig.2 Structural diagram of rotary floating ball level gauge

旋转管式液位计、旋转式浮球液位计都是安装在罐车后部的封头上，而侧装式浮球液位计与前两者结构有所不同，其安装在罐车筒体中部，装卸系统上方，仪表盘安装在筒体侧面，便于装卸液时观察液位，所有部件为纯机械结构，具有本质安全性，浮球与仪表之间通过圆锥齿轮传动，工作可靠；浮球为长圆形结构。其结构如图3所示[6-7]。

图3 侧装式液位计结构示意图Fig.3 Structural diagram of side-mounted liquid level gage

2 侧装式浮球液位计检验现状

天津市特种设备监督检验技术研究院在对某公司所属的20辆液化气体汽车罐车进行定期检验的过程中，发现多辆罐车存在液位计示数不归零、支撑结构断裂等问题，如图4所示。

图4 液位计缺陷示意图Fig.4 Defects of liquid level gages

液位计示数不归零可能是由于罐车长期运行后相互配合的2块磁铁发生错位造成的。而液位计支撑断裂都是发生在支撑管与筒体连接位置开裂时，可能是由于罐车运输过程中液体发生晃动，导致长期 对支撑管进行冲击，进而造成支撑管根部焊缝疲劳 开裂。

根据《压力容器定期检验规则》[3]，检验机构对汽车罐车进行定期检验时应对液位计进行检验，主要检验各零部件有无损伤变形，表盘刻度不清楚应当更换；检验浮球式液位计指示是否准确，否则要进行校正。目前对侧装式浮球液位计只能采用模拟法，利用钢卷尺等工具对液位计进行检验，因缺乏专业的检验装置，检测精度不高。针对传统的旋转管式液位计和旋转式浮球液位计，黄小宇等[8]设计了一套液位计检测与校准装置，在不借助校验介质的情况下，利用压力传感器和角度仪代替传统的钢卷尺等测量工具，通过数据采集和计算对液位计精度进行了评定，提高了检测效率。

3 液位计检验装置现状

液位计根据工作原理可以分为以下几类：浮力式、联通式、反射式等，罐车用旋转式浮球液位计和侧装式浮球液位计都是利用浮力原理设计的，根据最新发布实施的《液位计检定规程》(JJG 971—2019)[9]，液位计检定方式有2种，一种是横式液位模拟检定，另一种是立式液位检定。

目前国内研究机构针对不同类的液位计开发了相应的检验装置。河北省计量院廊坊分院吉喆等[10]研制了一种液位计自动检定装置，可以实现对浮子式、反射式、压力式、浮筒式、浮球式液位计的自动检定，但是它只适用于垂直方向浮动的浮球式液位计，不适用于旋转式浮球液位计，并且液位计均需拆卸后检验。国家大容量第一计量站张永波等[11]设计了一种立式储罐用自动类型液位计检定装置，该装置由激光干涉仪、自由态双浮子和25m高立式储罐构成，模拟浮球液位计的现场安装环境和工作状态，在立式储罐顶部安装激光干涉仪和待检液位计，通过检定装置的测量值和待检液位计测量值之间的差值得到待检液位计的最大允许误差。该装置是一种竖向的检定装置，量程能够覆盖12～25m范围，但也是只适用于在垂直方向移动的浮子式液位计，并且液位计需要拆卸后检验。王德利等[12]针对液位计检测是在实验室环境下完成，而现场安装完成以后受安装精度的影响导致浮子式液位计在实际使用中出现了计量不可靠的问题，为此设计了一套浮子式液位计原位校准系统确保液位计安装后的精度准确可靠，但液位计仍需拆卸。上海市计量院章天霈等[13]对无法拆卸和送检的液位计提出了一种新的针对磁性液位计的模拟检测方法，通过精确标记V形磁铁移动距离提高测量准确度，并代替水箱法检测，但同样无法适用于浮球式液位计。钟晨[14]依据液位计检定规程和等精度量值传递原理，针对20m以下的大型油罐设计了一套基于激光测距仪与参考板的雷达液位计在线检定与校准装置，能够在现场使用，具有便携性。新疆计量测试研究院塔依尔·斯拉普力等[15]采用高精度激光距离传感器作为主标准器和控制器，研制了导轨式自动检定装置，实现了反射式液位计(雷达式液位计和超声波式液位计)的全自动检测过程。

综上所述，针对不同类的液位计，各个机构都研制了对应的检测装置，但是没有见到能够现场检测侧装式浮球液位计的专用装置。

4 检验需求及难点

浮球能准确显示液位是根据阿基米德原理，故计算不同旋转角度下浮球排开的液体体积尤为重要。对于圆形浮球在不同角度下排开液体的体积，黄小宇等[8]在其研究中给出了计算公式；而侧装式浮球液位计的浮球形状为长圆形，长圆形浮球与液面的相对位置随着转动角度的不同而不断变化，浮球液面下部分的体积与浮球转动角度表现为复杂的非线性对应关系，由于检测时液位位置为未知量，采用解析法计算浮球液面下体积十分困难。另外，侧装式浮球液位计的浮球在同一横截面内作圆周运动，浮球通过液面高度变化带动锥齿轮、传动轴和指针转动达到测量的目的，与传统结构相比多了齿轮传动的环节，并且有支撑结构，受安装精度限制，安装过程中将产生新的随机误差，与实验室测量结果产生偏差。由于罐车送检时已将介质排放干净，只能采用模拟法对液位计示值误差进行校准，若拆卸后送检到计量机构，将大为延长罐车检验时间，增大企业运营成本，并且根据《特种设备检验检测机构核准规则》，RD7资质要求配备液位计校验装置，而目前未见侧装式浮球液位计专用检验装置。

5 结 语

近年来，移动式压力容器数量逐渐增多，国家于2018年建立了全国移动式压力容器公共信息追溯平台，加强了对移动式压力容器的监管。移动式压力容器运行安全与否关乎人民生命财产安全，液位计作为指示仪表，对保障移动式压力容器不超装具有至关重要的作用，同时因液位计故障、示数不准等给企业带来经济损失的现象时有发生，因此，有必要研制一种可供检验机构定期检验时使用的针对侧装式浮球液位计的现场检测装置，保障移动式压力容器安全运行、提升检验机构的检验能力，为监管机构加强监督工作提供技术支持。