介紹了液化氣體儲罐側(cè)裝式磁翻板液位計的浮子元件選用應(yīng)注意的問題和檢驗中對浮子元件檢查、測量及相關(guān)的計算方法, 為側(cè)裝式磁翻板液位計的選用、檢驗提供借鑒。
1、前言
液面計是用于指示壓力容器液位的重要安全附件。特別是液化氣體儲罐, 液位計指示是否準確,關(guān)系到儲罐的安全運行。但在選用和檢驗中常被忽視。如液化石油氣儲罐就有因液面計選擇錯誤, 而在使用中失效, 維修時發(fā)生液化石油氣泄漏造成事故的案例。
2000年11月, 某新建液化石油氣站在維修不
能正常指示液位的液面計時, 發(fā)生嚴重的液化石油氣泄漏事故, 共泄漏液化石油氣8 t, 險些造成災(zāi)害。事故后對失效的液位計進行檢測、計算, 確認此次事故是由于液位計浮子元件選擇錯誤, 浮子元件的幾何尺寸、材料、指示誤差等不適用于液化石油氣介質(zhì), 造成液面計失效, 維修過程中沒有認真確認而導(dǎo)致的。因此, 液化氣體儲罐采用側(cè)裝式磁翻板液位計時的選用、性能測量和檢驗中的確認計算不可忽視。
本文以上述事故中使用的側(cè)裝式磁翻板液位計為例, 闡述選用側(cè)裝式磁翻板液位計應(yīng)注意的問題及儲罐檢驗時對液面計進行測量、檢驗及計算的方法。
2、側(cè)裝式磁翻板液位計的選用
側(cè)裝式磁翻板液位計的工作原理是浮子元件在液體浮力作用下, 漂浮于液體的氣液分界面位置, 裝于浮子浸液界面位置的磁性元件與外部鐵磁元件耦合轉(zhuǎn)動, 指示液位的高低。操作人員不能象觀察玻璃板式液位計那樣直接看到液位。因此, 磁浮子式液位計指示液位是否準確與儲罐內(nèi)的液體密度、浮子元件的幾何尺寸、浮子元件材料、介質(zhì)溫度變化范圍有關(guān), 選用時必須注意。浮子元件結(jié)構(gòu)如圖1。
2.1　浮子元件幾何尺寸應(yīng)符合儲罐內(nèi)盛裝介質(zhì)的密度要求

圖1浮子元件結(jié)構(gòu)
浮子元件在液體中所受的力有兩個:重力G和浮力F , 二力方向相反。
當F >G 浮子元件浮起, 可以正常指示液位;當F =G浮子元件處于平衡狀態(tài), 懸浮在液體中的任何位置, 不能指示液位;當F 根據(jù)浮力定律:F =V ρ g
浮子元件所受浮力大小與液體介質(zhì)的密度、浮子元件浸入液體的體積有關(guān)。如浮子元件質(zhì)量不變, 浮力與液體密度、浮子元件浸入液體的體積成正比;若所受浮力F 大小不變時, 浮子元件浸入液體的體積與液體密度成反比。浮子元件要保持浮力F , 且使F >G時才能正常指示液位。此時液體密度增大, 浮子元件的體積可減小;液體密度減小, 浮子元件的體積就要增加。
2.2　浮子元件材料
不同材料制成的浮子元件質(zhì)量不同, 其在液體中所受的重力不同。重力G =m g, 如前所述, 只有G 按照浮子元件浮起的要素分析:
V ρ g >m g
如浮子元件浸入液體體積V 不變, 液體的密度與浮子元件的質(zhì)量成正比, 即液體密度大, 浮子元件的質(zhì)量需要大一些。另外, 浮子元件材料與介質(zhì)的腐蝕等性能、溫度范圍有關(guān)。
現(xiàn)在常用的浮子元件有四氟塑料、不銹鋼薄板、薄銅板等三種。四氟塑料浮子元件質(zhì)量較大,適用于密度較大、溫度較低的介質(zhì), 如液氯密度為1.25 kg /L 、液氨密度為0.56 kg /L, 適合用四氟塑料材料。不銹鋼薄板、薄銅板浮子元件質(zhì)量較小,適用于密度較小、溫度范圍較大的介質(zhì), 如液化石油氣密度為0.42 kg /L, 適合用不銹鋼薄板、薄銅板材料。
2.3　指示誤差
一般液化氣體儲罐的液位高度指示誤差應(yīng)≤10mm。
3、對浮子元件的測量
3.1　浮子元件直徑測量
測量工具:游標卡尺
實測*大直徑Dmax =51.0 mm
實測*小直徑Dm in =49.1 mm
平均直徑D =Dm ax +Dmin
2=51.0 +49.1
2=50.05 mm
3.2　浮子元件體積測量
測量方法:浸水排積法
將被測物測積部分浸入量筒水中, 以所排開水的體積為被測物測積部分體積。測量器具:1000 mL量筒
3.2.1　浮子元件下部浸入液體中的凸球形封堵體積Vf量筒內(nèi)盛水Vs f =800 mL將浮子元件凸球形封堵高Hf =18 mm 部分浸入量筒水中, 測得量筒指示總體積Vz f =820mL。凸球形封堵體積
Vf =Vz f -Vs f
=820 - 800 =20mL
=0.02 ×10- 3 m3
3.2.2　浮子元件設(shè)計標定浸入液體中高度為H1 時
(磁性元件安裝于浮子內(nèi)位置)的體積V1量筒內(nèi)盛水Vs1 =500mL將浮子元件設(shè)計標定浸入液體中高度為H1 =200 mm以下段浸入量筒水中, 測得量筒指示總體積Vz1 =910mL。
浮子元件設(shè)計標定浸入液體中高度為H1 時(磁性元件安裝于浮子內(nèi)位置)的體積
V1 =Vz1 -Vs1
=910 -500 =410 mL
=0.41 ×10 -3m3
3.2.3　浮子元件全體積V
量筒內(nèi)盛水Vs2 =450mL
將浮子元件全部浸入量筒水中, 測得量筒指示總體積V =965 mL。
浮子元件全體積
V =Vz2 -Vs2
=965 -450
=515mL =0.515 ×10- 3 m3
3.2.4　浮子元件質(zhì)量測量
測量器具:JPT架盤天平精度±0.5 g , *大量程500 g。
測得浮子元件質(zhì)量
m =255.0 g =0.255 kg
4、浮子元件浮力及指示液位性能計算
浮子元件在液位計浮筒內(nèi)所受的力為浮力F 、重力G(如圖2)。

圖2　浮子元件在液位計浮筒內(nèi)所受的力
4.1　浮子元件在介質(zhì)內(nèi)所受重力
G =m g =0.255 ×9.8 =2.499 N
4.2　浮子元件按出廠標明狀態(tài)的性能驗算
4.2.1　浮子全浸入標明密度的介質(zhì)中所受浮力其中, ρ1為標明介質(zhì)密度。
出廠標明ρ1 =0.56 ×103 kg /m3
F 1 =0.515 ×10-3 ×0.56 ×103 ×9.8=2.83 N
∵F1 >G
∴浮子可以浮起。
4.2.2　浮子元件設(shè)計浸液高度H1 時所受浮力驗算
F 11 =V1 ρ1 g=0.41 ×10-3 ×0.56 ×103 ×9.8=2.25 N
∵F11 ∴浮子元件在設(shè)計介質(zhì)中浸液高度H1 時不能浮起。若使浮子元件呈浮起狀態(tài), 就要增加浮子元件浸入液體體積, 增加浮力至F 12 =G, 此時實際浸液高度H2 >H1 , 則浮子元件存在指示誤差。
4.2.3　浮子元件指示誤差驗算設(shè):浮子元件在設(shè)計介質(zhì)內(nèi)實際浸液高度H2 處所受的重力與浮力達到平衡狀態(tài):
F 12 =G
即:V2 ρ1 g =m g
此時浮子元件浸液體積為V2
V2 =m g
ρ1 g=m
ρ1= 0.255
0.56 ×103=0.455 ×10-3 m
且V1 ∴ΔV =V2 -V1=π D2 H2
4-π D2 H1
4= π D2
4(H2 -H1 )
ΔH =H2 -H1 =4 ΔV
π D2= 4 ×(0.455 ×10-3 -0.410 ×10-3 )
π ×(50.05 ×10- 3 )2=2.3 ×10- 2 m =2.3 cm
設(shè)計誤差:ΔHs =1.0 cm
∵ΔH >ΔHs
∴浮子元件在設(shè)計介質(zhì)中的實際浸液高度高于
設(shè)計浸液高度, 即浮子元件內(nèi)裝的磁性元件位置低于實際液面位置2.3 cm, 使該液面計實際誤差超過設(shè)計誤差范圍, 液面計指示液位低于真實液位。4.3　該浮子元件在液化石油氣介質(zhì)中的浮力驗算以混合液化石油氣為例, 其密度一般取ρ1 =0.42 ×103 kg /m3 。
浮子元件全部浸入液體中的浮力F 2
F2 =V ρ2 g=0.515 ×10- 3 ×0.42 ×103 ×9.8=2.12 N
∵此時F2 >G
∴該浮子元件在液化石油氣介質(zhì)中不能浮起,
即該浮子元件不適用于液化石油氣介質(zhì)。
5、結(jié)論
根據(jù)以上分析計算得出如下結(jié)論:
1.液化氣體儲罐液面計如選用磁浮子式, 應(yīng)注意液面計適用的介質(zhì)密度, 如果是液化石油氣介質(zhì), 應(yīng)選用薄不銹鋼板材料、體積稍大、重量較輕的浮子元件, 并一定在安裝前檢查確認浮子元件。
2. 環(huán)境溫差較大的液化氣體儲罐選用液面計指示誤差要盡可能小, 并要進行誤差測量、驗算。
3. 液化氣體儲罐進行定期檢驗時, 液面計應(yīng)作為檢驗重點, 要對浮子元件進行檢查、測量, 并進行浮子元件性能驗算, 防止因浮子元件損壞或選擇不當而導(dǎo)致液面計失效, 造成事故。
4. 浮子元件是中空薄殼結(jié)構(gòu), 要保證浸在液體中能夠浮起指示液位, 就要在承受外壓時具有良好的密封性能。在對浮子元件檢查時要注意檢查元件的焊縫及表面, 不得有裂紋、氣孔等貫穿缺陷和導(dǎo)致元件滲漏、不能保證密封性能的缺陷。