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側裝式磁翻板液位計在儲罐液面測量中的選用及計算方法
介紹了液化氣體儲罐側裝式磁翻板液位計的浮子元件選用應注意的問題和檢驗中對浮子元件檢查、測量及相關的計算方法, 為側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, 造成液面計失效, 維修過程中沒有認真確認而導致的。因此, 液化氣體儲罐采用側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裝式磁翻板液位計為例, 闡述選用側裝式磁翻板液位計應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、側裝式磁翻板液位計的選用
側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的液體密度、浮子元件的幾何尺寸、浮子元件材料、介質溫度變化范圍有關, 選用時必須注意。浮子元件結構如圖1。
2.1 浮子元件幾何尺寸應符合儲罐內盛裝介質的密度要求
圖1浮子元件結構
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, 懸浮在液體中的任何位置, 不能指示液位;當F
浮子元件所受浮力大小與液體介質的密度、浮子元件浸入液體的體積有關。如浮子元件質量不變, 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
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量成正比, 即液體密度大, 浮子元件的質量需要大一些。另外, 浮子元件材料與介質的腐蝕等性能、溫度范圍有關。
現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量較大,適用于密度較大、溫度較低的介質, 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、薄銅板浮子元件質量較小,適用于密度較小、溫度范圍較大的介質, 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≤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 浮子元件設計標定浸入液體中高度為H1 時
(磁性元件安裝于浮子內位置)的體積V1量筒內盛水Vs1 =500mL將浮子元件設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。
浮子元件設計標定浸入液體中高度為H1 時(磁性元件安裝于浮子內位置)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所受的力
4.1 浮子元件在介質內所受重力
G =m g =0.255 ×9.8 =2.499 N
4.2 浮子元件按出廠標明狀態的性能驗算
4.2.1 浮子全浸入標明密度的介質中所受浮力其中, ρ1為標明介質密度。
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
4.2.3 浮子元件指示誤差驗算設:浮子元件在設計介質內實際浸液高度H2 處所受的重力與浮力達到平衡狀態:
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
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
設計誤差:ΔHs =1.0 cm
∵ΔH >ΔHs
∴浮子元件在設計介質中的實際浸液高度高于
設計浸液高度, 即浮子元件內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中不能浮起,
即該浮子元件不適用于液化石油氣介質。
5、結論
根據以上分析計算得出如下結論:
1.液化氣體儲罐液面計如選用磁浮子式, 應注意液面計適用的介質密度, 如果是液化石油氣介質, 應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致液面計失效, 造成事故。
4. 浮子元件是中空薄殼結構, 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致元件滲漏、不能保證密封性能的缺陷。
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