磁翻板液位计在液化气体储罐液面测量中的选用
介绍了液化气体储罐磁翻板液位计的浮子元件选用应注意的问题和检验中对浮子元件检查、测量及相关的计算方法, 为磁翻板液位计的选用、检验提供借鉴。
1 前言
液面计是用于指示压力容器液位的重要安全附件。特别是液化气体储罐, 液位计指示是否准确,关系到储罐的安全运行。但在选用和检验中常被忽视。如液化石油气储罐就有因液面计选择错误, 而在使用中失效, 维修时发生液化石油气泄漏造成事故的案例。
2000年11月, 某新建液化石油气站在维修不
能正常指示液位的液面计时, 发生严重的液化石油气泄漏事故, 共泄漏液化石油气8 t, 险些造成灾害。事故后对失效的液位计进行检测、计算, 确认此次事故是由于液位计浮子元件选择错误, 浮子元件的几何尺寸、材料、指示误差等不适用于液化石油气介质, 造成液面计失效, 维修过程中没有认真确认而导致的。因此, 液化气体储罐采用磁翻板液位计时的选用、性能测量和检验中的确认计算不可忽视。
本文以上述事故中使用的磁翻板液位计为例, 阐述选用磁翻板液位计应注意的问题及储罐检验时对液面计进行测量、检验及计算的方法。
2 磁翻板液位计的选用
磁翻板液位计的工作原理是浮子元件在液体浮力作用下, 漂浮于液体的气液分界面位置, 装于浮子浸液界面位置的磁性元件与外部铁磁元件耦合转动, 指示液位的高低。操作人员不能象观察玻璃板式液位计那样直接看到液位。因此, 磁浮子式液位计指示液位是否准确与储罐内的液体密度、浮子元件的几何尺寸、浮子元件材料、介质温度变化范围有关, 选用时必须注意。浮子元件结构如图1。
2.1 浮子元件几何尺寸应符合储罐内盛装介质的密度要求
图1 浮子元件结构
浮子元件在液体中所受的力有两个:重力G和浮力F , 二力方向相反。
当F >G 浮子元件浮起, 可以正常指示液位;当F =G浮子元件处于平衡状态, 悬浮在液体中的任何位置, 不能指示液位;当F <G 浮子元件沉降于液体下部, 不能指示液位。
根据浮力定律:F =V ρ g
浮子元件所受浮力大小与液体介质的密度、浮子元件浸入液体的体积有关。如浮子元件质量不变, 浮力与液体密度、浮子元件浸入液体的体积成正比;若所受浮力F 大小不变时, 浮子元件浸入液体的体积与液体密度成反比。浮子元件要保持浮力F , 且使F >G时才能正常指示液位。此时液体密度增大, 浮子元件的体积可减小;液体密度减小, 浮子元件的体积就要增加。
2.2 浮子元件材料
不同材料制成的浮子元件质量不同, 其在液体中所受的重力不同。重力G =m g, 如前所述, 只有G <F 时浮子元件才能浮起, 其重力与浮子元件的质量大小有关。
按照浮子元件浮起的要素分析:
V ρ g >m g
如浮子元件浸入液体体积V 不变, 液体的密度与浮子元件的质量成正比, 即液体密度大, 浮子元件的质量需要大一些。另外, 浮子元件材料与介质的腐蚀等性能、温度范围有关。
现在常用的浮子元件有四氟塑料、不锈钢薄板、薄铜板等三种。四氟塑料浮子元件质量较大,适用于密度较大、温度较低的介质, 如液氯密度为1.25 kg /L 、液氨密度为0.56 kg /L, 适合用四氟塑料材料。不锈钢薄板、薄铜板浮子元件质量较小,适用于密度较小、温度范围较大的介质, 如液化石油气密度为0.42 kg /L, 适合用不锈钢薄板、薄铜板材料。
2.3 指示误差
一般液化气体储罐的液位高度指示误差应≤10mm。
3 对浮子元件的测量
3.1 浮子元件直径测量
测量工具:游标卡尺
实测***大直径Dmax =51.0 mm
实测***小直径Dm in =49.1 mm
平均直径D =Dm ax +Dmin
2=51.0 +49.1
2=50.05 mm
3.2 浮子元件体积测量
测量方法:浸水排积法
将被测物测积部分浸入量筒水中, 以所排开水的体积为被测物测积部分体积。测量器具:1000 mL量筒
3.2.1 浮子元件下部浸入液体中的凸球形封堵体积Vf量筒内盛水Vs f =800 mL将浮子元件凸球形封堵高Hf =18 mm 部分浸入量筒水中, 测得量筒指示总体积Vz f =820mL。凸球形封堵体积
Vf =Vz f -Vs f
=820 – 800 =20mL
=0.02 ×10- 3 m3
3.2.2 浮子元件设计标定浸入液体中高度为H1 时
(磁性元件安装于浮子内位置)的体积V1量筒内盛水Vs1 =500mL将浮子元件设计标定浸入液体中高度为H1 =200 mm以下段浸入量筒水中, 测得量筒指示总体积Vz1 =910mL。
浮子元件设计标定浸入液体中高度为H1 时(磁性元件安装于浮子内位置)的体积
V1 =Vz1 -Vs1
=910 -500 =410 mL
=0.41 ×10 -3m3
3.2.3 浮子元件全体积V
量筒内盛水Vs2 =450mL
将浮子元件全部浸入量筒水中, 测得量筒指示总体积V =965 mL。
浮子元件全体积
V =Vz2 -Vs2
=965 -450
=515mL =0.515 ×10- 3 m3
3.2.4 浮子元件质量测量
测量器具:JPT架盘天平精度±0.5 g , ***大量程500 g。
测得浮子元件质量
m =255.0 g =0.255 kg
4 浮子元件浮力及指示液位性能计算
浮子元件在液位计浮筒内所受的力为浮力F 、重力G(如图2)。
图2 浮子元件在液位计浮筒内所受的力
4.1 浮子元件在介质内所受重力
G =m g =0.255 ×9.8 =2.499 N
4.2 浮子元件按出厂标明状态的性能验算
4.2.1 浮子全浸入标明密度的介质中所受浮力其中, ρ1为标明介质密度。
出厂标明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 浮子元件设计浸液高度H1 时所受浮力验算
F 11 =V1 ρ1 g=0.41 ×10-3 ×0.56 ×103 ×9.8=2.25 N
∵F11 <G
∴浮子元件在设计介质中浸液高度H1 时不能浮起。若使浮子元件呈浮起状态, 就要增加浮子元件浸入液体体积, 增加浮力至F 12 =G, 此时实际浸液高度H2 >H1 , 则浮子元件存在指示误差。
4.2.3 浮子元件指示误差验算设:浮子元件在设计介质内实际浸液高度H2 处所受的重力与浮力达到平衡状态:
F 12 =G
即:V2 ρ1 g =m g
此时浮子元件浸液体积为V2
V2 =m g
ρ1 g=m
ρ1= 0.255
0.56 ×103=0.455 ×10-3 m
且V1 <V2
∴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
设计误差:ΔHs =1.0 cm
∵ΔH >ΔHs
∴浮子元件在设计介质中的实际浸液高度高于
设计浸液高度, 即浮子元件内装的磁性元件位置低于实际液面位置2.3 cm, 使该液面计实际误差超过设计误差范围, 液面计指示液位低于真实液位。4.3 该浮子元件在液化石油气介质中的浮力验算以混合液化石油气为例, 其密度一般取ρ1 =0.42 ×103 kg /m3 。
浮子元件全部浸入液体中的浮力F 2
F2 =V ρ2 g=0.515 ×10- 3 ×0.42 ×103 ×9.8=2.12 N
∵此时F2 >G
∴该浮子元件在液化石油气介质中不能浮起,
即该浮子元件不适用于液化石油气介质。
5 结 论
根据以上分析计算得出如下结论:
1.液化气体储罐液面计如选用磁浮子式, 应注意液面计适用的介质密度, 如果是液化石油气介质, 应选用薄不锈钢板材料、体积稍大、重量较轻的浮子元件, 并一定在安装前检查确认浮子元件。
2. 环境温差较大的液化气体储罐选用液面计指示误差要尽可能小, 并要进行误差测量、验算。
3. 液化气体储罐进行定期检验时, 液面计应作为检验重点, 要对浮子元件进行检查、测量, 并进行浮子元件性能验算, 防止因浮子元件损坏或选择不当而导致液面计失效, 造成事故。
4. 浮子元件是中空薄壳结构, 要保证浸在液体中能够浮起指示液位, 就要在承受外压时具有良好的密封性能。在对浮子元件检查时要注意检查元件的焊缝及表面, 不得有裂纹、气孔等贯穿缺陷和导致元件渗漏、不能保证密封性能的缺陷。