摘 要: 核設(shè)施的放射性廢液收集與處理系統(tǒng)通常采用吹氣式液位計(jì)，本文根據(jù)一次吹氣式液位計(jì)的故障，基于其現(xiàn)象及試驗(yàn)進(jìn)行故障分析，得到壓差變送器和吹氣系統(tǒng)管路對(duì)儀表測(cè)量值的具體影響，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)排查確定故障原因，總結(jié)吹氣式液位計(jì)故障分析策略，目的是在液位計(jì)故障發(fā)生后，可以通過(guò)實(shí)際現(xiàn)象精準(zhǔn)快速地判斷故障原因，完成維修，保障核設(shè)施正常運(yùn)行的同時(shí)，減少運(yùn)行和維修人員的受照劑量，降低維修成本。

前言

放射性廢液的收集是反應(yīng)堆運(yùn)行與退役的重要環(huán)節(jié)，放射性廢液的液位測(cè)量更是十分重要，吹氣式液位計(jì)是目前非常適合的測(cè)量?jī)x表，它不但精度高、反應(yīng)快，還有非接觸的特點(diǎn)儀表不安裝于放射性較高且密閉的罐體中，可以讓檢修人員在放射性計(jì)量相對(duì)小很多的開(kāi)闊房間檢修。［1］同時(shí)，吹氣式液位計(jì)也被廣泛應(yīng)用于化工、石油等產(chǎn)業(yè)的受限場(chǎng)所和惡劣環(huán)境中。［2］在儀表故障時(shí)，維修階段一般比較安全，但在排查階段會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間和精力，增加維修人員受照劑量和受害風(fēng)險(xiǎn)。本文基于一次吹氣式液位計(jì)的故障分析與處理過(guò)程，總結(jié)其故障分析策略，幫助維修人員快速確定病因，減少受照劑量及維修成本。 

1 工作原理簡(jiǎn)介

1. 1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

放射性廢液收集與轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，主要功能是將反應(yīng)堆調(diào)試與運(yùn)行期間產(chǎn)生的放射性廢液進(jìn)行收集，并轉(zhuǎn)運(yùn)至三廢處理中心，系統(tǒng)由收集管路、供氣管路、吹氣式液位計(jì)、放射性廢液貯罐、轉(zhuǎn)運(yùn)管路、轉(zhuǎn)運(yùn)泵和相應(yīng)閥門組成。貯罐設(shè)有高液位報(bào)警、低液位報(bào)警。 

1. 2 吹氣式液位計(jì)原理

吹氣式液位計(jì)主要由吹氣裝置、差壓( 壓力) 變送器和吹氣管路三部分組成，［3］原理如圖 1 所示，由低壓空氣系統(tǒng)來(lái)的( 0. 5 ～ 0. 7) MPa 的壓縮空氣進(jìn)入吹氣裝置的恒流閥，調(diào)節(jié)至( 0. 2 ～ 0. 4) MPa 后進(jìn)入浮子流量計(jì)，分別經(jīng)吹氣管恒定的從 A、C 處吹氣，A 處應(yīng)均勻的冒出少量氣泡。由于從吹氣管排出的氣體流量非常小，A 處氣體壓力 PA 與液體介質(zhì)的壓力相等，B 處氣體壓力 PB 等于 PA 加上 A、B兩處之間的壓力差 ΔPAB，吹氣管 D 處氣體壓力 PD等于 C 處氣體 PC 加上 C、D 兩處之間的壓力差ΔPCD。通過(guò)差壓變送器測(cè)量 B、D 兩處的壓力差ΔPBD 即可得到容器的液位高度 h。

 PA － ρ·g·h = PC PB = PA + ΔPAB

可得出: PB = PC + ΔPAB + ρ·g·h 

PD = PC + ΔPCD 

ΔPBD = ρ·g·h + ΔPAB － ΔPCD

式中: ρ———液體密度; g———重力加速度。

由于 AB 的距離和 CD 的距離一致、流量一致， AB、CD 之間的壓力差也相等，因此: ΔPAB = ΔPCD

所以: ΔPBD = ρ·g·h

通過(guò)測(cè)量 ΔPBD 就可計(jì)算出容器內(nèi)液位高度 h。

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2 吹氣式液位計(jì)故障處理

2. 1 故障現(xiàn)象

反應(yīng)堆運(yùn)行期間，會(huì)不定期排放放射性廢水，一次放射性廢水排放的過(guò)程中，運(yùn)行人員接到廢液排放指令后，液位長(zhǎng)時(shí)間處于1530mm 未變化，但高液位報(bào)警已觸發(fā)，立即確認(rèn)廢水排放狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)排水正常后，判斷為液位計(jì)故障，立刻通知停止排水，但為時(shí)已晚，已有部分放射性廢水溢流在貯罐房間中。

如圖 2 所示，查詢歷史記錄，并根據(jù)廢液排放量進(jìn)行估算分析，在前一次排水時(shí)，接收至 1530mm 時(shí)液位不再變化，誤認(rèn)為已接收完成，但此時(shí)液位計(jì)已發(fā)生故障且持續(xù)接受廢水，實(shí)際液位經(jīng)估算已超過(guò)1530mm，在第二次接收時(shí)，高液位報(bào)警時(shí)未及時(shí)停止接收廢水，導(dǎo)致廢水溢流情況。

通過(guò)排水時(shí)液位測(cè)量值的變化，進(jìn)一步確認(rèn)液位計(jì)故障原因，如圖 3 所示，啟泵后流量顯示正常，但液位測(cè)量值沒(méi)有下降，經(jīng)檢查運(yùn)轉(zhuǎn)正常。啟泵后5min 發(fā)現(xiàn)貯罐高液位報(bào)警解除，但液位計(jì)測(cè)量值無(wú)變化。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，啟泵的 12min 后，液位開(kāi)始出現(xiàn)明顯的下降，直到排至測(cè)量值為 100mm 左右，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)液位降低速率略低于正常轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)的速率。

2. 2 故障原因分析

由故障現(xiàn)象可知，液位計(jì)無(wú)法測(cè)量 1530mm 以上的數(shù)據(jù)，并且可能存在測(cè)量值低于實(shí)際液位值的情況。根據(jù)吹氣式液位計(jì)的測(cè)量原理，可分為兩部分進(jìn)行故障分析: 壓差變送器和吹氣系統(tǒng)。［6］

 2. 2. 1 壓差變送器故障

( 1) 壓差變送器未歸零，可能在停表后電流輸出為負(fù)值，導(dǎo)致測(cè)量值偏低; ( 2) 壓差變送器測(cè)量部分或電路部分問(wèn)題，導(dǎo)致測(cè)量偏小或電流輸出偏小。 

2. 2. 2 吹氣系統(tǒng)故障

吹氣系統(tǒng)故障直接影響測(cè)量數(shù)值，由于吹氣系統(tǒng)故障的多樣性，影響也不盡相同，所以設(shè)計(jì)如下試驗(yàn)，確定吹氣系統(tǒng)不同故障對(duì)測(cè)量值的影響: ［5］

分別在壓力變送器 H 端和 L 端加裝一個(gè)三通氣閥，氣閥一端連接儀表管路，另一端放空。通過(guò)對(duì)三通氣閥的開(kāi)關(guān)模擬儀表管路漏氣與堵塞的情況，管路端常開(kāi)，放空端常關(guān)，關(guān)閉管路端模擬管路堵塞，開(kāi)啟放空端模擬管路漏氣。為驗(yàn)證不同管路漏氣與堵塞對(duì)測(cè)量的影響，首先預(yù)留 1003mm 水，以保證 1000mm 的液位變化余量，再分別設(shè)置 H 端漏氣、H 端堵塞、L 端漏氣、L 端堵塞 4 組實(shí)驗(yàn)，4 種情況下，閥門開(kāi)度每變化 10% 測(cè)量一次，為保護(hù)儀表，試驗(yàn)過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)測(cè)量數(shù)值變化不大或接近高、低量程時(shí)，停止閥門變化，記錄數(shù)據(jù)，如圖 4 所示。

根據(jù) ΔPBD = ρ·g·h 分析，當(dāng) H 端壓力偏高或 L端壓力偏低時(shí)，ΔPBD 值增大，顯示液位顯示偏大; 當(dāng) H 端壓力偏低或 L 端壓力偏高時(shí)，ΔPBD 值減小，顯示液位顯示偏小，［7］與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢(shì)相同。

故吹氣式液位計(jì)吹氣系統(tǒng)可能存在以下故障: ( 1) L 端吹氣管路堵塞或 H 端管路漏氣，導(dǎo)致測(cè)量值偏低，在測(cè)量值為 1530mm 時(shí)儀表本身已達(dá)非常高量程; ( 2) 氣源壓力過(guò)低，液位在 1530mm 以上時(shí)無(wú)法克服液體壓力，使 A 管口冒泡不均勻或無(wú)法冒泡，導(dǎo)致測(cè)量不到 1530mm 以上的液位; ( 3) 吹氣裝置的玻璃浮子流量計(jì)故障堵塞導(dǎo)致供氣壓力過(guò)低，使 A 管口冒泡不均勻或無(wú)法冒泡，導(dǎo)致測(cè)量不到 1530mm 以上的液位。 

2. 3 實(shí)際處理情況

針對(duì)以上分析出的 5 種故障原因，在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)檢查方法由易到難的步驟進(jìn)行排查: ( 1) 檢查壓差變送器是否歸零現(xiàn)場(chǎng)將三閥組的連接閥開(kāi)至全開(kāi)狀態(tài)，即令壓差變送器 H、L 端連通，壓差為零。此時(shí)測(cè)量液位為( 0 ± 2) mm，故排除壓差變送器未歸零情況。 ( 2) 檢查氣源壓力是否正常查看低壓壓縮空氣系統(tǒng)，機(jī)組正常運(yùn)行，各參數(shù)穩(wěn)定，供氣正常，系統(tǒng)閥門開(kāi)度正常。于吹氣裝置進(jìn)氣口處查看就地壓力表，示數(shù)在( 0. 5 ～ 0. 6) MPa 間輕微波動(dòng)，符合吹氣裝置對(duì)氣源要求的( 0. 4 ～ 0. 8) MPa范圍故排除氣源壓力不夠的情況。 ( 3) 檢查吹氣裝置的玻璃浮子流量計(jì)是否正常就地打開(kāi)吹氣裝置儀表箱，觀察各玻璃浮子流量計(jì)，流量計(jì)外觀完好，浮子在 70% 位置，符合要求，調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥，浮子可以上下浮動(dòng)，故排除玻璃浮子流量計(jì)故障堵塞問(wèn)題。 ( 4) 檢查吹氣管路 H 端是否漏氣現(xiàn)場(chǎng)利用檢漏噴霧，對(duì) H 端管路的接口與焊縫進(jìn)行檢漏，發(fā)現(xiàn)壓差變送器進(jìn)氣口接口處出現(xiàn)明顯的鼓泡現(xiàn)象，存在漏氣問(wèn)題，判斷 H 端管路漏氣導(dǎo)致測(cè)量液位值偏低的故障。

用扳手緊固了接口處的螺母后，用檢漏噴霧驗(yàn)證不再漏氣，其余焊縫和接口均無(wú)漏氣現(xiàn)象。 ( 5) 將壓差變送器送校驗(yàn)機(jī)構(gòu)檢測(cè)，結(jié)果為儀表測(cè)量處于允許誤差范圍內(nèi)，排除壓差變送器測(cè)量部分或電路部分故障。 

2. 4 測(cè)量準(zhǔn)確性驗(yàn)證

對(duì)維修完成后的吹氣式液位計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。由于貯罐存放于密閉空間，且有較高放射性劑量，無(wú)法進(jìn)行包含吹氣系統(tǒng)在內(nèi)的儀表現(xiàn)場(chǎng)檢定，故采用卷尺進(jìn)行粗略測(cè)量。

打開(kāi)低放廢液貯罐頂蓋，間斷向貯罐注水至高液位報(bào)警，利用卷尺粗略測(cè)量實(shí)際液位高度，并與吹

氣式液位計(jì)測(cè)量值進(jìn)行比對(duì)，如圖 5 所示。觀察到儀表測(cè)量值均比實(shí)際測(cè)量值低 100mm 左右，由于防止雜質(zhì)進(jìn)入管道，H 端吹氣管口距離罐底 100mm，而實(shí)際測(cè)量時(shí)將卷尺伸至罐底，且忽略卷尺測(cè)量的較大誤差，故證明吹氣式液位計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確，H 端管路漏氣為故障原因。

3 吹氣式液位計(jì)故障分析策略

放射性廢液處理普遍采用吹氣式液位計(jì)，本文提出幾項(xiàng)吹氣式液位計(jì)故障分析的策略，故障出現(xiàn)時(shí)，幫助維修人員根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)變化現(xiàn)象，利用相應(yīng)的排查方案，快速判斷故障原因，減少就地排查時(shí)間，降低維修成本和維修認(rèn)員受照劑量。 3. 1 液位顯示偏大

3. 1. 1 故障現(xiàn)象

液位測(cè)量值比實(shí)際液位值偏大。 

3. 1. 2 可能原因

( 1) 氣源壓力過(guò)大導(dǎo)致壓差過(guò)大。 ( 2) 壓差變送器零點(diǎn)出現(xiàn)正向偏移。 ( 3) 吹氣系統(tǒng) L 端管路漏氣使壓差變大。 ( 4) 吹氣系統(tǒng) H 管路堵塞使壓差變大。 

3. 1. 3 排查方案

( 1) 檢查吹氣裝置進(jìn)氣口壓力和玻璃浮子流量計(jì)。 ( 2) 打開(kāi)三閥組的連通閥，觀察液位顯示是否為零( 3) 用檢漏噴霧檢查 L 端管路法蘭、焊縫、連接

處是否漏氣。 ( 4) 檢查玻璃浮子流量計(jì)是否正常，并進(jìn)行吹

氣試驗(yàn)檢查 H 端管道是否堵塞。 3. 2 液位顯示偏小

3. 2. 1 故障現(xiàn)象

當(dāng)液位顯示與實(shí)際值偏小時(shí)。 3. 2. 2 可能原因

( 1) 氣源壓力偏小。 ( 2) 壓差變送器出現(xiàn)零點(diǎn)負(fù)向偏移。 ( 3) 吹氣系統(tǒng) H 端管路漏氣使壓差變小。 ( 4) 吹氣系統(tǒng) L 端管路堵塞使壓差變小。 

3. 2. 3 排查方案

( 1) 檢查吹氣裝置進(jìn)氣口壓力和玻璃浮子流量計(jì)。 ( 2) 打開(kāi)三閥組的連通閥，觀察液位顯示是否為零。( 3) 用檢漏噴霧檢查 H 端管路法蘭、焊縫、連接處是否漏氣。 ( 4) 檢查玻璃浮子流量計(jì)是否正常，并進(jìn)行吹氣試驗(yàn)檢查 L 端管道是否堵塞。 

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)一次吹氣式液位計(jì)的故障，基于故障現(xiàn)象和儀表測(cè)量原理，采用理論分析和試驗(yàn)分析的方法，從壓差變送器和吹氣系統(tǒng)兩方面判斷故障原因，順利解決了問(wèn)題，并提出吹氣式液位計(jì)故障的分析策略，可以有效的減少維修成本，提高維修效率。

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