放射性废液罐液位计故障分析研究与处理

来源：作者：发布日期：2021-03-16

摘要: 核设施的放射性废液收集与处理系统通常采用吹气式液位计，本文根据一次吹气式液位计的故障，基于其现象及试验进行故障分析，得到压差变送器和吹气系统管路对仪表测量值的具体影响，并通过现场排查确定故障原因，总结吹气式液位计故障分析策略，目的是在液位计故障发生后，可以通过实际现象精准快速地判断故障原因，完成维修，保障核设施正常运行的同时，减少运行和维修人员的受照剂量，降低维修成本。

前言

放射性废液的收集是反应堆运行与退役的重要环节，放射性废液的液位测量更是十分重要，吹气式液位计是目前非常适合的测量仪表，它不但精度高、反应快，还有非接触的特点仪表不安装于放射性较高且密闭的罐体中，可以让检修人员在放射性计量相对小很多的开阔房间检修。［1］同时，吹气式液位计也被广泛应用于化工、石油等产业的受限场所和恶劣环境中。［2］在仪表故障时，维修阶段一般比较安全，但在排查阶段会耗费大量时间和精力，增加维修人员受照剂量和受害风险。本文基于一次吹气式液位计的故障分析与处理过程，总结其故障分析策略，帮助维修人员快速确定病因，减少受照剂量及维修成本。

1 工作原理简介

1. 1 系统简介

放射性废液收集与转运系统，主要功能是将反应堆调试与运行期间产生的放射性废液进行收集，并转运至三废处理中心，系统由收集管路、供气管路、吹气式液位计、放射性废液贮罐、转运管路、转运泵和相应阀门组成。贮罐设有高液位报警、低液位报警。

吹气式液位计原理示意图

1. 2 吹气式液位计原理

吹气式液位计主要由吹气装置、差压( 压力) 变送器和吹气管路三部分组成，［3］原理如图 1 所示，由低压空气系统来的( 0. 5 ～ 0. 7) MPa 的压缩空气进入吹气装置的恒流阀，调节至( 0. 2 ～ 0. 4) MPa 后进入浮子流量计，分别经吹气管恒定的从 A、C 处吹气，A 处应均匀的冒出少量气泡。由于从吹气管排出的气体流量非常小，A 处气体压力 PA 与液体介质的压力相等，B 处气体压力 PB 等于 PA 加上 A、B两处之间的压力差 ΔPAB，吹气管 D 处气体压力 PD等于 C 处气体 PC 加上 C、D 两处之间的压力差ΔPCD。通过差压变送器测量 B、D 两处的压力差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———液体密度; g———重力加速度。

由于 AB 的距离和 CD 的距离一致、流量一致， AB、CD 之间的压力差也相等，因此: ΔPAB = ΔPCD

所以: ΔPBD = ρ·g·h

通过测量 ΔPBD 就可计算出容器内液位高度 h。

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2 吹气式液位计故障处理

2. 1 故障现象

反应堆运行期间，会不定期排放放射性废水，一次放射性废水排放的过程中，运行人员接到废液排放指令后，液位长时间处于1530mm 未变化，但高液位报警已触发，立即确认废水排放状态，发现排水正常后，判断为液位计故障，立刻通知停止排水，但为时已晚，已有部分放射性废水溢流在贮罐房间中。

吹气式液位计原理示意图

如图 2 所示，查询历史记录，并根据废液排放量进行估算分析，在前一次排水时，接收至 1530mm 时液位不再变化，误认为已接收完成，但此时液位计已发生故障且持续接受废水，实际液位经估算已超过1530mm，在第二次接收时，高液位报警时未及时停止接收废水，导致废水溢流情况。

通过排水时液位测量值的变化，进一步确认液位计故障原因，如图 3 所示，启泵后流量显示正常，但液位测量值没有下降，经检查运转正常。启泵后5min 发现贮罐高液位报警解除，但液位计测量值无变化。进一步观察发现，启泵的 12min 后，液位开始出现明显的下降，直到排至测量值为 100mm 左右，根据运行经验，发现液位降低速率略低于正常转运时的速率。

排水液位变化曲线

2. 2 故障原因分析

由故障现象可知，液位计无法测量 1530mm 以上的数据，并且可能存在测量值低于实际液位值的情况。根据吹气式液位计的测量原理，可分为两部分进行故障分析: 压差变送器和吹气系统。［6］

2. 2. 1 压差变送器故障

( 1) 压差变送器未归零，可能在停表后电流输出为负值，导致测量值偏低; ( 2) 压差变送器测量部分或电路部分问题，导致测量偏小或电流输出偏小。

2. 2. 2 吹气系统故障

吹气系统故障直接影响测量数值，由于吹气系统故障的多样性，影响也不尽相同，所以设计如下试验，确定吹气系统不同故障对测量值的影响: ［5］

分别在压力变送器 H 端和 L 端加装一个三通气阀，气阀一端连接仪表管路，另一端放空。通过对三通气阀的开关模拟仪表管路漏气与堵塞的情况，管路端常开，放空端常关，关闭管路端模拟管路堵塞，开启放空端模拟管路漏气。为验证不同管路漏气与堵塞对测量的影响，首先预留 1003mm 水，以保证 1000mm 的液位变化余量，再分别设置 H 端漏气、H 端堵塞、L 端漏气、L 端堵塞 4 组实验，4 种情况下，阀门开度每变化 10% 测量一次，为保护仪表，试验过程中若发现测量数值变化不大或接近高、低量程时，停止阀门变化，记录数据，如图 4 所示。

不同情况下的测量液位值曲线图

根据 ΔPBD = ρ·g·h 分析，当 H 端压力偏高或 L端压力偏低时，ΔPBD 值增大，显示液位显示偏大; 当 H 端压力偏低或 L 端压力偏高时，ΔPBD 值减小，显示液位显示偏小，［7］与实验数据趋势相同。

故吹气式液位计吹气系统可能存在以下故障: ( 1) L 端吹气管路堵塞或 H 端管路漏气，导致测量值偏低，在测量值为 1530mm 时仪表本身已达非常高量程; ( 2) 气源压力过低，液位在 1530mm 以上时无法克服液体压力，使 A 管口冒泡不均匀或无法冒泡，导致测量不到 1530mm 以上的液位; ( 3) 吹气装置的玻璃浮子流量计故障堵塞导致供气压力过低，使 A 管口冒泡不均匀或无法冒泡，导致测量不到 1530mm 以上的液位。

2. 3 实际处理情况

针对以上分析出的 5 种故障原因，在现场根据检查方法由易到难的步骤进行排查: ( 1) 检查压差变送器是否归零现场将三阀组的连接阀开至全开状态，即令压差变送器 H、L 端连通，压差为零。此时测量液位为( 0 ± 2) mm，故排除压差变送器未归零情况。 ( 2) 检查气源压力是否正常查看低压压缩空气系统，机组正常运行，各参数稳定，供气正常，系统阀门开度正常。于吹气装置进气口处查看就地压力表，示数在( 0. 5 ～ 0. 6) MPa 间轻微波动，符合吹气装置对气源要求的( 0. 4 ～ 0. 8) MPa范围故排除气源压力不够的情况。 ( 3) 检查吹气装置的玻璃浮子流量计是否正常就地打开吹气装置仪表箱，观察各玻璃浮子流量计，流量计外观完好，浮子在 70% 位置，符合要求，调节流量调节阀，浮子可以上下浮动，故排除玻璃浮子流量计故障堵塞问题。 ( 4) 检查吹气管路 H 端是否漏气现场利用检漏喷雾，对 H 端管路的接口与焊缝进行检漏，发现压差变送器进气口接口处出现明显的鼓泡现象，存在漏气问题，判断 H 端管路漏气导致测量液位值偏低的故障。

用扳手紧固了接口处的螺母后，用检漏喷雾验证不再漏气，其余焊缝和接口均无漏气现象。 ( 5) 将压差变送器送校验机构检测，结果为仪表测量处于允许误差范围内，排除压差变送器测量部分或电路部分故障。

2. 4 测量准确性验证

对维修完成后的吹气式液位计测量准确性进行验证。由于贮罐存放于密闭空间，且有较高放射性剂量，无法进行包含吹气系统在内的仪表现场检定，故采用卷尺进行粗略测量。

打开低放废液贮罐顶盖，间断向贮罐注水至高液位报警，利用卷尺粗略测量实际液位高度，并与吹

气式液位计测量值进行比对，如图 5 所示。观察到仪表测量值均比实际测量值低 100mm 左右，由于防止杂质进入管道，H 端吹气管口距离罐底 100mm，而实际测量时将卷尺伸至罐底，且忽略卷尺测量的较大误差，故证明吹气式液位计测量准确，H 端管路漏气为故障原因。

仪表测量准确性验证