кандидат технических наук
Институт ядерной физики Академии наук Республики Узбекистан
старший научный сотрудник
Ибраимов Рустем Изетович, инженер-технолог, Конструкторское бюро с опытным заводом при Институте ядерной физики Академии наук Республики Узбекистан
УДК 621.039.83
Актуальность. Разработка современных радиационных технологий и высокоточных импортозамещающих измерительных радиоизотопных приборов, предназначенных для измерения уровня и плотности технологических продуктов в промышленных предприятиях Узбекистана является актуальной задачей.
Введение. В настоящее время в угледобывающей, металлургической, химическая, целлюлозно-бумажной, добыче руд и цветных металлов, оптоволоконной, нефте-газо-перерабатывающий отраслях промышленности широко используются радиоизотопные приборы (РИП) - уровнемеры и плотномеры зарубежных производителей Endress+Hauser (Швейцария) и Bеrthold GmbH&Co (Германия). РИП предназначены для непрерывного бесконтактного измерения уровня или плотности газообразных, жидких и сыпучих технологических продуктов в различных закрытых (открытых) емкостях цилиндрической, конической, сферической или сложной формы. Работа РИП основана на поглощении гамма-излучения источника ионизирующего излучения (Сs-137 или Со-60) технологическим продуктом при прохождении через измеряемую среду и регистрации гамма-излучения блоком детектирования РИП. Радиометрическое измерение уровня с использованием блока гамма-источника и детектора обеспечивает надежные результаты измерений там, где другие принципы измерения (ультразвук, поплавок, буёк, пьезометр и др.) не могут быть использованы из-за экстремальных условий технологического процесса (высокая влажность, температура, давление, химически вредная среда) или из-за механических, геометрических или конструктивных условий измерения уровня или плотности технологических продуктов. В составе РИП используются блоки гамма-излучения с радиоактивным закрытым источником ионизирующего излучения цезий-137, импортирование которого из-за рубежа связано с некоторыми трудностями по доставке, сервисного обслуживания и утилизации после использования назначенного срока службы источника. В настящее время разработка отечественного импортозамещающего РИП является актуальной задачей.
Цель исследования – разработка импортозамещающего радиоизотопного сигнализатора-индикатора уровня нефтяного кокса (СИУР) на основе использования современных радиационных технологий.
Задачи исследования: Описание следующих параметров и характеристик СИУР и методов и принципов использованных в СИУР:
- основные рабочие блоки СИУР;
- блок гамма-излучения БГИ-75;
- блок детектирования;
- блок электроники;
- принцип метода измерения и условия эксплуатации СИУР;
- ядерные реакции распада радионуклида цезий-137;
- технические характеристики СИУР;
Научная новизна. В данной статье приведены технические характеристики СИУР, работающего в экстремальных условиях (высокая температура, коксовая пыль, химически вредные жидкости) и предназначенный для сигнализации (выдачи дискретных сигналов) при заполнение в коксовой камере жидкого пенного продукта или твердого кокса на уровне установки источника излучении и датчика (детектора гамма-излучения). СИУР может также применятся, как индикатор уровня химически агрессивных жидкостей, заполняющих технологические емкости на предприятиях химической, горнодобывающей отраслей промышленности.
Полученные результаты.
Блок детектирования регистрирует гамма-излучение радионуклида Cs-137, прошедшее через коксовую камеру и формирует выходные электрические сигналы пропорциональные значению уровня продукта (нефтяной кокс, пенный продукт) в коксовой камере. Блок электроники по обработке информации СИУР регистрирует сигналы, поступающие из блока детектирования, проводит индикацию измеренного значения уровня продукта и формирует выходные аналоговые сигналы от 4 до 20 мА.
В комплект СИУР [1] входят (рис.1): блок гамма-излучения БГИ-75 с закрытым источником ионизирующего излучения цезий-137; блок детектирования в кожухе; блок электроники; коаксиальный кабель РК-75-7-27; имитатор пены сигнал; имитатор кокса сигнал .
Рис. 1. Сигнализатор-индикатор уровня нефтяного кокса радиоизотопный.
Габаритные размеры и масса СИУР показаны в таблице 1.
№ |
Наименование |
Размер, мм |
Масса, кг |
1. |
Блок гамма-излучения: БГИ-75 |
300 x 400 x 300 |
80 |
2. |
Датчик (детектор в кожухе) |
2700 x 195 x 195 |
15 |
3. |
Блок электроники |
206 x 190 x 345 |
5 |
Основное назначение блока гамма-излучения – применение в составе СИУР, а также хранение и перевозка закрытого источника ионизирующего излучения с радионуклидом Cs-137, который хранится в прочной герметичной капсуле, которая гарантирует безопасное обращение. Корпус из стали и нержавеющей стали с защитным покрытием обеспечивает стабильный экранирующий эффект, защищает от коксовой пыли, влаги, агрессивных воздействий. Блок гамма-излучения имеет встроенную защиту от гамма-радиации (свинец толщиной 75 мм).
Блок гамма-излучения БГИ-75 заряжается источником цезий-137 ГСs7.021.4 активностью 6,1×1010 Бк (1,64 Кu). Мощность эквивалентной дозы гамма-излучения составляет не более 100 мкЗв/ч на расстоянии 0 см от поверхности блока источника и не превышает 30 мкЗв/ч на расстоянии 1 м от поверхности блока источника [2]. Блок источника излучения и блок детектирования СИУР располагаются на противоположных сторонах в диаметральной плоскости коксовой камеры (Рис.2).
Рис.2. Схема установки СИУР.
Корпус блока детектирования изготовлен из нержавеющей стали марки 12х18Н10Т и предназначен для защиты детектора от внешнего теплового воздействия и гамма-радиации источника цезия-137, а также обеспечения механической защиты и крепления датчика на объекте контроля. Охлаждение блока детектирования проводится магистральным воздухом (водой) через входные и выходные штуцеры. Блок детектирования выполнен во взрывозащищенном исполнении и имеет маркировку взрывозащитный Ехd IIСТ5. Блок электроники СИУР содержит модуль регистрации, модуль питания, трансформатор и узел индикации. Блок электроники устанавливается на пульте управления в расстоянии до 300 метров от блока детектирования.
Принцип работы СИУР следующий [3]: гамма-излучение от источника цезий-137 проходит через объект контроля (нефтяной кокс, пенный продукт) в коксовой камере и попадает на сцинтилляционный блок в детекторе ДЦЯ 2.809.046, где гамма-кванты преобразуется в последовательность выходных электрических сигналов, которые по коаксиальному кабелю РК-75-7-27 поступают в блок электроники. В блоке электроники происходит набор электрических импульсов за определенный промежуток времени, а количество набранных электрических импульсов дает информацию о содержимым продукте (пена, кокс, газ) в реакторе (коксовая камера, емкость, цистерна), которая отображается на светодиодах на лицевой панели блока электроники и выводится в виде аналогового токового сигнала на разъемы 0-5мА и 4-20мА для подключения к компьютеру. СИУР работает непрерывно (без остановки) в on-line режиме.
В СИУР реализован однолучевой гамма-абсорбционный метод измерения.
Ядерная реакция бета-распада радионуклида Сs-137, происходящая в блоке гамма- излучения БГИ-75 cледующий: радионуклид 137Сs (Т1/2=30,17 лет) по бета-распаду распадается в изомер 137mBa (Т1/2=2,552 мин), который превращается в стабильный изотоп бария 137Ba по ядерной реакции [4]:
137Cs → 137mBa + e- + νe (1)
137mBa → 137Ba + γ (2)
В 94,4 % случаев радионуклид 137mBa по ядерной реакции (2) переходит в основное состояние стабильного изотопа 137Ba с испусканием гамма-квантов с энергией 661,7 кэВ, которые регистрируются блоком детектирования СИУР.
Блок детектирования служит для регистрации гамма-квантов, радионуклида цезий-137, прошедших через исследуемую среду (кокс, пена, сжиженный газ) объекта контроля (коксовая камера, цистерна, емкость). Блок детектирования СИУР состоит из корпуса, фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) в сцинтиблоке геофизическом вибротермопрочном типа БДЭГ4-43-02А (ОАО «Кристалл», г. Усолье–Сибирское, Россия) и детектора ДЦЯ 2.809.046 с платой электроники.
На рис. 3 показана иллюстративная конструкция ФЭУ, соединенный с сцинтиллятором, которая предназначена для регистрации гамма-квантов источника ионизирующего излучения цезий-137.
Рис.3. Схема фотоумножительной трубки, соединенной со сцинтиллятором [4].
Число первичных электронов (рис.1) в начальной группе пропорционально энергии падающего гамма-излучения высокой энергии (661,7 кэВ). Первичные электроны движутся к первому диноду и ускоряются электрическим полем. Каждый из них прибывает с кинетической энергией ≈100 эВ, переданной разностью потенциалов. При ударе о первый динод испускается больше электронов с низкой энергией, которые в свою очередь, ускоряются по направлению ко второму диноду. Геометрия цепи динодов такова, что каскад происходит с экспоненциально увеличивающимся числом электронов, производимых на каждом этапе. Если на каждом этапе в среднем производится 5 новых электронов для каждого входящего электрона, и если имеется 12 динодных этапов, то на последнем этапе можно ожидать для каждого первичного электрона около 512 ≈ 108 электронов. Это большое количество электронов, достигающих анода, приводит к резкому импульсу тока [5].
Технические характеристики СИУР показаны в таблице 2.
Наименование характеристики |
Значение |
Блок детектирования для контролируемых уровней, штуки |
3 |
Абсолютная величина отклонения уровня срабатывания от установленного при контроле уровня раздела фаз «кокс — воздух», м |
0,1 |
Время установления рабочего режима, мин |
30 |
Время измерения, сек |
120 |
Время непрерывный работы, час |
24 |
Параметры нагрузки переменного тока: напряжение, В |
220 |
Потребляемая мощность, Bт |
35 |
Электрический ток, А |
6 |
Выходные сигналы СИУР: тип сигнала |
световой, звуковой |
Наработка на отказ прибора не менее, час |
12500 |
Срок службы, лет |
6 |
Заключение
Радиоизотопный сигнализатор-индикатор уровня служит для сигнализации уровня технологических продуктов и устанавливается на любых коксовых камерах, реакторах, трубопроводных емкостях, цистернах, где необходимым условием измерения уровня является бесконтактное непрерывное измерение уровня нефтяного кокса, пенного продукта, химически вредных жидкостей, твердых и порошкообразных продуктов.
В настоящее время СИУР используется в технологических линиях Ферганского нефтеперерабатывающего завода (г. Фергана, Узбекистан) для измерения уровня нефтяного кокса и пенного продукта в коксовых камерах, а также 3-х уровневые типы СИУР используются в Бухарском нефтеперерабатывающем заводе (г. Бухара, Узбекистан) для измерения уровня сжиженного газа пропана-бутана по наливу в цистерны в железнодорожных эстакадах.
Рецензии:
30.10.2024, 16:54 Мирмович Эдуард Григорьевич
Рецензия: Хорошая и актуальная работа. Однако у рецензента есть незначительные "придирки". 1. Первая фраза в аннотации зануляет последующие претензии в тексте на научную ценность работы, которая в общоем-то нуждается хотя бы получестной защиты, ибо даже ссылки лишь на материалы порядка 15-летней давности. Ну, например, фраза типа: "В работе {3] приведены...., однако авторы использовали для перерасчёта, перенормировки уточнённые коэфициенты..." - в общем, хоть что-то отличающее научную работу от описания прибора 2. То, что СИУР - это сигнализатор... читатель узнал только из ссылки, аббревиатура опережает её расшифровку. 3. в Ссылке "сигнализатор-индикатора" надо "а" убрать. 4. Указать статус студента или инженера, настоящего автора этой "записки". 5. Описки типа "о предназначение" (на конце должно быть "и") проверить. После корректировки и учёта предложений рецензента работу ещё раз представить на рецензию.
2.11.2024, 8:15 Голубев Владимир Константинович Отзыв: Хорошая работа прикладной направленности. По классификации относится к области технической физики, поэтому было бы правильным добавить в вописании к разделу физика раздел техника. |