Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?

Научные направления

Поделиться:
Статья опубликована в №134 (октябрь) 2024
Разделы: Техника
Размещена 30.10.2024. Последняя правка: 05.11.2024.
Просмотров - 430

РАДИОИЗОТОПНЫЙ СИГНАЛИЗАТОР-ИНДИКАТОР УРОВНЯ НЕФТЯНОГО КОКСА

Ашрапов Улугбек Товфикович

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


Аннотация:
В статье представлены сведения о радиоизотопных приборах (РИП), используемых в угледобывающей, металлургической, химической, целлюлозно-бумажной, добыче руд и цветных металлов, оптоволоконной, нефте-газо-перерабатывающих отраслях промышленности. РИП является незаменимым измерительным прибором для измерения уровня или плотности технологических продуктов. Приведены технические характеристики сигнализатора индикатора уровня радиоизотопного, предназначенного для сигнализации (выдачи дискретных сигналов) и определения уровня жидкого пенного продукта или твердого кокса в коксовой камере на уровне установки источника ионизирующего излучения цезия-137 и датчика (детектора гамма-излучения). Описан принцип работы измерительного прибора, даны его технических характеристики, иллюстрационное описание принципа регистрации гамма-квантов радионуклида Сs-137 фотоэлектронным умножителем в блоке детектирования.


Abstract:
The article presents information about radioisotope devices (RIDs) used in the coal mining, metallurgical, chemical, pulp and paper, ore and non-ferrous metals mining, fiber optic, oil and gas processing industries. RID is an indispensable measuring instrument for measuring the level or density of technological products. The technical characteristics of a radioisotope level indicator signaling device designed for signaling (issuing discrete signals) and determining the level of a liquid foam product or solid coke in the coke chamber at the level of installation of a source of cesium-137 ionizing radiation and a sensor (gamma radiation detector) are given. The operating principle of the measuring device is described, its technical characteristics are given, and an illustrative description of the principle of recording gamma quanta of the Cs-137 radionuclide by a photomultiplier in the detection unit is given.


Ключевые слова:
радиоизотопный прибор; нефтяной кокс; блок гамма-источника БГИ-75; радионуклид цезий-137; гамма-кванты; детекторный блок; фотоэлектронный умножитель; блок электроники

Keywords:
radioisotope device; petroleum coke; gamma source unit BGI-75; radionuclide cesium-137; gamma quanta; detector unit; photomultiplier; electronics unit


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.

Таблица 1. Габаритные размеры и масса СИУР.

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.

Таблица 2. Технические характеристики СИУР.

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.

Библиографический список:

1. Сигнализатор-индикатор уровня радиоизотопный СИУР. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ДЦЯ 476.00.000.ТО. Альбом 1. КБ с ОЗ при ИЯФ АН РУз, Ташкент, 2008, 29 с.
2. Основные санитарные правила работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующих излучений. ОСП-72/87, Москва, 1987, Дата актуализации: 01.01.2021
3. Аминжанов М., И.У. Ибраимов, У.Т. Ашрапов, И.И. Садиков. Радиоизотопный сигнализатор-индикатор уровня нефтяного кокса. АО «Научно-исследовательский институт технической физики и автоматизации», Москва, 2017, Выпуск 77, С. 70-78.
4. Audi G., Wapstra A. H., Thibault C. The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references. Nuclear Physics A. 2003, V. 729, pp. 337-676
5. Кононов С.А. Описание лабораторных работ по курсу Ядерный практикум. Учебно-методическое пособие. Новосибирск: НГУ, 2010, 68 с.




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.

31.10.2024 10:10 Ответ на рецензию автора Ашрапов Улугбек Товфикович:
Благодарю за рецензию, Ваши рекомендации были учтены и исправлены ошибки в тексте.



Комментарии пользователей:

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.


Оставить комментарий


 
 

Вверх