液貨艙液位測(cè)量裝置研究

汪鋒泳

● （中國(guó)船級(jí)社浙江分社，浙江寧波 315010）

液貨艙液位測(cè)量裝置研究

汪鋒泳

● （中國(guó)船級(jí)社浙江分社，浙江寧波 315010）

針對(duì)IGC規(guī)則和IBC規(guī)則中關(guān)于液貨艙測(cè)量裝置的要求，對(duì)規(guī)則中要求閉式測(cè)量裝置的工作原理、優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用實(shí)例等方面進(jìn)行了研究，并對(duì)液位遙測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了介紹。

IGC規(guī)則；IBC規(guī)則；液貨艙液位測(cè)量裝置

0 引言

IGC規(guī)則和 IBC規(guī)則對(duì)液貨艙液位指示器（Level indicators）或液貨艙液位的測(cè)量裝置（gauging devices）做出了明確規(guī)定，從這些規(guī)定可看出，不同的貨品要求安裝有不同型式的測(cè)量裝置。液貨艙液位測(cè)量裝置分為開式裝置、限制式裝置和閉式裝置，其中閉式裝置又分為深入液貨艙裝置和不穿過(guò)液貨艙殼板與液貨艙無(wú)關(guān)的間接式裝置兩種。而對(duì)于液化氣體運(yùn)輸船舶，IGC規(guī)則對(duì)于閉式裝置有更嚴(yán)格的區(qū)分，將其分為三類。具體要求可參見中國(guó)船級(jí)社出版的《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》2006和《散裝運(yùn)輸危險(xiǎn)化學(xué)品船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》2009。

由于規(guī)則中涉及到的液貨艙液位測(cè)量裝置種類多，不同的裝置又有不同的工作原理和應(yīng)用領(lǐng)域，由于篇幅有限，本文僅對(duì)這兩本規(guī)范中提到的液貨艙閉式測(cè)量裝置從工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用實(shí)例等方面做了詳細(xì)闡述，對(duì)于開式和限制式液位測(cè)量裝置僅做簡(jiǎn)單介紹。

1 開式裝置

開式裝置在IBC規(guī)則的定義如下：利用液貨艙的開口進(jìn)行測(cè)量，可將測(cè)量?jī)x表放置于貨物或其蒸氣之中，如空檔測(cè)量孔就是一例。需要注意的是，本文通過(guò)對(duì)比 IGC規(guī)則和IBC規(guī)則得知，IGC規(guī)則中不允許液貨艙安裝開式測(cè)量裝置。

在IBC規(guī)則最低要求中有不少貨品的測(cè)量裝置為開式裝置。但是在實(shí)際使用中由于只載運(yùn)允許開式透氣裝置貨品的船舶很少存在，絕大部分化學(xué)品船適裝的貨品種類豐富，可能包括了要求安裝限制式裝置和閉式測(cè)量裝置的貨品種類，因此在化學(xué)品船上液貨艙安裝開式裝置的并不多見。

2 限制式裝置

2.1 化學(xué)品船液貨艙限制式測(cè)量裝置

IBC規(guī)則對(duì)于限制式裝置做出如下規(guī)定：此裝置伸入液貨艙，使用時(shí)允許少量貨物蒸氣或液體逸入大氣。不使用時(shí)，這種裝置是完全封閉的。其設(shè)計(jì)應(yīng)確保在打開這種裝置時(shí)不致使艙內(nèi)貨物（液體或氣霧）發(fā)生危險(xiǎn)的外溢。

限制式測(cè)量裝置在化學(xué)品船的液貨艙中較常見，在船舶建造時(shí)通常是在每個(gè)液貨艙頂部甲板上安裝一個(gè)測(cè)深管，測(cè)深管上安裝一個(gè)甲板閥（球閥），這種球閥和測(cè)深裝置或者取樣裝置能密閉且快速連接。

2.2 LPG船液貨艙限制式測(cè)量裝置

IGC規(guī)則中把固定管式和滑動(dòng)管式液位表作為此類裝置。滑管式液位計(jì)是目前LPG船舶上安裝的最常見的一種限制式測(cè)量裝置。

3 閉式裝置

在IBC規(guī)則中，閉式裝置分為兩類，一類裝置為伸入液貨艙，成為封閉系統(tǒng)的一部分，且能防止艙內(nèi)貨物逸出。例如浮筒式系統(tǒng)、電子探測(cè)器、磁性探測(cè)器和帶有防護(hù)的觀察裝置等；另一類用不穿過(guò)液貨艙殼板而與液貨艙無(wú)關(guān)的間接式裝置，如貨物稱重裝置和管式流量計(jì)等。

通過(guò)仔細(xì)和IGC規(guī)則對(duì)比發(fā)現(xiàn)，IGC規(guī)則中對(duì)于閉式裝置有更嚴(yán)格的區(qū)分，規(guī)則中將其分為三類，一類為間接式裝置如貨物稱重裝置和管式流量計(jì)等；第二類為不穿透液貨艙的裝置如使用放射性同位素的裝置或超聲波裝置等；第三類為穿透液貨艙的閉式裝置，如浮筒式系統(tǒng)、電子探頭、磁性探頭和氣泡管式指示器等。在 IGC規(guī)則最低要求中不同的貨品和這三類裝置相對(duì)應(yīng)，需要特別注意的是，氣體運(yùn)輸船如載運(yùn)氯(Chlorine)這種貨品時(shí)，液貨艙必須采用第一類間接式裝置和第二類裝置即不穿過(guò)液貨艙的測(cè)量裝置。這一要求在船舶設(shè)計(jì)和建造時(shí)需要充分引起關(guān)注。

3.1 間接式裝置

3.1.1 管式流量計(jì)

管式流量計(jì)屬流量?jī)x表類閥門，指示被測(cè)流量和(或)在選定的時(shí)間間隔內(nèi)流體總量的儀表。被廣泛適用于化工、石油等各個(gè)領(lǐng)域。缺點(diǎn)是不能應(yīng)用于能見度為零的液體、氣體或粘度系數(shù)極高介質(zhì)，如污水、原油、污泥和泥漿等。

雖然管式流量計(jì)在各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但是在液貨艙測(cè)量裝置中，由于在設(shè)計(jì)時(shí)船舶選擇了其他閉式測(cè)量裝置，因此這種測(cè)量裝置就上很少見到使用。然而對(duì)于液化氣體運(yùn)輸船，根據(jù) IGC規(guī)則的要求，如果船舶載運(yùn)氯貨品時(shí)，液貨艙必須采用間接式裝置如管式流量計(jì)了，但是在實(shí)際使用中確極少見到。

3.1.2 貨物稱重裝置

在液貨艙測(cè)量裝置中筆者尚未見到使用貨物稱重裝置。而對(duì)于液化氣體運(yùn)輸船，根據(jù)IGC規(guī)則的要求，在載運(yùn)氯（Chlorine）此種貨品時(shí)，液貨艙必須采用間接式裝置如貨物稱重等，但是在實(shí)際使用中尚未見過(guò)此種裝置。

3.2 不穿過(guò)液貨艙的閉式裝置

3.2.1 放射性同位素的裝置

放射性同位素是一個(gè)原子核不穩(wěn)定的原子，每個(gè)原子也有很多同位素，每組同位素的原子序雖然是相同，但卻有不同的原子量。如果這原子是有放射性的話，它會(huì)被稱為物理放射性核種或放射性同位素。放射性同位素會(huì)進(jìn)行放射性衰變，從而放射出伽瑪射線和次原子粒子。該技術(shù)在射線照相技術(shù)、測(cè)定技術(shù)方面等方面有著廣泛使用。但是作為液貨艙的測(cè)量裝置，還沒(méi)有沒(méi)有查到這方面的相關(guān)資料。

3.2.2 超聲波裝置

超聲波液位計(jì)是由微處理器控制的數(shù)字液位儀表。在測(cè)量中超聲波脈沖由傳感器（換能器）發(fā)出，聲波經(jīng)液體表面反射后被同一傳感器接收或超聲波接收器接收，通過(guò)壓電晶體或磁致伸縮器件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并由聲波的發(fā)射和接收之間的時(shí)間來(lái)計(jì)算傳感器到被測(cè)液體表面的距離。該裝置為非接觸式測(cè)量，不接觸液體，就可以測(cè)量。液體的密度、粘稠度都不影響測(cè)量，且安裝方便，只需要罐頂開孔就可安裝。

由于采用非接觸的測(cè)量，被測(cè)介質(zhì)幾乎不受限制，可廣泛用于各種液體和固體物料高度的測(cè)量。在化工業(yè)行業(yè)中經(jīng)常使用超聲波液位計(jì)來(lái)測(cè)量?jī)?chǔ)罐、反應(yīng)釜的液位。但在化學(xué)品船或液化氣船液貨艙中使用的卻較少。

目前對(duì)于超聲波裝置，已研發(fā)出智能型外貼式超聲波液位計(jì)，液位測(cè)量采用了傳感器外貼與被測(cè)液體非接觸的測(cè)量方式。智能型外置式超聲波液位計(jì)，可在罐外連續(xù)測(cè)量液位，對(duì)罐體不開孔，特別適合密閉容器內(nèi)的各種有毒物質(zhì)﹑強(qiáng)酸﹑強(qiáng)堿及各種純凈液體的液位進(jìn)行精確測(cè)量，儀表采用隔爆設(shè)計(jì)，可在危險(xiǎn)區(qū)域中應(yīng)用。

因此，該裝置可作為 IGC規(guī)則中規(guī)定的間接式測(cè)量裝置之一，對(duì)于獨(dú)立液貨艙的氣體運(yùn)輸船在載運(yùn)氯這種貨品時(shí)可選用此種類型的測(cè)量裝置。

3.3 穿過(guò)液貨艙的閉式裝置

3.3.1 浮筒式液位計(jì)

1）工作原理和優(yōu)點(diǎn)

這種液位計(jì)的工作原理為浸在液體中的浮筒受到向下的重力，向上的浮力和彈簧彈力的復(fù)合作用。當(dāng)這三個(gè)力達(dá)到平衡時(shí)，浮筒就靜止在某一位置。當(dāng)液位發(fā)生變化時(shí)，浮筒所受浮力相應(yīng)改變，平衡狀態(tài)被打破，從而引起彈力變化即彈簧的伸縮，以達(dá)到新的平衡。彈簧的伸縮使其與剛性連接的磁鋼產(chǎn)生位移。這樣，通過(guò)指示器內(nèi)磁感應(yīng)元件和傳動(dòng)裝置使其指示出液位。

隨著科技的發(fā)展，浮筒液位計(jì)的準(zhǔn)確度越來(lái)越好，其中電浮筒液位計(jì)測(cè)量精度高、性能可靠、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、使用方便， 廣泛適用于各行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的液位測(cè)量與控制。

2）應(yīng)用實(shí)例

圖2為化工行業(yè)中廣泛使用的電浮筒式系統(tǒng)。但在液貨艙上電浮筒液位計(jì)使用的不多見。

圖2 液貨罐上安裝的電浮筒式系統(tǒng)

3.3.2 電子探頭

1）工作原理和優(yōu)點(diǎn)

液位變送器是電子探頭的一種，在液貨艙測(cè)量裝置中液位變送器也被經(jīng)常使用。液位變送器是對(duì)壓力變送器技術(shù)的延伸和發(fā)展，根據(jù)不同比重的液體在不同高度所產(chǎn)生壓力成線性關(guān)系的原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)水、油及糊狀物的體積、液高、重量的準(zhǔn)確測(cè)量和傳送。

液位變送器它可將各種液位參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，遠(yuǎn)傳至操作控制室，供二次儀表或計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中顯示、報(bào)警或自動(dòng)控制。其良好的結(jié)構(gòu)及安裝方式，可適用于高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕、易結(jié)晶、防堵塞、防冷結(jié)以及 固體粉狀、粒狀物料等特殊條件下的液位，料位或物位的連續(xù)檢測(cè)，可廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)過(guò)程中的檢測(cè)控制。

2）應(yīng)用實(shí)例

圖3為某LPG船液貨罐上安裝的壓力式液位傳感器，它可以將各種液位參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，遠(yuǎn)傳至駕駛室，并集中在駕駛室顯示貨艙液位。

圖3 LPG船液位變送器和液位顯示裝置

3.3.3 磁性探頭

1）工作原理和優(yōu)點(diǎn)

該液位計(jì)是根據(jù)浮力原理和磁性耦合作用原理工作的。當(dāng)被測(cè)容器中的液位升降時(shí)，液位計(jì)主導(dǎo)管中的浮子也隨之升降，浮子內(nèi)的永久磁鋼通過(guò)磁耦合傳遞到現(xiàn)場(chǎng)指示器，驅(qū)動(dòng)紅、白翻柱翻轉(zhuǎn)180°。液位上升，翻柱由白色轉(zhuǎn)為紅色；液位下降，翻柱轉(zhuǎn)為白色，指示器紅、白界位處為容器內(nèi)介質(zhì)液位的實(shí)際高度，從而實(shí)現(xiàn)液位指示。

該液位計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，觀察直觀、清晰，不堵塞、不滲漏，安裝方便，維修簡(jiǎn)單，在船舶上被廣泛使用。

2）應(yīng)用實(shí)例

圖4為某35000DWT散貨船機(jī)艙燃油艙上安裝的磁性液位計(jì)。

圖4 燃油艙安裝的磁性液位計(jì)

3.3.4 吹氣式液位計(jì)

1）工作原理

吹氣式液位計(jì)是靜壓液位計(jì)的一種，其物理原理是將一根吹氣管插入至被測(cè)液體的最低面(零液位)，使吹氣管通入一定量的氣體吹氣管中壓力與管口處液柱靜壓力相等。用壓力計(jì)測(cè)量吹氣管上端壓力，就可以測(cè)量液位。由于吹氣式液位計(jì)將壓力檢測(cè)端移至頂部，其使用維修都很方便，很適合于地下儲(chǔ)罐、深井等場(chǎng)合。

2）應(yīng)用實(shí)例

某船液位測(cè)量系統(tǒng)采用ELGS1000液位遙測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用氣泡式液位測(cè)量法，通過(guò)壓力傳感器采集探管內(nèi)的空氣壓力，將船舶運(yùn)行時(shí)的液位壓力值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)電氣數(shù)據(jù)采集模塊采集，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)如油艙液位，水艙液位及四角吃水等。

3.4 雷達(dá)式液位測(cè)量裝置

3.4.1 工作原理

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)是依據(jù)時(shí)域反射原理(TDR)為基礎(chǔ)的雷達(dá)液位計(jì)，雷達(dá)液位計(jì)的電磁脈沖以光速沿鋼纜或探棒傳播，當(dāng)遇到被測(cè)介質(zhì)表面時(shí)，雷達(dá)液位計(jì)的部分脈沖被反射形成回波并沿相同路徑返回到脈沖發(fā)射裝置，發(fā)射裝置與被測(cè)介質(zhì)表面的距離同脈沖在其間的傳播時(shí)間成正比，經(jīng)計(jì)算得出液位高度。

3.4.2 優(yōu)點(diǎn)

雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)用電磁脈沖進(jìn)行快速測(cè)量，精度高、抗干擾能力強(qiáng)、耐腐蝕、耐壓高、耐溫高，適用于對(duì)液體、漿料及顆粒料的物位進(jìn)行非接觸式連續(xù)測(cè)量，也適用于溫度、壓力變化大和有惰性氣體及揮發(fā)存在的場(chǎng)合。因此該裝置適合液貨艙的特性，在實(shí)際的船舶設(shè)計(jì)和建造中雷達(dá)式液位測(cè)量裝置被廣泛使用。

3.4.3 選型和安裝時(shí)的注意事項(xiàng)

1）注意介質(zhì)的介電常數(shù)，并依據(jù)介電常數(shù)的大小選擇適合的型號(hào)，選用什么種類的雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)根據(jù)被測(cè)流體介質(zhì)的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)來(lái)決定。

2）雷達(dá)液位計(jì)對(duì)于安裝空間有一定的要求，大多數(shù)設(shè)備廠推薦距離如下：

液位傳感器離艙壁的最小距離為 200mm。如果不能保持儀表與罐壁的距離，罐壁上的介質(zhì)會(huì)黏附造成虛假回波，在調(diào)試儀表的時(shí)候應(yīng)該進(jìn)行虛假回波存儲(chǔ)。

不能安裝在中心位置，如果安裝在中央，會(huì)產(chǎn)生多重虛假回波，干擾回波會(huì)導(dǎo)致信號(hào)丟失。

3.4.4 應(yīng)用實(shí)例

某17000DWT化學(xué)品有液貨船有16個(gè)液貨艙，每個(gè)液貨艙的液位選用德國(guó)E+H公司生產(chǎn)的導(dǎo)播雷達(dá)。圖5為實(shí)船安裝的雷達(dá)液位計(jì)。

圖5 化學(xué)品船安裝的雷達(dá)液位計(jì)

4 液位遙測(cè)系統(tǒng)

近年來(lái)，隨著船舶自動(dòng)化程度的提高,大部分液貨船舶,包括原油船、成品油船、化學(xué)品船不同程度將液貨艙的壓力、溫度、液位，壓載艙的液位，貨油輸送管上的閥門、壓載管路上的閥門、壓載泵、貨油泵等設(shè)計(jì)成自動(dòng)控制，整合成一個(gè)液位遙測(cè)系統(tǒng)。

該技術(shù)在船舶工業(yè)中得到了迅猛發(fā)展。其測(cè)量精度、系統(tǒng)功能、穩(wěn)定性和可靠性都上了一個(gè)新臺(tái)階，在液貨艙液位測(cè)量系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

5 結(jié)論

1）對(duì)IGC規(guī)則和IBC規(guī)則中關(guān)于液貨艙測(cè)量裝置要求，以及規(guī)則中要求的每種測(cè)量裝置的工作原理、優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用案例等方面做了研究，并對(duì)液位遙測(cè)系統(tǒng)做了簡(jiǎn)單介紹。

2）LPG船如載運(yùn)氯這種貨品時(shí)，貨艙測(cè)量裝置必須采用不穿透液貨艙的裝置，而 IGC規(guī)則中提到的間接測(cè)量裝置如管式流量計(jì)和貨物稱重裝置目前非常罕見，通過(guò)本文的分析，智能型外貼式超聲波液位計(jì)可作為間接測(cè)量裝置使用。

[1]中國(guó)船級(jí)社.散裝運(yùn)輸危險(xiǎn)品化學(xué)品船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范[M].北京:人民交通出版社,2009.

[2]中國(guó)船級(jí)社.散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范 [M].北京:人民交通出版社,2006.

[3]崔曉俊,季建華.船舶液位遙測(cè)系統(tǒng)中新技術(shù)的應(yīng)用[J].船舶工程,2007,29(3):90-92.

[4] 黃金潮,高鴻毅,黃萌華.液位計(jì)種類[C]//第七屆工業(yè)儀表與自動(dòng)化學(xué)術(shù)會(huì)議論文,2011.

Research on Measurement Device for Cargo Tank Level

WANG Feng-yong
(Zhejiang Bureau of China Classification Society,Ningbo 315010,China)

Aiming at measuring device requirement for cargo tank in IGC and IBC rules,the requirement measurement device’s working principle,the advantages and application examples etc.are studied,and the liquid level telemetry system are introduced.

IGC rules;IBC rules;cargo tank level measurement device

TP 13

A

汪鋒泳（1977-），男，碩士研究生，高級(jí)驗(yàn)船師。研究方向：船舶輪機(jī)。