基于Na22+放射性同位素的密度計(jì)在礦漿檢測(cè)上的運(yùn)用

鄧 磊，張玉瀟，陶 花

（云錫文山鋅銦冶煉有限公司，云南 文山 663700）

當(dāng)今世界，工業(yè)化日新月異，集散控制使企業(yè)自動(dòng)化程度越來(lái)越高，智能儀表與集散控制系統(tǒng)的配合應(yīng)用為工廠自動(dòng)化控制提供了眼睛，使得控制更加精確。但是針對(duì)一些特殊的工藝介質(zhì)以及高溫、高壓、高腐蝕等極端工況，普通檢測(cè)儀表使用壽命極短或者根本達(dá)不到檢測(cè)要求。針對(duì)此種情況，一些利用放射性同位素核源的非接觸式測(cè)量測(cè)儀表應(yīng)運(yùn)而生。

某冶煉廠十多臺(tái)濃密機(jī)需要測(cè)量底流密度，由于介質(zhì)是礦漿，管道材質(zhì)為鋼襯管，采用傳統(tǒng)的超聲波原理的密度測(cè)量?jī)x表受測(cè)量介質(zhì)與管壁等因素的影響，根本得不到有效數(shù)據(jù)，針對(duì)上述情況，工廠決定采用放射性同位素儀表檢測(cè)濃密機(jī)底流密度。

1 檢測(cè)儀表優(yōu)劣對(duì)比

1.1 普通檢測(cè)儀表

普通檢測(cè)儀表大部分為直接接觸介質(zhì)測(cè)量，能夠有效反應(yīng)被測(cè)介質(zhì)的屬性，屬于普通儀表，安全性能很高，造價(jià)便宜，無(wú)附加配套設(shè)施，容易得到需要檢測(cè)的數(shù)據(jù)。但因?yàn)槭侵苯咏佑|式測(cè)量，對(duì)介質(zhì)、工況、安裝要求很高，針對(duì)一些高溫、高壓、高腐蝕、高粉塵的極端工況，儀表測(cè)量精度低，使用壽命短，并且在儀表出現(xiàn)故障時(shí)必須停機(jī)處理，給工廠的連續(xù)性生產(chǎn)帶來(lái)諸多不便。

1.2 Cs137與Co60同位素儀表

放射性同位素的出現(xiàn)在很大程度解決了這一難題，當(dāng)今工業(yè)控制領(lǐng)域的同位素檢測(cè)儀表主要是以Cs137和Co60為主要放射源的液位計(jì)、液位開關(guān)、密度計(jì)等。它檢測(cè)原理為放射源用密閉的鉛盒封裝，置于待檢測(cè)設(shè)備的一側(cè)或者內(nèi)置釜等容器內(nèi)，設(shè)備的正對(duì)另一側(cè)安裝接收器，檢測(cè)時(shí)，將鉛盒正對(duì)設(shè)備一面打開，放射源發(fā)射出射線穿透待檢設(shè)備之后被接收器接收，因設(shè)備內(nèi)的物料介質(zhì)會(huì)隨著工藝變化而變化，放射源穿透設(shè)備的射線也會(huì)隨著介質(zhì)的變化有強(qiáng)弱之別，變化的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理之后，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳送給相應(yīng)控制顯示設(shè)備就可以得到被測(cè)介質(zhì)的液位或者密度。

放射源儀表由于是非接觸式測(cè)量，它的出現(xiàn)為解決極端工況帶來(lái)了福音，但同時(shí)它存在極大的安全隱患。自然環(huán)境中放射性環(huán)境核素Cs137主要來(lái)源于原子彈、氫彈等核武器試驗(yàn)、核武器制造過(guò)程中所產(chǎn)生的放射性廢液、核燃料處理廠的放射性廢液和核電站核反應(yīng)堆的放射性廢物等。Cs137的衰變過(guò)程是β-衰變，衰變過(guò)程中發(fā)射兩種β-粒子，最大衰變所釋放的能量分別0.512MeV（94.6%）和1.174MeV（5.4%），半衰期30.17年。Co60是β-衰變核素，發(fā)射β-和γ射線，β-射線的最大能量為0.315兆電子伏，γ射線的能量有1.173210和1.332470兆電子伏兩種，半衰期為5.272年。

Cs137人體攝入量小于0.25Gy屬于安全范圍，超過(guò)此值會(huì)導(dǎo)致造血系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)損傷，非正常生育乃至絕育，人體攝入量超過(guò)6Gy，能夠致人死亡。Co60屬高毒性核素，對(duì)全身有影響，對(duì)人體的有效半減期為9.5天，在人體中的最大容許積存量為3.7×105貝可，能導(dǎo)致脫發(fā)，會(huì)嚴(yán)重?fù)p害人體血液內(nèi)的細(xì)胞組織，造成白血球減少，引起血液系統(tǒng)疾病，如再生性障礙貧血癥，嚴(yán)重的會(huì)使人患上白血病（血癌），甚至死亡。

所以在Cs137與Co60儀表使用過(guò)程中，必須根據(jù)國(guó)家相關(guān)法律法規(guī)辦理輻射安全許可證，現(xiàn)場(chǎng)必須安裝環(huán)境當(dāng)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)，必須設(shè)置有保存鉛盒的專用倉(cāng)庫(kù)，才能使用。儀表維護(hù)人員必須取得輻射安全與防護(hù)培訓(xùn)合格證，進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)時(shí)穿戴齊全鉛衣，佩戴輻射測(cè)量?jī)x才能工作，且由于人的天然畏懼心理，導(dǎo)致工作上的諸多不便，且放射源必須終身監(jiān)管，從生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用、報(bào)廢都必要按照規(guī)定流程，一旦出現(xiàn)疏漏，將造成嚴(yán)重后果。

1.3 Na22+同位素儀表

Na22+同位素檢測(cè)儀表與Cs137、Co60的測(cè)量原理一致，它與Cs137和Co60不同點(diǎn)在于該產(chǎn)品能以極低的活度獲得想要的測(cè)量結(jié)果，該儀表核源活度≤1X106Bq，低于國(guó)家要求的豁免度水平，在國(guó)家生態(tài)環(huán)境部的豁免清單之內(nèi)，可以當(dāng)做普通儀表使用。

2 技術(shù)方案確定

根據(jù)上述介紹，該冶煉廠十多臺(tái)濃密機(jī)底流密度計(jì)全部采用Na22+同位素作為放射源的核密度計(jì)測(cè)量?jī)x表。

3 Na22+密度計(jì)的測(cè)量原理

Na22+密度計(jì)的工作原理是由放射性產(chǎn)生的伽馬射線穿透被測(cè)介質(zhì)，其中一部分射線被介質(zhì)吸收，剩余部分射線被傳感器控制器所接收，接收伽馬射線越多，表明被測(cè)物體密度越小，反之亦然，根據(jù)伽馬射線的衰減程度，接收控制器CPU計(jì)算電離輻射通量的變化情況，從而測(cè)量被測(cè)介質(zhì)的密度，并以標(biāo)準(zhǔn)4mA～20mA電流形式輸出。

伽馬射源的衰減遵循已知的指數(shù)關(guān)系，具體如下：

n（D）=A＊exp（B＊D）。

D為密度，A和B為與放射源活性、伽馬鏈子能量以及管道直徑、管壁相關(guān)的系數(shù)。測(cè)量原理示意圖如圖1所示。

圖1 Na22+密度計(jì)測(cè)量原理示意圖

4 安裝及測(cè)量要求

（1）安裝位置管徑要介于50mm～500mm之間。管道直徑小于50mm，增加介質(zhì)與輻射相互作用的體積。

（2）密度計(jì)的安裝位置應(yīng)選取在管道被介質(zhì)完全充滿處。最好為垂直或部分傾斜的方向上，使得介質(zhì)從下向上流動(dòng)。如果安裝位置僅限于管道水平方向，則探測(cè)器固定螺栓要保持水平，主要是為防止水平管道底部有沉積對(duì)密度計(jì)讀數(shù)產(chǎn)生影響。另外，還存在沉積厚度變化的情況，因此，密度計(jì)的讀數(shù)也取決于漿體壓力。

（3）選擇安裝位置時(shí)，安裝位置要距離出料口(或輸送泵)5米以上，因?yàn)閮?chǔ)槽內(nèi)部介質(zhì)有可能沒(méi)有攪拌均勻，離出料口太近測(cè)量的密度值不精準(zhǔn)。

（4）選擇安裝位置時(shí)，應(yīng)避免接近（壓縮機(jī)、電機(jī)等）震動(dòng)源。當(dāng)所測(cè)管道位置震動(dòng)強(qiáng)烈且沒(méi)有其他安裝位置時(shí)，將探測(cè)器固定在主體上。

（5）當(dāng)兩臺(tái)密度計(jì)的安裝位置彼此較近的時(shí)候，放射源會(huì)對(duì)另外一臺(tái)密度計(jì)產(chǎn)生影響。對(duì)此，兩臺(tái)相鄰密度計(jì)之間的距離≥3m，如不能實(shí)現(xiàn)，則在放射源近處放置鉛板。

（6）如果所測(cè)管道表面溫度超過(guò)70℃，但低于100℃，則使用隔熱板，主要隔離接收器一側(cè)，接收器高溫容易損壞。如果工作管道表面溫度超過(guò)100℃，則安裝探測(cè)器冷卻水回路。

（7）當(dāng)管道不是完全被介質(zhì)密充滿時(shí)，則需使用其他密度計(jì)的探測(cè)器。在這種情況下，需將管道上方進(jìn)行切割，并安裝一個(gè)短管。將有輻射源的短管通過(guò)支架固定在管道上。輻射源位置應(yīng)安裝在流經(jīng)管道介質(zhì)的下方。在插入介質(zhì)部分需做耐磨涂層，以便提高其耐磨性。

（8）取樣口距離安裝位置1m以內(nèi)，且要安裝在輸送泵的后面，以保證介質(zhì)的均勻性，減少密度計(jì)和化驗(yàn)室的實(shí)測(cè)密度之間的誤差。

5 工廠應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性分析和運(yùn)用實(shí)績(jī)

5.1 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析

Na22+同位素儀表比Cs137和Co60的檢測(cè)儀表設(shè)備造價(jià)稍貴，但是它是國(guó)家生態(tài)環(huán)境部豁免儀表，無(wú)需辦理輻射安全許可證，不需要使用單位建立專用庫(kù)房，僅此一項(xiàng)就能節(jié)省數(shù)十萬(wàn)元的投資。另外配套儀表使用視頻監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境當(dāng)量檢測(cè)系統(tǒng)等也是造價(jià)不菲，從事儀表維護(hù)的人員必須取得輻射安全與培訓(xùn)證書，穿戴鉛服、輻射檢測(cè)儀、個(gè)人輻射劑量?jī)x等，以上幾項(xiàng)合計(jì)投資又接近數(shù)十萬(wàn)元，綜上所述，Na22+核源儀表要比Cs137和Co60的檢測(cè)儀表經(jīng)濟(jì)型要高很多，它的使用能為企業(yè)節(jié)約更大的成本。

5.2 運(yùn)用實(shí)績(jī)

該冶煉廠的其中10臺(tái)濃密機(jī)底流密度計(jì)投入使用之后，密度計(jì)測(cè)量值與化驗(yàn)室的實(shí)測(cè)密度的誤差率全部小于2%，為工藝的連續(xù)性生產(chǎn)提供了依據(jù)，取得了良好效果，具體見圖2。

圖2 密度計(jì)測(cè)量對(duì)比表

6 結(jié)語(yǔ)

該儀表的成功使用，很大程度上替代了部分危險(xiǎn)性很大的Cs137和Co60的檢測(cè)儀表，解決了一些極端工況的測(cè)量難題，為其它檢測(cè)困擾提供解決的思路，且它綜合運(yùn)行成本低廉，安全性能較高，是企業(yè)的一大福音，隨著它推廣運(yùn)用，必將在工廠自動(dòng)化的提高方面有更多的建樹。