楊 照 陳 艷 王 海 謝 昕 胡鐘文 徐光磊

中國測試技術(shù)研究院, 四川 成都 610021

0 前言

科里奧利質(zhì)量流量計是一種高精度的流量計量儀表,在石油、化工、醫(yī)藥、食品酒類等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛?？评飱W利質(zhì)量流量計優(yōu)點:可以直接測量質(zhì)量流量,計量精度高[1-4];可測量的流體種類廣泛,包括高黏度液體、含固形物的漿液、含微量氣體的液體、有足夠密度的中高壓氣體等[5-7];內(nèi)部振動管振動幅度小,可視為非活動部件,且振動管內(nèi)部無阻礙部件及活動部件,對迎流流速分布不敏感,因而流量計安裝到管路時無前后直管段要求。科里奧利質(zhì)量流量計由于計量精度高,被廣泛應(yīng)用于成品油貿(mào)易交接中,替代原來的容積式流量計,作為成品油貿(mào)易交接的主要計量器具;同時,因其受油品溫度、密度等因素影響很小,可大大提高成品油貿(mào)易結(jié)算的精度。當(dāng)然,科里奧利質(zhì)量流量計也有一定的缺點,因其工作原理是靠自身振動管產(chǎn)生一定頻率的振動來測量流過振動管流體的流量,所以外部的振動及應(yīng)力會對流量計產(chǎn)生干擾,因此科里奧利質(zhì)量流量計安裝要求很高[8-10]。不規(guī)范安裝將引起流量計的附加誤差，為找出影響安裝的因素,嘗試以實驗測量為基礎(chǔ)分析不規(guī)范安裝對科里奧利質(zhì)量流量計的影響,并提出解決方案。

1 科里奧利質(zhì)量流量計工作原理

科里奧利質(zhì)量流量計工作原理基于牛頓第二定律[11-13]，其工作原理見圖1。U型振動管繞固定端以角速度ω產(chǎn)生固有頻率振動,流體以流速v1流入U型振動管,以流速v2流出U型振動管(流體為勻速流動,即v1=v2),此時流體會受到科里奧利力的作用,同時流體對U型振動管產(chǎn)生反作用力,使U型振動管產(chǎn)生力矩M,在力矩M作用下,U型振動管發(fā)生扭曲,產(chǎn)生扭曲角。其中1根振動管產(chǎn)生的扭曲將滯后于另外1根振動管，此時變送器通過2根振動管上的傳感器A、B檢測到的信號得到相位差和時間差。根據(jù)時間差與流量計的儀表系數(shù)計算出此時通過科里奧利質(zhì)量流量計的流量值[14-16]。

圖1 科里奧利質(zhì)量流量計工作原理圖Fig.1 Coriolis mass flow meter working principle diagram

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(1)

2 科里奧利質(zhì)量流量計現(xiàn)場工作的準(zhǔn)確性問題

在實驗室環(huán)境下對接收到送檢的流量計開展量值傳遞活動是常見的科里奧利質(zhì)量流量計檢定校準(zhǔn)工作形式。對無法送檢到實驗室的流量計,需要在現(xiàn)場進行校準(zhǔn)工作。因為實驗室對被實驗管線的固定強度、安裝精度的控制都有嚴(yán)格要求,所以實驗室環(huán)境下科里奧利質(zhì)量流量計若非自身計量性能發(fā)生偏移,絕大部分都能達到預(yù)期要求。但科里奧利質(zhì)量流量計在工業(yè)現(xiàn)場、郊外露天環(huán)境等實際使用現(xiàn)場,其使用環(huán)境及安裝精度控制并不能達到實驗室水準(zhǔn),所以不規(guī)范安裝會影響科里奧利質(zhì)量流量計計量準(zhǔn)確性。

煉化廠成品油運輸管線上的發(fā)油站,是將煉化廠生產(chǎn)出來的成品油通過油罐車配送到各個油庫及終端的加油站。向油罐車中灌入成品油時,發(fā)油站選取0.2級F300型科里奧利質(zhì)量流量計作為成品油的計量器具。在發(fā)油站現(xiàn)場,對發(fā)油的科里奧利質(zhì)量流量計進行校準(zhǔn)工作時,發(fā)現(xiàn)某些科里奧利質(zhì)量流量計的準(zhǔn)確性未能達到預(yù)期要求。本文以1臺數(shù)據(jù)不理想的F300型科里奧利質(zhì)量流量計校準(zhǔn)數(shù)據(jù)作分析。

校準(zhǔn)這臺F300型科里奧利質(zhì)量流量計時，按正常發(fā)油程序確保發(fā)油管道內(nèi)無氣泡、雜質(zhì)等,成品油充滿整個管線及流量計。關(guān)斷該流量計前后閥門,觀察其零點狀態(tài)。此時該流量計零點約-198 kg/h,波動幅度約±72 kg/h。對該流量計進行調(diào)零處理，經(jīng)過反復(fù)10次調(diào)零處理,確認(rèn)得到穩(wěn)定的零點，調(diào)零后的零點約-90 kg/h，開始對該流量計進行現(xiàn)場校準(zhǔn)工作，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 F300型科里奧利質(zhì)量流量計第一次校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表

由表1可看出，科里奧利質(zhì)量流量計計量性能未達到流量計本身準(zhǔn)確度等級的要求。在此次校準(zhǔn)前已確認(rèn)該流量計現(xiàn)場安裝前本身計量性能符合要求,開始校準(zhǔn)時對該流量計進行了調(diào)零處理,得到了穩(wěn)定的零點,但零點并未達到正常狀態(tài)。零點的正常狀態(tài)應(yīng)該在0 kg/h上下波動,且波動幅度較小,波動的正負(fù)值峰值應(yīng)大體一致，但此時零點并未在0 kg/h上下。分析認(rèn)為安裝可能會影響該流量計的零點及計量性能。在對該流量計拆卸并重新安裝的過程中,發(fā)現(xiàn)了以下問題。

該發(fā)油站中,發(fā)油島均由設(shè)備供應(yīng)商事先將科里奧利質(zhì)量流量計與控制閥、管道、發(fā)油鶴管等組成計量橇,再與主管道預(yù)留的接口對接,形成發(fā)油系統(tǒng)。主管道位于5～6 m高空中,計量橇固定于地面,在接口預(yù)留上產(chǎn)生了一定的公差。計量橇與預(yù)留接口對接時,為連接系統(tǒng)強行將預(yù)留接口處法蘭與計量橇進口處法蘭對齊進行安裝。預(yù)留接口的管道與主管道本身的剛性強度會對計量橇產(chǎn)生一定的應(yīng)力,此應(yīng)力會通過計量橇內(nèi)部的連接管道傳給流量計。同時在該流量計后端連接著發(fā)油鶴管,鶴管終端的快速接頭與鶴管萬向頭裝置的重量,會通過管路形成杠桿效應(yīng),對該流量計產(chǎn)生一定的扭矩。隨著鶴管移動的位置不同,該流量計的零點狀態(tài)也會發(fā)生改變,原因是鶴管不同的位置產(chǎn)生不同的扭矩,扭矩通過管道傳導(dǎo)給了該流量計,使得流量計的零點發(fā)生偏離。整個計量橇的基座與支撐件剛性強度，不足以抵消管道外部帶來的應(yīng)力以及外部振動對流量計產(chǎn)生的影響，可能導(dǎo)致該流量計計量性能產(chǎn)生偏移。

3 應(yīng)力對科里奧利質(zhì)量流量計的影響及其解決方案

為了驗證應(yīng)力對科里奧利質(zhì)量流量計的影響,通過實驗室對1臺有數(shù)據(jù)追蹤的CMF025型科里奧利質(zhì)量流量計做未受應(yīng)力與受應(yīng)力的對比實驗,從而確認(rèn)應(yīng)力對科里奧利質(zhì)量流量計的影響,并找出解決方案。

3.1 應(yīng)力對科里奧利質(zhì)量流量計的影響

首先按照正常科里奧利質(zhì)量流量計檢定校準(zhǔn)工作流程,將CMF025型科里奧利質(zhì)量流量計安裝在測試管線中，管路通水,流量計通電。該流量計正常工作 30 min 后,關(guān)斷流量計前后閥門,觀察該流量計的零點狀況。此時該流量計的零點在0 kg/h附近波動,波動幅度約±0.07 kg/h。此零點狀態(tài)為該流量計正常的零點狀態(tài),符合之前歷史數(shù)據(jù),不需要進行調(diào)零處理。

確認(rèn)該流量計為正常工作狀態(tài)后,開始對該流量計進行計量性能測試,得到測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 CMF025型科里奧利質(zhì)量流量計安裝管線未受應(yīng)力時的測試數(shù)據(jù)表

將表2數(shù)據(jù)與該流量計歷史數(shù)據(jù)比對，本次測試數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)吻合。由此可知,該流量計的安裝符合要求,且計量性能正常。

在現(xiàn)有狀態(tài)不變的情況下,對該流量計的安裝管線施加足夠大的向上拉力,模擬在發(fā)油站校準(zhǔn)數(shù)據(jù)不理想的F300型科里奧利質(zhì)量流量計管線受應(yīng)力情況。管線通水，流量計通電，該流量計正常工作30 min后，關(guān)斷流量計前后閥門,觀察該流量計的零點狀態(tài)，此時該流量計的零點約-0.5 kg/h,波動幅度約±0.08 kg/h。在該流量計安裝管線承受較大拉力的情況下,流量計零點發(fā)生了偏移。對該流量計在相同流量點(分別為流量點1 012 kg/h和流量點218 kg/h,且流量偏差不超過流量點的 ±5%)下進行計量性能測試,測試數(shù)據(jù)見表3。

表3 CMF025型科里奧利質(zhì)量流量計安裝管線受應(yīng)力時的測試數(shù)據(jù)表

由表3可看出,科里奧利質(zhì)量流量計在安裝時受到應(yīng)力影響,零點發(fā)生偏移,直接影響該流量計計量性能,使得該流量計無法達到應(yīng)有的計量精度。

取消管道上施加的向上拉力,將流量計從管線上拆下重新安裝。按照相同步驟做好前期工作，觀察該流量計零點，此時該流量計的零點恢復(fù)到之前的零點,零點約0 kg/h,波動幅度約±0.05 kg/h。相同的方法對該流量計進行計量性能測試,測試數(shù)據(jù)見表4。

表4 CMF025型科里奧利質(zhì)量流量計安裝管線消除應(yīng)力時的測試數(shù)據(jù)表

對比表2～4數(shù)據(jù)可以看出,科里奧利質(zhì)量流量計在安裝時若未達到無應(yīng)力安裝,那么安裝管線所受的應(yīng)力會傳導(dǎo)到科里奧利質(zhì)量流量計處,使零點發(fā)生偏移,影響其計量性能,對科里奧利質(zhì)量流量計小流量時的影響程度大于對其大流量時的影響程度。這也印證了在現(xiàn)場檢測科里奧利質(zhì)量流量計時的情況。當(dāng)消除了影響科里奧利質(zhì)量流量計的應(yīng)力后,會恢復(fù)其本身應(yīng)有的計量性能。

3.2 消除應(yīng)力影響的解決方案

根據(jù)實驗室應(yīng)力影響實驗的結(jié)果,結(jié)合現(xiàn)場實際情況,對之前檢測有問題的F300型科里奧利質(zhì)量流量計做以下處理。

1)將該流量計從管線上拆下,清洗其振動管內(nèi)部,防止其他雜質(zhì)沉積在振動管內(nèi)。

2)在輸油管與計量橇的接口處增加管托,并將管托固定于地面,通過調(diào)整管托高度,使主管道連接法蘭的軸心與計量橇連接法蘭的軸心在同一直線上,以補償預(yù)留接口產(chǎn)生的公差,消除因公差帶來的應(yīng)力影響。

3)在連接該流量計的兩端管道處增加管托并與地面固定,增加連接兩端管道的強度,以減小后端鶴管帶來的扭矩對該流量計的影響。同時,通過調(diào)節(jié)所增加管托的高度,使連接該流量計兩端的法蘭盤軸心在同一直線上。

4)增加整個計量橇的底座強度,以抵抗外界振動對該流量計的影響。

5)在確認(rèn)管道原有應(yīng)力消除后,在無應(yīng)力的情況下,重新安裝該流量計。

安裝完成后,重新對該流量計進行現(xiàn)場校準(zhǔn)工作，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)見表5。

表5 調(diào)整安裝后F300型科里奧利質(zhì)量流量計校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表

對比表5與表1的數(shù)據(jù)可以看出,在消除了該流量計安裝時所受的應(yīng)力影響并增強了基座強度后,科里奧利質(zhì)量流量計的計量精度得到了保證,能夠更好地發(fā)揮其計量優(yōu)勢。

4 結(jié)論

近年來,隨著重要行業(yè)對流量計量的要求越來越高,科里奧利質(zhì)量流量計在各行業(yè)的使用率也越來越高。通過對日常檢定校準(zhǔn)工作中遇到的科里奧利質(zhì)量流量計安裝問題進行分析和探討,找出了因不規(guī)范安裝導(dǎo)致科里奧利質(zhì)量流量計計量不準(zhǔn)確的問題，通過消除應(yīng)力、增強支撐強度等方法可以解決其問題,恢復(fù)科里奧利質(zhì)量流量計的計量精度。