原油貿(mào)易交接計(jì)量中被動(dòng)活塞式體積管的可靠性分析

中國(guó)石油國(guó)際勘探開(kāi)發(fā)有限公司

在原油貿(mào)易交接計(jì)量中，動(dòng)態(tài)計(jì)量因其較高的準(zhǔn)確性和靈活性而被廣泛采用。動(dòng)態(tài)計(jì)量系統(tǒng)一般由流量計(jì)、體積管和二等標(biāo)準(zhǔn)金屬量器組成，各設(shè)備系統(tǒng)逐級(jí)向上溯源，即流量計(jì)溯源至體積管，體積管溯源至二等標(biāo)準(zhǔn)金屬量器，二等標(biāo)準(zhǔn)金屬量器溯源至流量標(biāo)準(zhǔn)裝置[1]。

通常情況下，流量計(jì)除進(jìn)行周期檢定[2]外，還會(huì)根據(jù)貿(mào)易相關(guān)方之間的約定做定期自檢，體積管一般只做正式的周期檢定，周期之內(nèi)則不會(huì)約定自檢。所以，依據(jù)體積管的可靠性為其制定合理的檢定周期以及周期內(nèi)的維護(hù)方案，是實(shí)現(xiàn)計(jì)量設(shè)備完好[3]和整個(gè)交接計(jì)量過(guò)程可靠的重要基礎(chǔ)工作之一。

1 體積管的類型

體積管的首次應(yīng)用出現(xiàn)于20 世紀(jì)50 年代，經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)，目前體積管技術(shù)已經(jīng)比較成熟[4]。根據(jù)體積管內(nèi)置換器的形式和運(yùn)動(dòng)方式差異，國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)將其分為四類[5]，即單向球式體積管、雙向球式體積管、主動(dòng)活塞式體積管和被動(dòng)活塞式體積管。其中，主動(dòng)活塞式體積管由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)活塞，活塞的運(yùn)動(dòng)推動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)，活塞的運(yùn)動(dòng)是主動(dòng)的；被動(dòng)活塞式體積管自身不帶活塞驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，而是由流經(jīng)體積管的流體推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，流體的流速?zèng)Q定活塞的運(yùn)動(dòng)速度，活塞的運(yùn)動(dòng)是被動(dòng)的[6]。API 中體積管分為五類[7]，即帶自由置換器的單向體積管、帶自由置換器的雙向體積管、帶被動(dòng)式置換器的體積管、多標(biāo)準(zhǔn)體積的體積管（有2～4個(gè)檢測(cè)開(kāi)關(guān)）和常壓罐式體積管（Atmospheric Tank Prover），其中前四類與國(guó)內(nèi)的四類基本相同，只是分類依據(jù)略有不同，第五類在國(guó)內(nèi)未提及。

2 被動(dòng)活塞式體積管的可靠性管理

不同類型體積管在設(shè)備結(jié)構(gòu)和工作原理上具有相似性，所以其可靠性管理要素基本相同，包括體積管本體及其附屬設(shè)施、流經(jīng)體積管的介質(zhì)和檢定時(shí)的操作條件[8-9]等，本文主要研究體積管本體的可靠性管理。

根據(jù)相關(guān)規(guī)定與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，被動(dòng)活塞式體積管可靠性管理的主要參數(shù)包括：

（1）設(shè)備密封性。國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范要求活塞移動(dòng)前檢查體積管各連接處（換向機(jī)構(gòu)、旁通閥和一次溫度/壓力表等）的密封性[5]，API 要求在活塞移動(dòng)前和移動(dòng)中均需檢查設(shè)備密封性[10]，即活塞移動(dòng)前，除檢查國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范中提到的各連接處的密封性外，還應(yīng)檢查活塞的密封完整性。

（2）重復(fù)性和復(fù)現(xiàn)性[11]。國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范對(duì)重復(fù)性和復(fù)現(xiàn)性的要求隨著計(jì)量工作的深入開(kāi)展而逐步明確，上世紀(jì)90年代中期只要求重復(fù)性優(yōu)于0.02%而未對(duì)復(fù)現(xiàn)性作要求，在現(xiàn)行規(guī)定中[5]則要求重復(fù)性優(yōu)于0.02%且復(fù)現(xiàn)性優(yōu)于0.05%。國(guó)外現(xiàn)行規(guī)定推薦重復(fù)性優(yōu)于0.02%[10，12]且復(fù)現(xiàn)性優(yōu)于0.05%或0.02%，若按照重復(fù)性優(yōu)于0.02%且復(fù)現(xiàn)性優(yōu)于0.02%執(zhí)行，則會(huì)增加一些不必要的檢定工作，因此按照重復(fù)性優(yōu)于0.02%且復(fù)現(xiàn)性優(yōu)于0.05%執(zhí)行是相對(duì)合理的[7]。

（3）檢定周期。檢定周期取決于復(fù)現(xiàn)性和體積管維修情況。國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范推薦兩種周期，對(duì)于首次檢定、后續(xù)檢定中復(fù)現(xiàn)性不合格或進(jìn)行過(guò)改變體積管標(biāo)準(zhǔn)容積的維修的體積管，檢定周期為1 年，其他情況下則為3 年。API 推薦三種周期，要求復(fù)現(xiàn)性優(yōu)于0.02%或進(jìn)行過(guò)改變標(biāo)準(zhǔn)容積的維修的體積管，檢定周期為1 年，要求復(fù)現(xiàn)性優(yōu)于0.05%且未進(jìn)行過(guò)改變標(biāo)準(zhǔn)容積的維修的體積管，檢定周期為5年，或可根據(jù)前后兩次標(biāo)準(zhǔn)容積的變化速度確定下一次檢定時(shí)間。

3 體積管可靠性管理方案的制定

以非洲某原油管道計(jì)量站（M站）的被動(dòng)活塞式體積管運(yùn)行為例，在做好體積管日常維護(hù)保養(yǎng)[13]基礎(chǔ)上，通過(guò)分析可靠性管理參數(shù)在實(shí)踐中的應(yīng)用，探索建立被動(dòng)活塞式體積管可靠性管理方案。

該原油管道是由中方企業(yè)與當(dāng)?shù)卣腺Y建設(shè)，雙方在項(xiàng)目啟動(dòng)之初即簽署了管道合同作為該項(xiàng)目管理依據(jù)。合同規(guī)定該管道設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)和運(yùn)行應(yīng)符合目前普遍采用的國(guó)際管道和工程慣例與標(biāo)準(zhǔn)，所以M站計(jì)量系統(tǒng)在檢定過(guò)程中采用API標(biāo)準(zhǔn)。

M站計(jì)量系統(tǒng)包括2臺(tái)Smith刮板流量計(jì)、1臺(tái)FMD 被動(dòng)活塞式體積管、1 具Lonetti & Associates標(biāo)準(zhǔn)金屬罐和1套上位機(jī)控制系統(tǒng)。該站于2012年投用，體積管檢定周期為半年，體積管的活塞密封圈為彈簧蓄能密封圈，密封唇口材質(zhì)為增強(qiáng)聚四氟乙烯，內(nèi)有不銹鋼蓄能彈簧。

3.1 完善體積管設(shè)備密封性檢查措施

密封性檢查可分為活塞移動(dòng)前檢查和移動(dòng)中檢查，根據(jù)相關(guān)規(guī)范的密封性檢查方法，又可分為可視類檢查（即可通過(guò)目視直接觀察發(fā)現(xiàn)）和不可視類檢查（即需要通過(guò)獲取其他參數(shù)間接觀察發(fā)現(xiàn)），本文重點(diǎn)討論后者。被動(dòng)活塞式體積管在活塞移動(dòng)前的檢查稱為靜態(tài)泄漏測(cè)試，活塞移動(dòng)中的檢查稱為動(dòng)態(tài)泄漏測(cè)試。

3.1.1 泄漏測(cè)試

（1）靜態(tài)泄漏測(cè)試方法和測(cè)試結(jié)果判斷。根據(jù)被動(dòng)活塞式體積管工作原理，當(dāng)活塞移動(dòng)至體積管中間位置時(shí)，體積管內(nèi)液體在活塞上下游會(huì)制造一定的壓差，在確認(rèn)可視類檢查完好情況下，如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)壓差或活塞位移變化滿足相關(guān)要求，則說(shuō)明活塞密封性良好，否則就存在泄漏。

不同廠家生產(chǎn)的體積管的靜態(tài)泄漏測(cè)試方法基本相同，但判斷標(biāo)準(zhǔn)略有不同，下面以三個(gè)廠家生產(chǎn)的體積管加以說(shuō)明。FMD 要求在活塞上下游壓差達(dá)到5 lb/in2（34.47 kPa）后，穩(wěn)壓觀察10 min，如壓差變化和活塞位移變化均為零，說(shuō)明活塞密封性完好，如其中任何一項(xiàng)變化不為零且已排除其他所有泄漏情況，則說(shuō)明活塞存在泄漏，需要更換新的密封圈[14]。Daniel 要求在活塞一側(cè)施加其規(guī)定的壓力并穩(wěn)壓觀察5 min，如果活塞位移大于0.102 mm且已排除其他所有泄漏情況，則說(shuō)明活塞存在泄漏，需要更換新的密封圈[15]。Honeywell要求在活塞上下游壓差達(dá)到6 lb/in2（41.37 kPa）并穩(wěn)壓觀察至少5 min，在已排除其他所有泄漏情況的前提下，根據(jù)泄漏量和其推薦的密封圈更換建議（圖1）決定更換密封圈的時(shí)間[16]。

圖1 Honeywell被動(dòng)活塞式體積管密封圈更換建議Fig.1 Recommendation for seal change of Honeywell passive piston volume tube

（2）動(dòng)態(tài)泄漏測(cè)試的方法和測(cè)試結(jié)果判斷。被動(dòng)活塞式體積管在檢定過(guò)程中，應(yīng)用相同的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)去判斷相同活塞運(yùn)動(dòng)速度下的檢定結(jié)果時(shí)，不易發(fā)現(xiàn)由活塞連續(xù)性泄漏可能導(dǎo)致的檢定錯(cuò)誤?？梢栽黾右唤M檢定，該組檢定的活塞運(yùn)動(dòng)速度與正式檢定時(shí)相比應(yīng)增加或降低至少25%，比較兩組檢定所得的標(biāo)準(zhǔn)容積，若差值不超過(guò)0.02%，則說(shuō)明密封性良好，否則就存在泄漏。當(dāng)然，這兩組檢定各自的重復(fù)性都不應(yīng)大于0.02%[10]。

3.1.2 泄漏測(cè)試的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

M站每半年邀請(qǐng)第三方正式檢定，每次檢定時(shí)均進(jìn)行了動(dòng)態(tài)泄漏測(cè)試，靜態(tài)泄漏測(cè)試則因缺少測(cè)試工具一直未進(jìn)行，檢定記錄見(jiàn)表1，該體積管自投用以來(lái)未進(jìn)行過(guò)影響標(biāo)準(zhǔn)容積的維修以及活塞密封圈的更換。

2017年1月，重復(fù)性和動(dòng)態(tài)泄漏測(cè)試均滿足要求，但復(fù)現(xiàn)性不滿足要求（要求優(yōu)于0.02%）。M站即開(kāi)始采購(gòu)靜態(tài)泄漏測(cè)試工具和密封圈及其他備件，至2018年1月工具和備件到場(chǎng)后再次檢定，檢定前進(jìn)行了靜態(tài)/動(dòng)態(tài)泄漏測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中，壓差在規(guī)定時(shí)間內(nèi)從5 lb/in2降至3.6 lb/in2（24.82 kPa）（要求壓降為零），活塞位移1.122 mm（要求位移為零），靜態(tài)泄漏測(cè)試不合格，復(fù)現(xiàn)性不合格（約為限值的10 倍），動(dòng)態(tài)泄漏測(cè)試和重復(fù)性符合要求。更換密封圈等備件后，順利通過(guò)靜態(tài)/動(dòng)態(tài)泄漏測(cè)試，檢定結(jié)果符合要求。

3.1.3 泄漏測(cè)試與可靠性的關(guān)系

綜上所述，對(duì)于同一組檢定結(jié)果，即使動(dòng)態(tài)泄漏測(cè)試和重復(fù)性符合要求，也無(wú)法確保體積管的可靠性。如圖2、圖3所示。

圖2 動(dòng)態(tài)泄漏測(cè)試與復(fù)現(xiàn)性Fig.2 Dynamic leak test and reproducibility

圖3 不同流速下的重復(fù)性Fig.3 Reliability with different flowrate

由圖2、圖3可知：

（1）動(dòng)態(tài)泄漏測(cè)試只是確保體積管可靠的其中一項(xiàng)指標(biāo)，不能完全反映體積管的狀態(tài)。第12、13 次檢定時(shí)，動(dòng)態(tài)泄漏測(cè)試結(jié)果合格且僅為限值的5%和30%，對(duì)應(yīng)的復(fù)現(xiàn)性已達(dá)到限值的近4 倍和10 倍，檢定結(jié)果不符合要求。所以需要增加監(jiān)測(cè)措施（如靜態(tài)泄漏測(cè)試），以更全面地了解活塞的密封狀態(tài)。

（2）在活塞密封圈與體積管內(nèi)壁完成磨合并進(jìn)入穩(wěn)定期后，應(yīng)啟動(dòng)活塞的預(yù)防性維修。動(dòng)態(tài)泄漏測(cè)試與復(fù)現(xiàn)性的變化趨勢(shì)相似且可分為三個(gè)階段：第1～6次檢定為第一階段，該階段內(nèi)密封圈和體積管內(nèi)壁處于磨合期，密封效果不穩(wěn)定；第7～9次檢定為第二階段，經(jīng)過(guò)前期的磨合，此時(shí)密封效果處于穩(wěn)定狀態(tài)；第10～13次檢定為第三階段，經(jīng)多次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，密封圈磨損且密封圈材料逐漸老化，密封效果降低，動(dòng)態(tài)泄漏測(cè)試和復(fù)現(xiàn)性波動(dòng)較大。當(dāng)復(fù)現(xiàn)性超過(guò)0.02%后，僅經(jīng)過(guò)半年，復(fù)現(xiàn)性就超過(guò)限值，說(shuō)明密封圈材料老化后密封圈變形加快，泄漏量增大，檢定結(jié)果不穩(wěn)定。所以應(yīng)在發(fā)現(xiàn)復(fù)現(xiàn)性進(jìn)入第二階段后即著手采購(gòu)密封圈等備件，待后續(xù)檢定過(guò)程中發(fā)現(xiàn)檢定結(jié)果不符合要求時(shí)立即維修。

（3）動(dòng)態(tài)泄漏測(cè)試時(shí)，低流速的重復(fù)性大于檢定流速的重復(fù)性，選定低流速作為對(duì)照流速是可行的。改變流速，實(shí)際是改變了作用在活塞上的液體壓力和活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)間，二者同時(shí)影響活塞的泄漏量，隨著密封圈工作時(shí)間逐漸變長(zhǎng)，二者的主次地位發(fā)生變化。在第1～11 次檢定中，因密封圈材質(zhì)較硬，液體壓力為次要因素，運(yùn)動(dòng)時(shí)間為主要因素，此時(shí)低流速下活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)間較檢定流速時(shí)長(zhǎng)，泄漏量相對(duì)較大，表現(xiàn)為重復(fù)性相對(duì)較大；在第12、13 次檢定中，因密封圈材質(zhì)變軟，密封效果變差，液體壓力成為主要因素，運(yùn)動(dòng)時(shí)間成為次要因素，此時(shí)低流速下液體壓力較檢定流速時(shí)小，所以泄漏量相對(duì)較小，表現(xiàn)為重復(fù)性相對(duì)較小。

3.2 優(yōu)化檢定周期

合理的檢定周期不僅能保證體積管處于有效的工作狀態(tài)，而且可以節(jié)約運(yùn)行管理費(fèi)用。

通常情況下，貿(mào)易相關(guān)方會(huì)在計(jì)量開(kāi)始階段約定檢定周期并照此執(zhí)行，直至在過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題才會(huì)更新。國(guó)內(nèi)體積管檢定周期一般為3 年[4]，但已有文獻(xiàn)指出此規(guī)定無(wú)法確保體積管在周期內(nèi)的準(zhǔn)確性，建議根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況的調(diào)研結(jié)果調(diào)整檢定周期[17]。規(guī)定檢定周期是為了在確保體積管符合計(jì)量要求的前提下降低運(yùn)行管理費(fèi)用，因此每臺(tái)體積管可以根據(jù)自身檢定結(jié)果的變化規(guī)律制定合理的檢定周期，也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)體積管數(shù)量和使用條件開(kāi)展期間核查[18]。

M站體積管檢定周期為半年，在計(jì)入活塞磨損對(duì)密封狀態(tài)影響前提下，根據(jù)已有數(shù)據(jù)計(jì)算不同檢定周期的復(fù)現(xiàn)性，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知：

（1）復(fù)現(xiàn)性的變化量不具備傳遞性，而是隨機(jī)的。由復(fù)現(xiàn)性計(jì)算方法可知，每次檢定都允許標(biāo)準(zhǔn)容積有一定變化，只要變化量在限值內(nèi)即可。將檢定周期為半年的復(fù)現(xiàn)性稱復(fù)現(xiàn)性A，其它不同檢定周期的復(fù)現(xiàn)性稱復(fù)現(xiàn)性B，在第2～9 次檢定時(shí)，復(fù)現(xiàn)性A并未較復(fù)現(xiàn)性B持續(xù)增大，說(shuō)明復(fù)現(xiàn)性的變化量并未隨著檢定次數(shù)的增加而傳遞，第11 次檢定時(shí)，復(fù)現(xiàn)性A和B均波動(dòng)較大，第12、13次檢定時(shí)，復(fù)現(xiàn)性A 和B 均超出限值，復(fù)現(xiàn)性A 和B 的變化趨勢(shì)基本相同。

（2）對(duì)于未進(jìn)行過(guò)可能改變標(biāo)準(zhǔn)容積的維修的體積管，其檢定周期定為5年是可以接受的。復(fù)現(xiàn)性A表明在該體積管前5年的運(yùn)行中表現(xiàn)穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性B中檢定周期為5年時(shí)的復(fù)現(xiàn)性也符合限值要求，因此，可以將該體積管的檢定周期定為5年。

表2 M站被動(dòng)活塞式體積管不同檢定周期的復(fù)現(xiàn)性Tab.2 Reproducibility of passive piston volume with different calibration period at M Station

（3）活塞密封圈的性能變化是影響檢定周期的關(guān)鍵因素之一。在密封圈材質(zhì)老化之前，體積管檢定結(jié)果穩(wěn)定且符合要求，在密封圈材質(zhì)老化之后，檢定結(jié)果波動(dòng)較大且超出限值，可根據(jù)活塞密封圈在當(dāng)前工作環(huán)境下的性能變化周期制定合理的體積管檢定周期。

綜上所述，M站體積管檢定周期可適當(dāng)延長(zhǎng)但不宜超過(guò)5年。為確保其可靠性，該體積管首次檢定后可經(jīng)3年再進(jìn)行第二次檢定，隨后每年檢定一次。更換新密封圈后，檢定周期可參考上一個(gè)密封圈工作時(shí)的檢定周期。當(dāng)然，如期間發(fā)生過(guò)改變體積管標(biāo)準(zhǔn)容積的維護(hù)則應(yīng)及時(shí)檢定。

4 結(jié)論和建議

（1）被動(dòng)活塞式體積管在檢定前，除進(jìn)行可視類密封性檢查之外，還應(yīng)進(jìn)行不可視類密封性檢查，即進(jìn)行活塞密封性的靜態(tài)/動(dòng)態(tài)泄漏測(cè)試，測(cè)試方法和結(jié)果評(píng)價(jià)可參考API和體積管生產(chǎn)廠家手冊(cè)。建議動(dòng)態(tài)泄漏測(cè)試時(shí)采用低流速（較檢定流速低25%）作為對(duì)照流速，因?yàn)榛钊诘土魉傧逻\(yùn)行時(shí)需要比高流速（較檢定流速高25%）下運(yùn)行時(shí)更完整的密封性才能確保檢定結(jié)果符合要求[19]。

（2）檢定周期可根據(jù)復(fù)現(xiàn)性優(yōu)化，復(fù)現(xiàn)性又與活塞密封圈的性能變化周期相關(guān)。當(dāng)復(fù)現(xiàn)性變化進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，應(yīng)啟動(dòng)活塞預(yù)防性維修流程。活塞密封圈性能的變化周期與其工作次數(shù)和計(jì)量介質(zhì)中硬質(zhì)顆粒含量[20]等相關(guān)，將來(lái)可從引起密封圈材料化學(xué)變化進(jìn)而影響其工作狀態(tài)的角度分析優(yōu)化檢定周期的措施。

（3）被動(dòng)活塞式體積管因體積小、流量范圍寬和安裝操作便捷等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[21]，但不宜應(yīng)用在某些受國(guó)際制裁的非洲國(guó)家。因體積管屬精密儀器，其維修需由廠家人員到現(xiàn)場(chǎng)完成，但此類技術(shù)服務(wù)在受國(guó)際制裁的國(guó)家不易獲得，所以，維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單的球式體積管可作為首選。