磁電式流量計常見故障問題分析

黃勝寶 孫敬偉 黃芳 王偉 代繼榮

【摘要】 目前油田摻、注水工藝中使用的磁電式渦街流量計是一種基于電磁感應(yīng)原理檢測渦街頻率的渦街流量計，它既具有渦街流量計無可動元件，壓力損失小的特點，也克服了以往渦街流量計頻率信號檢測技術(shù)不適用于油田摻、注水工藝的缺點，是一種較為新穎的渦街流量計，研究它的工作原理和在油田摻、注水工藝中的使用情況，有利于我們掌握它的工作特性，跟好的發(fā)揮它的作用。

【關(guān)鍵詞】?渦街 流量計 磁電 摻水 注水

油田高壓注水儀表多采用垂直螺翼干式高壓水表，近些年來，磁電式渦街流量計加入摻、注水儀表的隊伍中來，新投、改、擴(kuò)建的摻、注水工藝流程，從設(shè)計部門開始已大量使用磁電式渦街流量計，大有取代垂直螺翼干式高壓水表的趨勢。渦街流量計作為工業(yè)用流量計量儀表并不是新生事物，之前在油田采油系統(tǒng)中有少量使用的記錄，但始終未大范圍應(yīng)用于油田摻、注水工程，究其原因，是受渦街流量計本身的結(jié)構(gòu)特點和渦街信號檢測機(jī)理影響。近些年來，這種磁電式渦街流量計因自身優(yōu)點，讓其在目前油田摻、注水工藝中占有了一席之地，當(dāng)然受油田摻、注水工藝特點的影響，這種流量計也有其自身的缺點。

一、垂直螺翼干式高壓水表使用情況

目前在注水流程中還有很多垂直螺翼干式高壓水表在使用，這種高壓注水儀表具有通流能力大，量程范圍大、安裝維修方便的特點。它由外殼、蓋座、葉輪計量機(jī)構(gòu)、計數(shù)顯示機(jī)構(gòu)等部分組成。外殼為直角式鑄鋼結(jié)構(gòu)，水由水表下端進(jìn)入表內(nèi)，經(jīng)過葉輪計量機(jī)構(gòu)沖擊葉輪轉(zhuǎn)動后由表殼側(cè)面流出，葉輪轉(zhuǎn)速與水的流速成比例，通過固定在葉輪軸上端的環(huán)形磁鋼，傳遞給密封隔板上側(cè)的計數(shù)器中的磁鋼齒輪，使之跟著同步轉(zhuǎn)動。然后經(jīng)過減速齒輪帶動字輪，指示出通過水表的總水量[1]。高壓水表有自身的優(yōu)點，同時受油田注水情況的影響，也存在一些不盡人意的地方。

垂直螺翼干式高壓水表是一種機(jī)械結(jié)構(gòu)的儀表，螺翼在水流的沖擊下高速旋轉(zhuǎn)，長時間的機(jī)械轉(zhuǎn)動易造成頂尖、瑪瑙磨損，各零部件配合間隙變大，周期檢定時一般均需更換零件，重新調(diào)修。油田脫水轉(zhuǎn)注，水中含有油污、聚合物、懸浮顆粒等黏附性強(qiáng)的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)易附著在葉輪、磁鋼、葉輪盒上，影響了儀表的準(zhǔn)確計量。長時間的使用會出現(xiàn)磁鋼退磁現(xiàn)象，葉輪的轉(zhuǎn)動不能全部通過磁鋼傳遞到安裝在隔板上的計數(shù)器，出現(xiàn)漏記現(xiàn)象，影響了計量的準(zhǔn)確度。注水溫度較高，會導(dǎo)致塑料材質(zhì)的葉輪傾角發(fā)生改變。調(diào)節(jié)板在高壓水流的沖擊下易發(fā)生松動，使進(jìn)入高壓水表的流體發(fā)生改變，影響了計量的準(zhǔn)確度。表頭為機(jī)械齒輪組合結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)不方便遠(yuǎn)傳。以上是高壓水表在現(xiàn)場使用中存在的一些問題。

二、電磁法檢測渦街頻率的渦街流量計原理

（一）信號檢測原理

磁電式流量計是利用電磁感應(yīng)與卡曼渦街原理相結(jié)合制造的，當(dāng)導(dǎo)電流體流經(jīng)旋渦發(fā)生體后，形成規(guī)則交錯排列的旋渦。在旋渦發(fā)生體下游的外壁設(shè)有磁鋼組件，磁鋼組件形成的磁場中心裝有一信號采集電極。磁通是恒定的，兩列漩渦交變地不斷出現(xiàn)，以不同方向切割磁場，在電極間產(chǎn)生交變電動勢。交變電動勢的頻率即為漩渦的分離頻率。因此，只要測出電極輸出交變電動勢的頻率，就可以計算出流體的體積流量。該檢測方式要求流體有一定的導(dǎo)電性。

渦街頻率的檢測由信號電極和永久磁鐵兩部分組成。信號電極是采用316L不銹鋼制成。永久磁鐵選用的是釹鐵硼。

感應(yīng)電動勢的大小與永久磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度、信號電極的直徑大小、切割磁力線的速度有關(guān)，主用是通過提高永久磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度來獲得較大幅度的頻率信號。

（二）硬件電路構(gòu)成

磁電式渦街流量計硬件電路主要由信號放大---濾波---整形電路，信號處理電路，信號顯示電路三部分構(gòu)成，微弱的感應(yīng)電動勢信號經(jīng)前置放大、交流放大和低通濾波，然后由施密特觸發(fā)器整形為標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖，此信號進(jìn)入單片機(jī)運算后，經(jīng)液晶顯示器顯示瞬時流量、累計流量等。為了修改和保存參數(shù)，還有按鍵接口和存儲電路。

三、磁電式渦街流量計現(xiàn)場使用情況

1.受摻、注水水質(zhì)影響，流量計測量管存在腐蝕和結(jié)垢情況，兩種情況都改變了測量管的幾何尺寸，因 ，測量管的幾何尺寸要參與流量計算，所以這些腐蝕和結(jié)垢情況是不能忽視的。

腐蝕情況，一管理區(qū)使用的水平安裝電旋式流量計，生產(chǎn)日期為2010年6月，現(xiàn)場使用發(fā)現(xiàn)計量誤差大，送到檢定單位檢定，檢定單位在接收這塊儀表后發(fā)現(xiàn)儀表測量管道內(nèi)附著了6到7毫米厚度不均的污垢層，待清除完污垢后，管道內(nèi)壁已坑坑洼洼，銹蝕嚴(yán)重，雖然旋渦發(fā)生體和檢測電極均未有明顯銹蝕，但管道內(nèi)幾何形狀已發(fā)生變化，安裝到檢定裝置檢定，數(shù)據(jù)誤差大，且不穩(wěn)定。

結(jié)垢情況，一管理區(qū)摻水流程中使用的DN25電旋式流量計，管理區(qū)反應(yīng)不能正常工作，拆下來后發(fā)現(xiàn)測量管內(nèi)附著了厚厚的一層結(jié)晶物質(zhì)，原本標(biāo)稱DN25的流量計已被結(jié)垢體附著到內(nèi)徑只有約15毫米，嚴(yán)重影響了計量性能。

2.水質(zhì)導(dǎo)致的結(jié)垢附著在旋渦發(fā)生體上，改變了旋渦發(fā)生體的幾何形狀，流體經(jīng)過旋渦發(fā)生體后產(chǎn)生的渦列變得復(fù)雜，檢測元件檢測出的渦列信號很難剔除掉雜波。

3.水質(zhì)中的油污等雜質(zhì)附著在檢測電極上，影響了經(jīng)過電磁感應(yīng)產(chǎn)生的微弱電動勢信號的采集。

4.摻水流程中水溫高，部分流程中摻水水溫（70～80）℃左右，現(xiàn)場表頭電路板長期在高溫輻射下工作，影響了電路的正常工作，縮短了儀表的使用壽命。安裝應(yīng)采用分體式結(jié)構(gòu)，或為采取必要的技術(shù)措施，如表頭向下等。

5.流程運行期間因為流量計下裝有一用于產(chǎn)生磁場的久永磁鐵，流體中的金屬碎屑易吸附在磁鐵附近，造成流體的渦列不規(guī)則，影響儀表性能。

四、對磁電式渦街流量計使用的建議

1.改善摻、注水水質(zhì)。尤其是摻水水質(zhì)，因摻水流程工藝設(shè)計，有的摻水流程流速低、日摻水量少更易形成結(jié)垢情況。另外摻、注水中含的污油、泥沙等物質(zhì)也極易附著在測量管管壁和旋渦發(fā)生體、檢測電極上?，F(xiàn)場注水水質(zhì)雖然符合注水標(biāo)準(zhǔn)，但對儀表的準(zhǔn)確計量還是有很大的影響。建議采集現(xiàn)場管壁垢層，分析摻水中總殘渣量、總?cè)芙夤腆w、總堿度、總礦化度、石油類、溶解氧以及 等含量，針對性的添加必要的阻垢劑。

2.定期將流量計從流程中拆下來，清理附著在測量管壁、旋渦發(fā)生體及電極上的水垢、油污，清理被流量計下永磁鐵吸附的金屬碎屑。

3.此類流量計的測量管普遍使用碳鋼，從現(xiàn)場使用情況看，耐腐蝕性能達(dá)不到要求，建議選用測量管為316或316L材質(zhì)耐腐蝕性更好的材料。

4.現(xiàn)場介質(zhì)溫度較高，多數(shù)電子元器件的正常工作溫度都限定在85℃以下，現(xiàn)場摻水流程介質(zhì)溫度已在溫度上限，建議高溫環(huán)境選用分體式渦街流量計，以便把轉(zhuǎn)換器安裝到環(huán)境溫度較低的地方，避免電子元器件的溫度超過極限溫度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張?zhí)┴S.水表及其檢定裝置.中國計量出版社，1990

[2] 王池，王自和，張寶珠，孫淮清.流量測量技術(shù)全書.化學(xué)工業(yè)出版社，2012