科里奧利質(zhì)量流量計(jì)安裝引起的誤差及其解決方案

楊 照 陳 艷 王 海 謝 昕 胡鐘文 徐光磊

中國(guó)測(cè)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(jì)是一種高精度的流量計(jì)量?jī)x表,在石油、化工、醫(yī)藥、食品酒類等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。科里奧利質(zhì)量流量計(jì)優(yōu)點(diǎn):可以直接測(cè)量質(zhì)量流量,計(jì)量精度高[1-4];可測(cè)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(dòng)管振動(dòng)幅度小,可視為非活動(dòng)部件,且振動(dòng)管內(nèi)部無(wú)阻礙部件及活動(dòng)部件,對(duì)迎流流速分布不敏感,因而流量計(jì)安裝到管路時(shí)無(wú)前后直管段要求?？评飱W利質(zhì)量流量計(jì)由于計(jì)量精度高,被廣泛應(yīng)用于成品油貿(mào)易交接中,替代原來(lái)的容積式流量計(jì),作為成品油貿(mào)易交接的主要計(jì)量器具;同時(shí),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(jì)也有一定的缺點(diǎn),因其工作原理是靠自身振動(dòng)管產(chǎn)生一定頻率的振動(dòng)來(lái)測(cè)量流過(guò)振動(dòng)管流體的流量,所以外部的振動(dòng)及應(yīng)力會(huì)對(duì)流量計(jì)產(chǎn)生干擾,因此科里奧利質(zhì)量流量計(jì)安裝要求很高[8-10]。不規(guī)范安裝將引起流量計(jì)的附加誤差，為找出影響安裝的因素,嘗試以實(shí)驗(yàn)測(cè)量為基礎(chǔ)分析不規(guī)范安裝對(duì)科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的影響,并提出解決方案。

1 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)工作原理

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)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(dòng)管繞固定端以角速度ω產(chǎn)生固有頻率振動(dòng),流體以流速v1流入U(xiǎn)型振動(dòng)管,以流速v2流出U型振動(dòng)管(流體為勻速流動(dòng),即v1=v2),此時(shí)流體會(huì)受到科里奧利力的作用,同時(shí)流體對(duì)U型振動(dòng)管產(chǎn)生反作用力,使U型振動(dòng)管產(chǎn)生力矩M,在力矩M作用下,U型振動(dòng)管發(fā)生扭曲,產(chǎn)生扭曲角。其中1根振動(dòng)管產(chǎn)生的扭曲將滯后于另外1根振動(dòng)管，此時(shí)變送器通過(guò)2根振動(dòng)管上的傳感器A、B檢測(cè)到的信號(hào)得到相位差和時(shí)間差。根據(jù)時(shí)間差與流量計(jì)的儀表系數(shù)計(jì)算出此時(shí)通過(guò)科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的流量值[14-16]。

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

Qm

(1)

2 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)工作的準(zhǔn)確性問(wèn)題

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)接收到送檢的流量計(jì)開展量值傳遞活動(dòng)是常見的科里奧利質(zhì)量流量計(jì)檢定校準(zhǔn)工作形式。對(duì)無(wú)法送檢到實(shí)驗(yàn)室的流量計(jì),需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行校準(zhǔn)工作。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室對(duì)被實(shí)驗(yàn)管線的固定強(qiáng)度、安裝精度的控制都有嚴(yán)格要求,所以實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下科里奧利質(zhì)量流量計(jì)若非自身計(jì)量性能發(fā)生偏移,絕大部分都能達(dá)到預(yù)期要求。但科里奧利質(zhì)量流量計(jì)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、郊外露天環(huán)境等實(shí)際使用現(xiàn)場(chǎng),其使用環(huán)境及安裝精度控制并不能達(dá)到實(shí)驗(yàn)室水準(zhǔn),所以不規(guī)范安裝會(huì)影響科里奧利質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確性。

煉化廠成品油運(yùn)輸管線上的發(fā)油站,是將煉化廠生產(chǎn)出來(lái)的成品油通過(guò)油罐車配送到各個(gè)油庫(kù)及終端的加油站。向油罐車中灌入成品油時(shí),發(fā)油站選取0.2級(jí)F300型科里奧利質(zhì)量流量計(jì)作為成品油的計(jì)量器具。在發(fā)油站現(xiàn)場(chǎng),對(duì)發(fā)油的科里奧利質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)工作時(shí),發(fā)現(xiàn)某些科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的準(zhǔn)確性未能達(dá)到預(yù)期要求。本文以1臺(tái)數(shù)據(jù)不理想的F300型科里奧利質(zhì)量流量計(jì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)作分析。

校準(zhǔn)這臺(tái)F300型科里奧利質(zhì)量流量計(jì)時(shí)，按正常發(fā)油程序確保發(fā)油管道內(nèi)無(wú)氣泡、雜質(zhì)等,成品油充滿整個(gè)管線及流量計(jì)。關(guān)斷該流量計(jì)前后閥門,觀察其零點(diǎn)狀態(tài)。此時(shí)該流量計(jì)零點(diǎn)約-198 kg/h,波動(dòng)幅度約±72 kg/h。對(duì)該流量計(jì)進(jìn)行調(diào)零處理，經(jīng)過(guò)反復(fù)10次調(diào)零處理,確認(rèn)得到穩(wěn)定的零點(diǎn)，調(diào)零后的零點(diǎn)約-90 kg/h，開始對(duì)該流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)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(jì)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(jì)計(jì)量性能未達(dá)到流量計(jì)本身準(zhǔn)確度等級(jí)的要求。在此次校準(zhǔn)前已確認(rèn)該流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)安裝前本身計(jì)量性能符合要求,開始校準(zhǔn)時(shí)對(duì)該流量計(jì)進(jìn)行了調(diào)零處理,得到了穩(wěn)定的零點(diǎn),但零點(diǎn)并未達(dá)到正常狀態(tài)。零點(diǎn)的正常狀態(tài)應(yīng)該在0 kg/h上下波動(dòng),且波動(dòng)幅度較小,波動(dòng)的正負(fù)值峰值應(yīng)大體一致，但此時(shí)零點(diǎn)并未在0 kg/h上下。分析認(rèn)為安裝可能會(huì)影響該流量計(jì)的零點(diǎn)及計(jì)量性能。在對(duì)該流量計(jì)拆卸并重新安裝的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)了以下問(wèn)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(jì)與控制閥、管道、發(fā)油鶴管等組成計(jì)量橇,再與主管道預(yù)留的接口對(duì)接,形成發(fā)油系統(tǒng)。主管道位于5～6 m高空中,計(jì)量橇固定于地面,在接口預(yù)留上產(chǎn)生了一定的公差。計(jì)量橇與預(yù)留接口對(duì)接時(shí),為連接系統(tǒng)強(qiáng)行將預(yù)留接口處法蘭與計(jì)量橇進(jìn)口處法蘭對(duì)齊進(jìn)行安裝。預(yù)留接口的管道與主管道本身的剛性強(qiáng)度會(huì)對(duì)計(jì)量橇產(chǎn)生一定的應(yīng)力,此應(yīng)力會(huì)通過(guò)計(jì)量橇內(nèi)部的連接管道傳給流量計(jì)。同時(shí)在該流量計(jì)后端連接著發(fā)油鶴管,鶴管終端的快速接頭與鶴管萬(wàn)向頭裝置的重量,會(huì)通過(guò)管路形成杠桿效應(yīng),對(duì)該流量計(jì)產(chǎn)生一定的扭矩。隨著鶴管移動(dòng)的位置不同,該流量計(jì)的零點(diǎn)狀態(tài)也會(huì)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(guò)管道傳導(dǎo)給了該流量計(jì),使得流量計(jì)的零點(diǎn)發(fā)生偏離。整個(gè)計(jì)量橇的基座與支撐件剛性強(qiáng)度，不足以抵消管道外部帶來(lái)的應(yīng)力以及外部振動(dòng)對(duì)流量計(jì)產(chǎn)生的影響，可能導(dǎo)致該流量計(jì)計(jì)量性能產(chǎn)生偏移。

3 應(yīng)力對(duì)科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的影響及其解決方案

為了驗(yàn)證應(yīng)力對(duì)科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的影響,通過(guò)實(shí)驗(yàn)室對(duì)1臺(tái)有數(shù)據(jù)追蹤的CMF025型科里奧利質(zhì)量流量計(jì)做未受應(yīng)力與受應(yīng)力的對(duì)比實(shí)驗(yàn),從而確認(rèn)應(yīng)力對(duì)科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的影響,并找出解決方案。

3.1 應(yīng)力對(duì)科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的影響

首先按照正?？评飱W利質(zhì)量流量計(jì)檢定校準(zhǔn)工作流程,將CMF025型科里奧利質(zhì)量流量計(jì)安裝在測(cè)試管線中，管路通水,流量計(jì)通電。該流量計(jì)正常工作 30 min 后,關(guān)斷流量計(jì)前后閥門,觀察該流量計(jì)的零點(diǎn)狀況。此時(shí)該流量計(jì)的零點(diǎn)在0 kg/h附近波動(dòng),波動(dòng)幅度約±0.07 kg/h。此零點(diǎn)狀態(tài)為該流量計(jì)正常的零點(diǎn)狀態(tài),符合之前歷史數(shù)據(jù),不需要進(jìn)行調(diào)零處理。

確認(rèn)該流量計(jì)為正常工作狀態(tài)后,開始對(duì)該流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量性能測(cè)試,得到測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

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

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

在現(xiàn)有狀態(tài)不變的情況下,對(duì)該流量計(jì)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(jì)管線受應(yīng)力情況。管線通水，流量計(jì)通電，該流量計(jì)正常工作30 min后，關(guān)斷流量計(jì)前后閥門,觀察該流量計(jì)的零點(diǎn)狀態(tài)，此時(shí)該流量計(jì)的零點(diǎn)約-0.5 kg/h,波動(dòng)幅度約±0.08 kg/h。在該流量計(jì)安裝管線承受較大拉力的情況下,流量計(jì)零點(diǎn)發(fā)生了偏移。對(duì)該流量計(jì)在相同流量點(diǎn)(分別為流量點(diǎn)1 012 kg/h和流量點(diǎn)218 kg/h,且流量偏差不超過(guò)流量點(diǎn)的 ±5%)下進(jìn)行計(jì)量性能測(cè)試,測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。

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

由表3可看出,科里奧利質(zhì)量流量計(jì)在安裝時(shí)受到應(yīng)力影響,零點(diǎn)發(fā)生偏移,直接影響該流量計(jì)計(jì)量性能,使得該流量計(jì)無(wú)法達(dá)到應(yīng)有的計(jì)量精度。

取消管道上施加的向上拉力,將流量計(jì)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(jì)零點(diǎn)，此時(shí)該流量計(jì)的零點(diǎn)恢復(fù)到之前的零點(diǎn),零點(diǎn)約0 kg/h,波動(dòng)幅度約±0.05 kg/h。相同的方法對(duì)該流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量性能測(cè)試,測(cè)試數(shù)據(jù)見表4。

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

對(duì)比表2～4數(shù)據(jù)可以看出,科里奧利質(zhì)量流量計(jì)在安裝時(shí)若未達(dá)到無(wú)應(yīng)力安裝,那么安裝管線所受的應(yīng)力會(huì)傳導(dǎo)到科里奧利質(zhì)量流量計(jì)處,使零點(diǎn)發(fā)生偏移,影響其計(jì)量性能,對(duì)科里奧利質(zhì)量流量計(jì)小流量時(shí)的影響程度大于對(duì)其大流量時(shí)的影響程度。這也印證了在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)科里奧利質(zhì)量流量計(jì)時(shí)的情況。當(dāng)消除了影響科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的應(yīng)力后,會(huì)恢復(fù)其本身應(yīng)有的計(jì)量性能。

3.2 消除應(yīng)力影響的解決方案

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)力影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,對(duì)之前檢測(cè)有問(wèn)題的F300型科里奧利質(zhì)量流量計(jì)做以下處理。

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

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

3)在連接該流量計(jì)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(qiáng)度,以減小后端鶴管帶來(lái)的扭矩對(duì)該流量計(jì)的影響。同時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)所增加管托的高度,使連接該流量計(jì)兩端的法蘭盤軸心在同一直線上。

4)增加整個(gè)計(jì)量橇的底座強(qiáng)度,以抵抗外界振動(dòng)對(duì)該流量計(jì)的影響。

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

安裝完成后,重新對(duì)該流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)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(jì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表

對(duì)比表5與表1的數(shù)據(jù)可以看出,在消除了該流量計(jì)安裝時(shí)所受的應(yīng)力影響并增強(qiáng)了基座強(qiáng)度后,科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的計(jì)量精度得到了保證,能夠更好地發(fā)揮其計(jì)量?jī)?yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

近年來(lái),隨著重要行業(yè)對(duì)流量計(jì)量的要求越來(lái)越高,科里奧利質(zhì)量流量計(jì)在各行業(yè)的使用率也越來(lái)越高。通過(guò)對(duì)日常檢定校準(zhǔn)工作中遇到的科里奧利質(zhì)量流量計(jì)安裝問(wèn)題進(jìn)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(jì)計(jì)量不準(zhǔn)確的問(wèn)題，通過(guò)消除應(yīng)力、增強(qiáng)支撐強(qiáng)度等方法可以解決其問(wèn)題,恢復(fù)科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的計(jì)量精度。