科里奧利質量流量計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

中國測試技術研究院, 四川 成都 610021

0 前言

科里奧利質量流量計是一種高精度的流量計量儀表,在石油、化工、醫藥、食品酒類等領域應用廣泛。科里奧利質量流量計優點:可以直接測量質量流量,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];內部振動管振動幅度小,可視為非活動部件,且振動管內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。科里奧利質量流量計由于計量精度高,被廣泛應用于成品油貿易交接中,替代原來的容積式流量計,作為成品油貿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易結算的精度。當然,科里奧利質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力會對流量計產生干擾,因此科里奧利質量流量計安裝要求很高[8-10]。不規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分析不規范安裝對科里奧利質量流量計的影響,并提出解決方案。

1 科里奧利質量流量計工作原理

科里奧利質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型振動管產生反作用力,使U型振動管產生力矩M,在力矩M作用下,U型振動管發生扭曲,產生扭曲角。其中1根振動管產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。根據時間差與流量計的儀表系數計算出此時通過科里奧利質量流量計的流量值[14-16]。

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

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2 科里奧利質量流量計現場工作的準確性問題

在實驗室環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量流量計檢定校準工作形式。對無法送檢到實驗室的流量計,需要在現場進行校準工作。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格要求,所以實驗室環境下科里奧利質量流量計若非自身計量性能發生偏移,絕大部分都能達到預期要求。但科里奧利質量流量計在工業現場、郊外露天環境等實際使用現場,其使用環境及安裝精度控制并不能達到實驗室水準,所以不規范安裝會影響科里奧利質量流量計計量準確性。

煉化廠成品油運輸管線上的發油站,是將煉化廠生產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,發油站選取0.2級F300型科里奧利質量流量計作為成品油的計量器具。在發油站現場,對發油的科里奧利質量流量計進行校準工作時,發現某些科里奧利質量流量計的準確性未能達到預期要求。本文以1臺數據不理想的F300型科里奧利質量流量計校準數據作分析。

校準這臺F300型科里奧利質量流量計時，按正常發油程序確保發油管道內無氣泡、雜質等,成品油充滿整個管線及流量計。關斷該流量計前后閥門,觀察其零點狀態。此時該流量計零點約-198 kg/h,波動幅度約±72 kg/h。對該流量計進行調零處理，經過反復10次調零處理,確認得到穩定的零點，調零后的零點約-90 kg/h，開始對該流量計進行現場校準工作，校準數據見表1。

表1 F300型科里奧利質量流量計第一次校準數據表

由表1可看出，科里奧利質量流量計計量性能未達到流量計本身準確度等級的要求。在此次校準前已確認該流量計現場安裝前本身計量性能符合要求,開始校準時對該流量計進行了調零處理,得到了穩定的零點,但零點并未達到正常狀態。零點的正常狀態應該在0 kg/h上下波動,且波動幅度較小,波動的正負值峰值應大體一致，但此時零點并未在0 kg/h上下。分析認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,發現了以下問題。

該發油站中,發油島均由設備供應商事先將科里奧利質量流量計與控制閥、管道、發油鶴管等組成計量橇,再與主管道預留的接口對接,形成發油系統。主管道位于5～6 m高空中,計量橇固定于地面,在接口預留上產生了一定的公差。計量橇與預留接口對接時,為連接系統強行將預留接口處法蘭與計量橇進口處法蘭對齊進行安裝。預留接口的管道與主管道本身的剛性強度會對計量橇產生一定的應力,此應力會通過計量橇內部的連接管道傳給流量計。同時在該流量計后端連接著發油鶴管,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,對該流量計產生一定的扭矩。隨著鶴管移動的位置不同,該流量計的零點狀態也會發生改變,原因是鶴管不同的位置產生不同的扭矩,扭矩通過管道傳導給了該流量計,使得流量計的零點發生偏離。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力以及外部振動對流量計產生的影響，可能導致該流量計計量性能產生偏移。

3 應力對科里奧利質量流量計的影響及其解決方案

為了驗證應力對科里奧利質量流量計的影響,通過實驗室對1臺有數據追蹤的CMF025型科里奧利質量流量計做未受應力與受應力的對比實驗,從而確認應力對科里奧利質量流量計的影響,并找出解決方案。

3.1 應力對科里奧利質量流量計的影響

首先按照正常科里奧利質量流量計檢定校準工作流程,將CMF025型科里奧利質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。此零點狀態為該流量計正常的零點狀態,符合之前歷史數據,不需要進行調零處理。

確認該流量計為正常工作狀態后,開始對該流量計進行計量性能測試,得到測試數據見表2。

表2 CMF025型科里奧利質量流量計安裝管線未受應力時的測試數據表

將表2數據與該流量計歷史數據比對，本次測試數據與歷史數據吻合。由此可知,該流量計的安裝符合要求,且計量性能正常。

在現有狀態不變的情況下,對該流量計的安裝管線施加足夠大的向上拉力,模擬在發油站校準數據不理想的F300型科里奧利質量流量計管線受應力情況。管線通水，流量計通電，該流量計正常工作30 min后，關斷流量計前后閥門,觀察該流量計的零點狀態，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,測試數據見表3。

表3 CMF025型科里奧利質量流量計安裝管線受應力時的測試數據表

由表3可看出,科里奧利質量流量計在安裝時受到應力影響,零點發生偏移,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,測試數據見表4。

表4 CMF025型科里奧利質量流量計安裝管線消除應力時的測試數據表

對比表2～4數據可以看出,科里奧利質量流量計在安裝時若未達到無應力安裝,那么安裝管線所受的應力會傳導到科里奧利質量流量計處,使零點發生偏移,影響其計量性能,對科里奧利質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。這也印證了在現場檢測科里奧利質量流量計時的情況。當消除了影響科里奧利質量流量計的應力后,會恢復其本身應有的計量性能。

3.2 消除應力影響的解決方案

根據實驗室應力影響實驗的結果,結合現場實際情況,對之前檢測有問題的F300型科里奧利質量流量計做以下處理。

1)將該流量計從管線上拆下,清洗其振動管內部,防止其他雜質沉積在振動管內。

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,以補償預留接口產生的公差,消除因公差帶來的應力影響。

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,通過調節所增加管托的高度,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)在確認管道原有應力消除后,在無應力的情況下,重新安裝該流量計。

安裝完成后,重新對該流量計進行現場校準工作，校準數據見表5。

表5 調整安裝后F300型科里奧利質量流量計校準數據表

對比表5與表1的數據可以看出,在消除了該流量計安裝時所受的應力影響并增強了基座強度后,科里奧利質量流量計的計量精度得到了保證,能夠更好地發揮其計量優勢。

4 結論

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