流量儀表的一些不良安裝和操縱失誤

流量儀表的一些不良安裝和操縱失誤

摘要：討論流量儀表在應(yīng)用中常見失誤情況，包括操縱不善和活動擾動及不良安裝；產(chǎn)生氣穴和液體中會有氣泡；氣體中含有冷凝液；磨損和沉積等等。這些失誤常導(dǎo)致流量儀表丈量不準(zhǔn)或失靈。
關(guān)鍵詞：流量儀表；應(yīng)用技術(shù)；操縱失誤
轉(zhuǎn)速計| 水份計| 水份儀| 分析儀| 溶氧計| 電導(dǎo)度計| PH計| 酸堿計| 糖度計| 鹽度計| 酸堿度計| 電導(dǎo)計|
用戶常從流程系統(tǒng)物料平衡，與歷史丈量值比較或與其他參比流量丈量值比較，感覺使用中流量計丈量不正確，然而卸下儀表往流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上校驗，除少數(shù)是儀表本身失誤(如調(diào)試設(shè)定謬誤)外，證實大多數(shù)儀表是正常的。究其原因往往大部分屬儀表安裝布置不妥和管道內(nèi)介質(zhì)中混有異相物(如氣體中有凝聚液滴，液體中混進(jìn)氣泡)等造成應(yīng)用方面的失誤。

1　不良安裝

1.1　第1類不良安裝

操縱不善和布置不妥的不良安裝，常見的有：

1)標(biāo)準(zhǔn)孔板的銳角未裝在迎流面。
2)儀表與管道間密封襯墊內(nèi)徑Dg小于管道內(nèi)徑Dp和儀表內(nèi)徑Dm而產(chǎn)生束流。Dg應(yīng)略大于Dm，如Dg3)密封墊片偏心(未對準(zhǔn)中心)。密封襯墊安裝偏心，遮住了部分流通面積，使速度分布嚴(yán)重畸變不對稱。由于不對稱活動發(fā)生在流量傳感器進(jìn)口，即上游直管段長度為零，會對差壓式、渦輪式、渦街式、超聲式，靶式、電磁式等儀表帶來丈量誤差。例如DＮ50mm電磁流量計襯墊偏心10mm，丈量誤差高達(dá)4%～10%。
4)流量計處于錯誤的活動方向。
5)將對于振動干擾敏感的儀表安裝在有振動的管道上。
6)缺少必要的防護(hù)性配件。

這些缺陷，是眾所周知或儀表制造廠提出應(yīng)該避免的。然而因操縱職員未經(jīng)嚴(yán)格培訓(xùn)，缺乏知識而未得到重視，這類失誤屢見不鮮。

密封墊片內(nèi)徑過小或安裝偏心固然對容積式、浮子式、科里奧利質(zhì)量式等儀表的流量值沒有影響或影響極小，但會增加額外的壓力損失。

1.2　第2類不良安裝

1.2.1　上游擾動源

上游的擾動源有螺旋式焊縫管和各類阻流管件(如彎管、異徑管、支管和閥)，如圖1所示[2]。按擾動流類型分為兩類，第1類速度分布有畸變和有二次活動；第2類除速度分布畸變和二次活動外，還有旋渦。各類管件中碰到最多的是彎管和各種彎管組合(如同平面雙彎管和立體雙彎管)。各類流量儀表對上游活動擾動的敏感程度不一，因此要提出各自的安裝要求。

圖1　根據(jù)擾動流類型分類的各種管件

在各類流量儀表中，節(jié)流差壓式儀表對節(jié)流件上下游直管段長度要求的試驗做得最為完善，典型阻流件比較成熟的結(jié)果已經(jīng)在國際標(biāo)準(zhǔn)ISO5167中作出了規(guī)定。其他各類流量儀表至今尚未達(dá)到如此成熟的程度；不管是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范還是制造廠使用說明書提供的數(shù)據(jù)，都不及節(jié)流差壓式流量儀表完善，有時只能起參考作用。同一品種儀表由于結(jié)構(gòu)不同，影響程度差異也很大。例如：渦輪流量計的渦輪螺旋狀葉片比平直狀葉片受旋渦流的影響要小得多；傳播時間法超聲流量計中Ｖ法聲道布置受旋渦流影響比Ｚ法小。

1.2.2　下游擾動源

通常那種以為流體一旦流出流量儀表后的活動狀態(tài)不會再影響儀表，只是一種錯覺。事實上，彎管、閥門等對流體活動形成的擾動會上溯傳播，可以影響到幾倍管徑長度的間隔處。在大部分情況下5倍管徑的下游直管段已經(jīng)足夠了；有些特例可能要稍長些，但可以為10倍管徑的下游直管段，就能可靠地應(yīng)付任何下游管件所產(chǎn)生的擾動。如直管段長度不能滿足要求而又要保證丈量精度，則可采取以下兩個變通辦法之一。

1)在現(xiàn)場安裝條件下校準(zhǔn)，或在相同于現(xiàn)場安裝條件的擾動阻流件與儀表一起，在實驗室實流校驗裝置上校準(zhǔn)。
2)在儀表上游安裝如下節(jié)所述的活動調(diào)整器。

2　活動調(diào)整器

在國際標(biāo)準(zhǔn)化組織技術(shù)委員會草案ISO/CD5167 1《用安裝在布滿流體的圓形截面管道中差壓裝置丈量流量第1部分———總則》[3]中，資料性質(zhì)的“附錄C”將活動調(diào)整器分類為活動整直器(flow straightener)和真活動調(diào)整器(true flow condition er)。前者的功能僅消除或明顯減小旋渦，而并不同時調(diào)整流速分布使之接近于充分發(fā)展的流速分布；后者在消除或減小旋渦的同時調(diào)整流速分布狀況。ISO5167 1將徑向葉片(Etoile)式、柵格(AMCA)式、斯普倫克爾(ASME)式和管束式劃回為活動整直器，而將平板交叉式(贊克(ISO)式)和三菱式(多孔板式)劃回為真活動調(diào)整器。

文獻(xiàn)[1]列有包括上述多種活動調(diào)整器的結(jié)構(gòu)外形、管束直徑和開孔尺寸等；裝用后對畸變和旋渦的改善效果；以及它們的壓力損失計算式和永久壓力損失系數(shù)。

活動調(diào)整器(廣義)有時如安裝不慎，會產(chǎn)生副作用而不能使活動有所改善。裝用時應(yīng)遵循以下基本準(zhǔn)則。

1)與三菱式相似的多孔板活動調(diào)整器即使非常接近活動擾動源，也能很好地起作用，因此可以直接裝到彎管和閥等的出口法蘭上。
2)其余各類活動調(diào)整器必須安裝在擾動源下游至少3D的間隔，否則易被剛產(chǎn)生的擾動削弱調(diào)整作用。
3)從活動調(diào)整器流出的速度分布還存在一些畸變，因此在其下游與流量傳感器之間還應(yīng)有一段直管段以削除畸變。該直管段的理想長度宜為20D以上，至少應(yīng)不低于10D。如將活動調(diào)整器和流量傳感器安裝在一起進(jìn)行實流校準(zhǔn)，則直管段長度有5D就夠了。

3　氣穴形成的失誤

在丈量液體流量時，儀表流量檢測部位產(chǎn)生氣穴(蝕)將導(dǎo)致錯誤的丈量。氣穴產(chǎn)生的原因是儀表內(nèi)部壓力低于液體蒸氣壓所致。應(yīng)進(jìn)步工作壓力或在儀表下游裝背壓閥以進(jìn)步儀表內(nèi)部壓力，勿使其低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范或制造廠規(guī)定的壓力值。

儀表上游管線配件產(chǎn)生氣穴是常被忽視的一個禍源，特別是燃料、石油加工產(chǎn)品或有機(jī)溶劑產(chǎn)生的氣穴，形成云霧狀氣泡在其下游會保持相當(dāng)長的間隔，極易造成儀表丈量誤差。流量控制閥在接近封閉狀態(tài)活動時最易產(chǎn)生氣穴；某些三通閥和四通閥在改變流通方向時也輕易產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣穴。這些都是值得引起留意的。

4　液體中混有氣體(泡)

液體中混有氣體(泡)，是液體流量丈量產(chǎn)生丈量誤差和輸出不穩(wěn)等故障出現(xiàn)頻率頗高的原因之一。除上面所述氣穴產(chǎn)生氣泡外，還有以下幾種途徑會導(dǎo)致在液體中進(jìn)進(jìn)空氣或產(chǎn)生游離氣體(氣霧或氣泡)。

1)旋渦等卷進(jìn)空氣：儲存容器液位高度下降到略高于吸進(jìn)管進(jìn)口端，或該高度只有1～2倍進(jìn)口直徑D的間隔時，就會產(chǎn)生旋渦，極易將氣液界面的空氣卷進(jìn)液體進(jìn)進(jìn)管道。通常要求液位要高于進(jìn)口2～5D(取決于吸進(jìn)流速)，才能保證不形成旋渦。在實踐中碰到這樣的失誤案例很多，也可能是管道進(jìn)進(jìn)空氣最普遍和進(jìn)氣量最多的原因。在流程產(chǎn)業(yè)方面配比混合容器攪拌時混進(jìn)空氣，也是在實踐中常會碰到的。

2)管道充液不全殘留空氣：檢驗管道系統(tǒng)先要排盡液體，結(jié)束后重新充液。然而有時候要完全布滿亦相當(dāng)困難，由于在管道系統(tǒng)高點(如倒Ｕ形管頂部)和死角，易聚存氣團(tuán)，日后碰到壓力或流量忽然波動，氣團(tuán)破裂便會被液體帶走部分氣體。這常是管線投進(jìn)運行初期流量儀表丈量不正確的原因之一。因此在必要時在高點設(shè)置排氣閥，以便人工排放潴留氣體。

3)密封泄漏：氣體的粘度遠(yuǎn)比液體小，某處液壓密封試驗時能保持管內(nèi)液體不過泄，卻不一定能保證管內(nèi)氣體不過泄或吸進(jìn)。負(fù)壓管道連接處的密封稍有不慎，極易將空氣吸進(jìn)管內(nèi)；正壓管道系統(tǒng)泵吸進(jìn)端負(fù)壓管段密封不良或泵轉(zhuǎn)軸填料老化泄漏也會吸進(jìn)空氣。負(fù)壓管道系統(tǒng)吸進(jìn)空氣尚易為人們想到，然而若管道內(nèi)略高于大氣壓且出現(xiàn)脈動流，亦會出現(xiàn)瞬間壓力低于大氣壓而吸進(jìn)空氣的現(xiàn)象，就往往會被忽視了。

4)液體中溶解的氣體因溫度、壓力變化游離成氣泡：當(dāng)液體壓力降低或溫度升高時，溶解在液體中的氣體會分離出游離氣霧或氣泡。例如石油加工產(chǎn)品若溫度升高15℃，溶解空氣形成游離氣泡體積達(dá)1%～1 5%。

5)冷卻收縮形成的氣泡：這是一種比較隱蔽的液體中混進(jìn)氣體的方式。當(dāng)布滿液體的管道系統(tǒng)欲停止運行時，封閉進(jìn)出口截止閥后逐漸冷卻。由于液體體積的收縮比管道系統(tǒng)空腔的收縮大得多，至使管內(nèi)形成真空的收縮空間。液體中溶解的氣體分離成游離氣泡積聚于管道系統(tǒng)內(nèi)的高點，在重新開車時便會出現(xiàn)丈量誤差。

5　氣體中冷凝液

通常氣體中水蒸汽的凝聚對丈量精度影響不大，只有丈量空氣或氣體流量的精確度要求較高時才予以留意，并且應(yīng)盡可能避免凝聚。最有把握避免凝聚的方法是負(fù)氣體處于干燥狀態(tài)，然而在實踐中又往往不易辦到。較簡便的方法是控制管道內(nèi)的壓力和(或)溫度，使管道系統(tǒng)中的水蒸汽不要處于飽和狀態(tài)。


6　磨損和沉積結(jié)垢

通常，使用者�？戳髁績x表安裝調(diào)試好后，一直能進(jìn)行正確地丈量，直到不能應(yīng)用為止。這當(dāng)然是一種愿看。人們對有活動丈量零部件的渦輪式、容積式儀表中軸承磨損，活動件和靜止件間的間隙變化(磨損增加間隙，結(jié)垢減少間隙)影響丈量性能，易予以重視；對無活動零部件的儀表如節(jié)流差壓式、渦街式等儀表，受磨損與結(jié)垢沉積的影響常被忽視。

實際上這些流量儀表丈量通道因磨損、沉積引起尺寸變化的影響不是微不足道的。例如DＮ100管道管壁變化±0 5mm(沉積或磨損)，流量丈量值就要變化±1%，對于0 5級表就不是可以忽視的小數(shù)目了。

標(biāo)準(zhǔn)孔板孔的上游銳邊沿嚴(yán)格要求邊沿半徑r≤0 0004d(d為節(jié)流孔直徑)。若銳邊沿磨鈍至r/d=0.002，流出系數(shù)變化+1 2%；r/d=0 004，流出系數(shù)變化+2 2%；r/d=0 008，流出系數(shù)則變化+4%[4]。標(biāo)準(zhǔn)孔板迎流端面沉積也要影響流出系數(shù)，例如DＮ100丈量管孔板迎流端面沉積厚度2 5mm；孔板節(jié)流孔與管道直徑之比β=d/D=0 7時，流出系數(shù)變化+3%；β=0 2時，流出系數(shù)變化高達(dá)+6 2%[4]。

渦街流量計旋渦發(fā)生體迎流端面沉積也會影響流量丈量值。據(jù)日本Oｖal公司工作職員著文透露模擬試驗結(jié)果，在該公司三角柱發(fā)生體真?zhèn)�堆積物厚度Ｙ為0 01D時附加誤差為-2%；Ｙ=0 02D時，附加誤差為-3 4%[5]。

對于電磁流量計，沉積結(jié)垢除往對流通面積產(chǎn)生影響外，若是盡緣性的沉積層覆蓋電極表面，則該量信號被斷路；若是導(dǎo)電性垢層沉積于丈量管內(nèi)壁，則流量信號被短路，二者都會使電磁流量計無法正常工作。

對于應(yīng)用日益增多的江河原水計量，應(yīng)留意儀表丈量管內(nèi)壁沉積層的厚度，并要定期清除。例如上海某水廠DＮ1600黃浦江原水輸水管所裝電磁流量計，啟用2年后感到計量減少，然而檢查儀表本身卻正常。由于不能停流來檢查流量傳感器丈量通道的狀況，所以直到使用6年后進(jìn)進(jìn)流量傳感器丈量管檢查，淤泥沉積厚度竟已達(dá)到10mm。這類場所要定期清除淤泥，并預(yù)設(shè)能進(jìn)進(jìn)管道和傳感器的進(jìn)孔等。

7　正常運行的誤解

常有用戶反映儀表丈量不正確或運行不正常，但現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，故障往往實際上不是儀表本身的原因，而是由系統(tǒng)原因所引起的，即產(chǎn)生了誤解。

1)旁路管截止閥泄漏：為便于維修，流量儀表通常裝有旁路管，旁路管截止閥泄漏必然減小儀表讀數(shù)，而閥的微量泄漏又不易察覺，常被誤以為丈量不正確。更有甚者，在有些核算或節(jié)約有獎的介質(zhì)丈量場所，在旁路閥上弄虛作假，人為地不密閉，則可采取在閥手輪上系線錯封等防范措施。

2)以泵流量核查儀表流量：運行職員如對流量儀表產(chǎn)生懷疑，往往與泵銘牌上“規(guī)定性能點”的額定流量(見圖2之ｑsp)進(jìn)行比較，或與泵典型揚程 流量特性曲線的流量讀數(shù)進(jìn)行比較，如不一致即以為儀表不正確，這顯然是一種誤解。泵的輸送流量是泵的特性曲線和管道系統(tǒng)負(fù)載特性曲線(圖2之OA與OＢ)交匯點所確定的ｑA與ｑＢ，它隨著運行負(fù)載而變。而泵銘牌上的額定流量是在某一規(guī)定條件下的流量，在大部分情況下是不會一致的。此外泵的額定流量也規(guī)定答應(yīng)有4%～8%的答應(yīng)誤差(按泵的等級而定)，同一規(guī)格各臺泵的揚程 流量特性曲線也有差異(在圖2兩虛線范圍內(nèi))，輸出流量也是不一樣的。即便是泵的實測揚程 流量特性，流量值也可能有2%～3 5%的誤差[6]。因此不能用泵的流量值來作為判別流量儀表正確與否的依據(jù)。但日常運行時可相互參照，若兩值出現(xiàn)與日常運行的差值有異常變動時，應(yīng)作為“故障跡象”檢查泵、儀表和管道系統(tǒng)。

圖2　泵特性曲線

3)液體工況變化：現(xiàn)在流量儀表大部分是體積流量儀表，人們對于氣體在不同工況條件下所測流量值之間的關(guān)系，已給予充分留意。然而對于液體，因受日常溫度/壓力工況變化不大時對流量丈量影響甚微的習(xí)慣所左右，往往忽視了工況變化較大時對流量丈量值的影響。

液體是非壓縮性流體，通常液體的壓縮系數(shù)不大，靜壓不大的壓縮量可忽略不計。然而石油加工產(chǎn)品壓縮系數(shù)較大，在(5～20)×10-4/MPa，液化石油氣壓縮系數(shù)更大，為(44～73)×10-4/MPa，當(dāng)壓力相差較大時，流量丈量值必須考慮靜壓的影響。例如，輸油管用泵加壓輸油，從0 5MPa升壓到6MPa時體積存縮了0 45%，假如兩端分別用容積式流量計丈量，那么兩者的讀數(shù)就會有相應(yīng)的差別。

石油加工產(chǎn)品在室溫四周升高10℃，體積增加0 7%～1%。這對于0 5級精度的儀表已是相當(dāng)大的影響了。水的體積變化受溫度變化的影響相對較小(在10～40℃范圍內(nèi)，為+(0 16～0 25)%/10℃)。但流程產(chǎn)業(yè)經(jīng)常會碰到丈量水或水溶液在熱交換過程前后體積流量的情況。若溫度相差較大，則應(yīng)考慮溫度對體積丈量值變化的影響。

江蘇某化工廠兩臺DＮ100電磁流量計分別丈量兩條管道中的兩種稀酸，匯合進(jìn)進(jìn)總管再由DＮ200電磁流量計計量總流量。該廠向儀表制造廠反映，總表流量為兩個分表流量之和的120%～130%，以為3臺儀表均不正確。經(jīng)現(xiàn)場了解管道壓力為0 6MPa盡對壓力，兩分管液體溫度為30℃，混合液體進(jìn)進(jìn)總表前經(jīng)反應(yīng)器熱交換，溫度升高到180℃。假定稀酸受溫度影響的體積膨脹系數(shù)和水相近，那么從30℃升高到180℃體積增加約12%，由此可以判定，總表與分表總和之間讀數(shù)差主要是液體溫度變化所致。此外，在0 6MPa盡對壓力下，混合液體在158 5℃已開始沸騰，流過總表的流體為液體中夾有部分蒸汽，必然會也增加總表體積流量的讀數(shù)�？梢砸詾�，這兩種因素就是總表讀數(shù)比兩個儀表流量之和多20%～30%的原因。