科里奥利质量流量计安装引起的误差及其解决方案

杨 照 陈 艳 王 海 谢 昕 胡钟文 徐光磊

中国测试技术研究院, 四川 成都 610021

0 前言

科里奥利质量流量计是一种高精度的流量计量仪表,在石油、化工、医药、食品酒类等领域应用广泛。科里奥利质量流量计优点:可以直接测量质量流量,计量精度高[1-4];可测量的流体种类广泛,包括高黏度液体、含固形物的浆液、含微量气体的液体、有足够密度的中高压气体等[5-7];内部振动管振动幅度小,可视为非活动部件,且振动管内部无阻碍部件及活动部件,对迎流流速分布不敏感,因而流量计安装到管路时无前后直管段要求。科里奥利质量流量计由于计量精度高,被广泛应用于成品油贸易交接中,替代原来的容积式流量计,作为成品油贸易交接的主要计量器具;同时,因其受油品温度、密度等因素影响很小,可大大提高成品油贸易结算的精度。当然,科里奥利质量流量计也有一定的缺点,因其工作原理是靠自身振动管产生一定频率的振动来测量流过振动管流体的流量,所以外部的振动及应力会对流量计产生干扰,因此科里奥利质量流量计安装要求很高[8-10]。不规范安装将引起流量计的附加误差，为找出影响安装的因素,尝试以实验测量为基础分析不规范安装对科里奥利质量流量计的影响,并提出解决方案。

1 科里奥利质量流量计工作原理

科里奥利质量流量计工作原理基于牛顿第二定律[11-13]，其工作原理见图1。U型振动管绕固定端以角速度ω产生固有频率振动,流体以流速v1流入U型振动管,以流速v2流出U型振动管(流体为匀速流动,即v1=v2),此时流体会受到科里奥利力的作用,同时流体对U型振动管产生反作用力,使U型振动管产生力矩M,在力矩M作用下,U型振动管发生扭曲,产生扭曲角。其中1根振动管产生的扭曲将滞后于另外1根振动管，此时变送器通过2根振动管上的传感器A、B检测到的信号得到相位差和时间差。根据时间差与流量计的仪表系数计算出此时通过科里奥利质量流量计的流量值[14-16]。

图1 科里奥利质量流量计工作原理图Fig.1 Coriolis mass flow meter working principle diagram

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2 科里奥利质量流量计现场工作的准确性问题

在实验室环境下对接收到送检的流量计开展量值传递活动是常见的科里奥利质量流量计检定校准工作形式。对无法送检到实验室的流量计,需要在现场进行校准工作。因为实验室对被实验管线的固定强度、安装精度的控制都有严格要求,所以实验室环境下科里奥利质量流量计若非自身计量性能发生偏移,绝大部分都能达到预期要求。但科里奥利质量流量计在工业现场、郊外露天环境等实际使用现场,其使用环境及安装精度控制并不能达到实验室水准,所以不规范安装会影响科里奥利质量流量计计量准确性。

炼化厂成品油运输管线上的发油站,是将炼化厂生产出来的成品油通过油罐车配送到各个油库及终端的加油站。向油罐车中灌入成品油时,发油站选取0.2级F300型科里奥利质量流量计作为成品油的计量器具。在发油站现场,对发油的科里奥利质量流量计进行校准工作时,发现某些科里奥利质量流量计的准确性未能达到预期要求。本文以1台数据不理想的F300型科里奥利质量流量计校准数据作分析。

校准这台F300型科里奥利质量流量计时，按正常发油程序确保发油管道内无气泡、杂质等,成品油充满整个管线及流量计。关断该流量计前后阀门,观察其零点状态。此时该流量计零点约-198 kg/h,波动幅度约±72 kg/h。对该流量计进行调零处理，经过反复10次调零处理,确认得到稳定的零点，调零后的零点约-90 kg/h，开始对该流量计进行现场校准工作，校准数据见表1。

表1 F300型科里奥利质量流量计第一次校准数据表

由表1可看出，科里奥利质量流量计计量性能未达到流量计本身准确度等级的要求。在此次校准前已确认该流量计现场安装前本身计量性能符合要求,开始校准时对该流量计进行了调零处理,得到了稳定的零点,但零点并未达到正常状态。零点的正常状态应该在0 kg/h上下波动,且波动幅度较小,波动的正负值峰值应大体一致，但此时零点并未在0 kg/h上下。分析认为安装可能会影响该流量计的零点及计量性能。在对该流量计拆卸并重新安装的过程中,发现了以下问题。

该发油站中,发油岛均由设备供应商事先将科里奥利质量流量计与控制阀、管道、发油鹤管等组成计量橇,再与主管道预留的接口对接,形成发油系统。主管道位于5～6 m高空中,计量橇固定于地面,在接口预留上产生了一定的公差。计量橇与预留接口对接时,为连接系统强行将预留接口处法兰与计量橇进口处法兰对齐进行安装。预留接口的管道与主管道本身的刚性强度会对计量橇产生一定的应力,此应力会通过计量橇内部的连接管道传给流量计。同时在该流量计后端连接着发油鹤管,鹤管终端的快速接头与鹤管万向头装置的重量,会通过管路形成杠杆效应,对该流量计产生一定的扭矩。随着鹤管移动的位置不同,该流量计的零点状态也会发生改变,原因是鹤管不同的位置产生不同的扭矩,扭矩通过管道传导给了该流量计,使得流量计的零点发生偏离。整个计量橇的基座与支撑件刚性强度，不足以抵消管道外部带来的应力以及外部振动对流量计产生的影响，可能导致该流量计计量性能产生偏移。

3 应力对科里奥利质量流量计的影响及其解决方案

为了验证应力对科里奥利质量流量计的影响,通过实验室对1台有数据追踪的CMF025型科里奥利质量流量计做未受应力与受应力的对比实验,从而确认应力对科里奥利质量流量计的影响,并找出解决方案。

3.1 应力对科里奥利质量流量计的影响

首先按照正常科里奥利质量流量计检定校准工作流程,将CMF025型科里奥利质量流量计安装在测试管线中，管路通水,流量计通电。该流量计正常工作 30 min 后,关断流量计前后阀门,观察该流量计的零点状况。此时该流量计的零点在0 kg/h附近波动,波动幅度约±0.07 kg/h。此零点状态为该流量计正常的零点状态,符合之前历史数据,不需要进行调零处理。

确认该流量计为正常工作状态后,开始对该流量计进行计量性能测试,得到测试数据见表2。

表2 CMF025型科里奥利质量流量计安装管线未受应力时的测试数据表

将表2数据与该流量计历史数据比对，本次测试数据与历史数据吻合。由此可知,该流量计的安装符合要求,且计量性能正常。

在现有状态不变的情况下,对该流量计的安装管线施加足够大的向上拉力,模拟在发油站校准数据不理想的F300型科里奥利质量流量计管线受应力情况。管线通水，流量计通电，该流量计正常工作30 min后，关断流量计前后阀门,观察该流量计的零点状态，此时该流量计的零点约-0.5 kg/h,波动幅度约±0.08 kg/h。在该流量计安装管线承受较大拉力的情况下,流量计零点发生了偏移。对该流量计在相同流量点(分别为流量点1 012 kg/h和流量点218 kg/h,且流量偏差不超过流量点的 ±5%)下进行计量性能测试,测试数据见表3。

表3 CMF025型科里奥利质量流量计安装管线受应力时的测试数据表

由表3可看出,科里奥利质量流量计在安装时受到应力影响,零点发生偏移,直接影响该流量计计量性能,使得该流量计无法达到应有的计量精度。

取消管道上施加的向上拉力,将流量计从管线上拆下重新安装。按照相同步骤做好前期工作，观察该流量计零点，此时该流量计的零点恢复到之前的零点,零点约0 kg/h,波动幅度约±0.05 kg/h。相同的方法对该流量计进行计量性能测试,测试数据见表4。

表4 CMF025型科里奥利质量流量计安装管线消除应力时的测试数据表

对比表2～4数据可以看出,科里奥利质量流量计在安装时若未达到无应力安装,那么安装管线所受的应力会传导到科里奥利质量流量计处,使零点发生偏移,影响其计量性能,对科里奥利质量流量计小流量时的影响程度大于对其大流量时的影响程度。这也印证了在现场检测科里奥利质量流量计时的情况。当消除了影响科里奥利质量流量计的应力后,会恢复其本身应有的计量性能。

3.2 消除应力影响的解决方案

根据实验室应力影响实验的结果,结合现场实际情况,对之前检测有问题的F300型科里奥利质量流量计做以下处理。

1)将该流量计从管线上拆下,清洗其振动管内部,防止其他杂质沉积在振动管内。

2)在输油管与计量橇的接口处增加管托,并将管托固定于地面,通过调整管托高度,使主管道连接法兰的轴心与计量橇连接法兰的轴心在同一直线上,以补偿预留接口产生的公差,消除因公差带来的应力影响。

3)在连接该流量计的两端管道处增加管托并与地面固定,增加连接两端管道的强度,以减小后端鹤管带来的扭矩对该流量计的影响。同时,通过调节所增加管托的高度,使连接该流量计两端的法兰盘轴心在同一直线上。

4)增加整个计量橇的底座强度,以抵抗外界振动对该流量计的影响。

5)在确认管道原有应力消除后,在无应力的情况下,重新安装该流量计。

安装完成后,重新对该流量计进行现场校准工作，校准数据见表5。

表5 调整安装后F300型科里奥利质量流量计校准数据表

对比表5与表1的数据可以看出,在消除了该流量计安装时所受的应力影响并增强了基座强度后,科里奥利质量流量计的计量精度得到了保证,能够更好地发挥其计量优势。

4 结论

近年来,随着重要行业对流量计量的要求越来越高,科里奥利质量流量计在各行业的使用率也越来越高。通过对日常检定校准工作中遇到的科里奥利质量流量计安装问题进行分析和探讨,找出了因不规范安装导致科里奥利质量流量计计量不准确的问题，通过消除应力、增强支撑强度等方法可以解决其问题,恢复科里奥利质量流量计的计量精度。