流量儀表應用常見失誤情況分析

流量儀表應用常見失誤情況分析

中國儀器儀表行業協會 蔡武昌

摘要：討論流量儀表在應用中常見失誤情況，包括操作不善和流動擾動及不良安裝；產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。這些失誤常導致流量儀表測量不準或失靈。
關鍵詞：流量儀表；應用技術；操作失誤

用戶常從流程系統物料平衡，與歷史測量值比較或與其他參比流量測量值比較，感覺使用中流量計測量不準確，然而卸下儀表去流量標準裝置上校驗，除少數是儀表本身失誤(如調試設定謬誤)外，證明大多數儀表是正常的。究其原因往往大部分屬儀表安裝布置不妥和管道內介質中混有異相物(如氣體中有凝結液滴，液體中混進氣泡)等造成應用方面的失誤。

1　不良安裝

1.1　第1類不良安裝

操作不善和布置不妥的不良安裝，常見的有：

1)標準孔板的銳角未裝在迎流面。
2)儀表與管道間密封襯墊內徑Dg小于管道內徑Dp和儀表內徑Dm而產生束流。Dg應略大于Dm，如Dg<DM則產生束流現象，會對節流差壓式、渦輪式、渦街式、超聲式等流量儀表帶來影響。同樣DP與DM亦不應相差過多，例如渦街式儀表就規定0 98Dm≤Dp≤1 05Dm。
3)密封墊片偏心(未對準中心)。密封襯墊安裝偏心，遮住了部分流通面積，使速度分布嚴重畸變不對稱。由于不對稱流動發生在流量傳感器進口，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、電磁式等儀表帶來測量誤差。例如DＮ50mm電磁流量計襯墊偏心10mm，測量誤差高達4%～10%。
4)流量計處于錯誤的流動方向。
5)將對于振動干擾敏感的儀表安裝在有振動的管道上。
6)缺少必要的防護性配件。

這些缺陷，是眾所周知或儀表制造廠提出應該避免的。然而因操作人員未經嚴格培訓，缺乏知識而未得到重視，這類失誤屢見不鮮。

密封墊片內徑過小或安裝偏心雖然對容積式、浮子式、科里奧利質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流動；第2類除速度分布畸變和二次流動外，還有旋渦。各類管件中遇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流動擾動的敏感程度不一，因此要提出各自的安裝要求。

圖1　根據擾動流類型分類的各種管件

在各類流量儀表中，節流差壓式儀表對節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果已經在國際標準ISO5167中作出了規定。其他各類流量儀表至今尚未達到如此成熟的程度；不管是標準規范還是制造廠使用說明書提供的數據，都不及節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構不同，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

通常那種認為流體一旦流出流量儀表后的流動狀態不會再影響儀表，只是一種錯覺。事實上，彎管、閥門等對流體流動形成的擾動會上溯傳播，可以影響到幾倍管徑長度的距離處。在大部分情況下5倍管徑的下游直管段已經足夠了；有些特例可能要稍長些，但可認為10倍管徑的下游直管段，就能可*地應付任何下游管件所產生的擾動。如直管段長度不能滿足要求而又要保證測量精度，則可采取以下兩個變通辦法之一。

1)在現場安裝條件下校準，或在相同于現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。
2)在儀表上游安裝如下節所述的流動調整器。

2　流動調整器

在國際標準化組織技術委員會草案ISO/CD5167 1《用安裝在充滿流體的圓形截面管道中差壓裝置測量流量第1部分———總則》[3]中，資料性質的“附錄C”將流動調整器分類為流動整直器(flow straightener)和真流動調整器(true flow condition er)。前者的功能僅消除或顯著減小旋渦，而并不同時調整流速分布使之接近于充分發展的流速分布；后者在消除或減小旋渦的同時調整流速分布狀況。ISO5167 1將徑向葉片(Etoile)式、柵格(AMCA)式、斯普倫克爾(ASME)式和管束式劃歸為流動整直器，而將平板交*式(贊克(ISO)式)和三菱式(多孔板式)劃歸為真流動調整器。

文獻[1]列有包括上述多種流動調整器的結構外形、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。

流動調整器(廣義)有時如安裝不慎，會產生副作用而不能使流動有所改善。裝用時應遵循以下基本準則。

1)與三菱式相似的多孔板流動調整器即使非常接近流動擾動源，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)其余各類流動調整器必須安裝在擾動源下游至少3D的距離，否則易被剛產生的擾動削弱調整作用。
3)從流動調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，至少應不低于10D。如將流動調整器和流量傳感器安裝在一起進行實流校準，則直管段長度有5D就夠了。

3　氣穴形成的失誤

在測量液體流量時，儀表流量檢測部位產生氣穴(蝕)將導致錯誤的測量。氣穴產生的原因是儀表內部壓力低于液體蒸氣壓所致。應提高工作壓力或在儀表下游裝背壓閥以提高儀表內部壓力，勿使其低于標準規范或制造廠規定的壓力值。

儀表上游管線配件產生氣穴是常被忽視的一個禍源，特別是燃料、石油加工產品或有機溶劑產生的氣穴，形成云霧狀氣泡在其下游會保持相當長的距離，極易造成儀表測量誤差。流量控制閥在接近關閉狀態流動時最易產生氣穴；某些三通閥和四通閥在改變流通方向時也容易產生強烈的氣穴。這些都是值得引起注意的。

4　液體中混有氣體(泡)

液體中混有氣體(泡)，是液體流量測量產生測量誤差和輸出不穩等故障出現頻率頗高的原因之一。除上面所述氣穴產生氣泡外，還有以下幾種途徑會導致在液體中進入空氣或產生游離氣體(氣霧或氣泡)。

1)旋渦等卷入空氣：儲存容器液位高度下降到略高于吸入管進口端，或該高度只有1～2倍進口直徑D的距離時，就會產生旋渦，極易將氣液界面的空氣卷入液體進入管道。通常要求液位要高于進口2～5D(取決于吸入流速)，才能保證不形成旋渦。在實踐中遇到這樣的失誤案例很多，也可能是管道進入空氣最普遍和進氣量最多的原因。在流程工業方面配比混合容器攪拌時混入空氣，也是在實踐中常會遇到的。

2)管道充液不全殘留空氣：檢修管道系統先要排盡液體，結束后重新充液。然而有時候要完全充滿亦相當困難，因為在管道系統高點(如倒Ｕ形管頂部)和死角，易聚存氣團，日后遇到壓力或流量突然波動，氣團破裂便會被液體帶走部分氣體。這常是管線投入運行初期流量儀表測量不準確的原因之一。因此在必要時在高點設置排氣閥，以便人工排放潴留氣體。

3)密封泄漏：氣體的粘度遠比液體小，某處液壓密封試驗時能保持管內液體不外泄，卻不一定能保證管內氣體不外泄或吸入。負壓管道連接處的密封稍有不慎，極易將空氣吸入管內；正壓管道系統泵吸入端負壓管段密封不良或泵轉軸填料老化泄漏也會吸入空氣。負壓管道系統吸入空氣尚易為人們想到，然而若管道內略高于大氣壓且出現脈動流，亦會出現瞬間壓力低于大氣壓而吸入空氣的現象，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。例如石油加工產品若溫度升高15℃，溶解空氣形成游離氣泡體積達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入氣體的方式。當充滿液體的管道系統欲停止運行時，關閉進出口截止閥后逐漸冷卻。由于液體體積的收縮比管道系統空腔的收縮大得多，至使管內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內的高點，在重新開車時便會出現測量誤差。

5　氣體中冷凝液

通常氣體中水蒸汽的凝結對測量精度影響不大，只有測量空氣或氣體流量的精確度要求較高時才予以注意，并且應盡可能避免凝結。最有把握避免凝結的方法是使氣體處于干燥狀態，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的壓力和(或)溫度，使管道系統中的水蒸汽不要處于飽和狀態。


6　磨損和沉積結垢

通常，使用者希望流量儀表安裝調試好后，一直能進行準確地測量，直到不能應用為止。這當然是一種愿望。人們對有活動測量零部件的渦輪式、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，結垢減少間隙)影響測量性能，易予以重視；對無活動零部件的儀表如節流差壓式、渦街式等儀表，受磨損與結垢沉積的影響常被忽視。

實際上這些流量儀表測量通道因磨損、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)，流量測量值就要變化±1%，對于0 5級表就不是可以忽視的小數目了。

標準孔板孔的上游銳邊緣嚴格要求邊緣半徑r≤0 0004d(d為節流孔直徑)。若銳邊緣磨鈍至r/d=0.002，流出系數變化+1 2%；r/d=0 004，流出系數變化+2 2%；r/d=0 008，流出系數則變化+4%[4]。標準孔板迎流端面沉積也要影響流出系數，例如DＮ100測量管孔板迎流端面沉積厚度2 5mm；孔板節流孔與管道直徑之比β=d/D=0 7時，流出系數變化+3%；β=0 2時，流出系數變化高達+6 2%[4]。

渦街流量計旋渦發生體迎流端面沉積也會影響流量測量值。據日本Oｖal公司工作人員著文透露模擬試驗結果，在該公司三角柱發生體端的堆積物厚度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，沉積結垢除去對流通面積產生影響外，若是絕緣性的沉積層覆蓋電極表面，則該量信號被斷路；若是導電性垢層沉積于測量管內壁，則流量信號被短路，二者都會使電磁流量計無法正常工作。

對于應用日益增多的江河原水計量，應注意儀表測量管內壁沉積層的厚度，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。因為不能停流來檢查流量傳感器測量通道的狀況，所以直到使用6年后進入流量傳感器測量管檢查，淤泥沉積厚度竟已達到10mm。這類場所要定期清除淤泥，并預設能進入管道和傳感器的入孔等。

7　正常運行的誤解

常有用戶反映儀表測量不準確或運行不正常，但現場檢查發現，故障往往實際上不是儀表本身的原因，而是由系統原因所引起的，即產生了誤解。

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，而閥的微量泄漏又不易察覺，常被誤認為測量不準確。更有甚者，在有些核算或節約有獎的介質測量場所，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：運行人員如對流量儀表產生懷疑，往往與泵銘牌上“規定性能點”的額定流量(見圖2之ｑsp)進行比較，或與泵典型揚程 流量特性曲線的流量讀數進行比較，如不一致即認為儀表不準確，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負載特性曲線(圖2之OA與OＢ)交匯點所確定的ｑA與ｑＢ，它隨著運行負載而變。而泵銘牌上的額定流量是在某一規定條件下的流量，在大部分情況下是不會一致的。此外泵的額定流量也規定允許有4%～8%的允許誤差(按泵的等級而定)，同一規格各臺泵的揚程 流量特性曲線也有差異(在圖2兩虛線范圍內)，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準確與否的依據。但日常運行時可相互參照，若兩值出現與日常運行的差值有異常變動時，應作為“故障跡象”檢查泵、儀表和管道系統。

圖2　泵特性曲線

3)液體工況變化：現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系，已給予充分注意。然而對于液體，因受日常溫度/壓力工況變化不大時對流量測量影響甚微的習慣所左右，往往忽視了工況變化較大時對流量測量值的影響。

液體是非壓縮性流體，通常液體的壓縮系數不大，靜壓不大的壓縮量可忽略不計。然而石油加工產品壓縮系數較大，在(5～20)×10-4/MPa，液化石油氣壓縮系數更大，為(44～73)×10-4/MPa，當壓力相差較大時，流量測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時體積壓縮了0 45%，如果兩端分別用容積式流量計測量，那么兩者的讀數就會有相應的差別。

石油加工產品在室溫附近升高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，為+(0 16～0 25)%/10℃)。但流程工業經常會遇到測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，則應考慮溫度對體積測量值變化的影響。

江蘇某化工廠兩臺DＮ100電磁流量計分別測量兩條管道中的兩種稀酸，匯合進入總管再由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%，認為3臺儀表均不準確。經現場了解管道壓力為0 6MPa絕對壓力，兩分管液體溫度為30℃，混合液體進入總表前經反應器熱交換，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差主要是液體溫度變化所致。此外，在0 6MPa絕對壓力下，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?？梢哉J為，這兩種因素就是總表讀數比兩個儀表流量之和多20%～30%的原因。

參考文獻：
[1]　蔡武昌，孫淮清，紀綱 流量測量方法和儀表的選用[M].北京：化學工業出版社，2001
[2]　米勒ＲＷ 流量測量工程手冊[M].孫延祚譯 北京：機械工業出版社，1990
[3]　ISO/CD5167 1，Measurement of fluidflow by means of pressure differential devices in circular cross section conduitrunning full[S].
[4]　孫淮清，王建中 流量測量節流裝置設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2000
[5]　青木功男 渦流量計と最近の動向[J].オ トメ ション，1997(8)：44-48
[6]　蔡武昌 水泵特性排量與流量儀表測量值之間出現偏差的分析[J].自動化儀表，1999(4)：7-9

這兩種因素就是總表讀數比兩個儀表流量之和多20%～30%的原因。