于瑞鋼

(中海油石化工程有限公司,山東 青島 266061)

目前在我國(guó)石油、石化企業(yè)使用的體積管大致有以下4種：國(guó)外進(jìn)口的活塞式體積管(主要是活動(dòng)式)、球式雙向體積管(分固定式和活動(dòng)式)，國(guó)內(nèi)單球無閥體積管(固定式)、雙向體積管(活動(dòng)式)。在石油貿(mào)易交接中，對(duì)外輸計(jì)量系統(tǒng)的流量計(jì)的精度要求非常嚴(yán)格，而作為保證流量計(jì)精度的體積管的精度要求更加嚴(yán)格。按照J(rèn)JG 209 -2010 《 體積管檢定規(guī)程 》[1]要求體積管的重復(fù)性應(yīng)優(yōu)于0. 02 %，對(duì)于后續(xù)檢定體積管應(yīng)進(jìn)行復(fù)現(xiàn)性檢定，復(fù)現(xiàn)性應(yīng)優(yōu)于0. 05%。所以在生產(chǎn)、制造體積管和水標(biāo)系統(tǒng)的時(shí)候，應(yīng)盡量避免造成重復(fù)性超差的各種因素；在標(biāo)定的過程中應(yīng)盡可能保持操作的重復(fù)性。

1 雙向球體積管的簡(jiǎn)要概述

雙向球體積管主要結(jié)構(gòu)包括標(biāo)準(zhǔn)段、收發(fā)球筒、四通閥和進(jìn)出口管匯。置換器在體積管內(nèi)作往返運(yùn)行，并且以置換器在標(biāo)準(zhǔn)容積段內(nèi)所置換出來的液體體積，換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，作為體積管的標(biāo)準(zhǔn)容積值。標(biāo)定體積管應(yīng)具有充足的標(biāo)準(zhǔn)容積，確保流量計(jì)檢定時(shí)體積管單項(xiàng)行程計(jì)數(shù)器至少收集到流量計(jì)產(chǎn)生的 10000 多個(gè)脈沖。 脈沖計(jì)數(shù)器的不確定度為±1 個(gè)脈沖，應(yīng)保證體積管單項(xiàng)行程計(jì)數(shù)器誤差小于 0.01%。

1.壓力檢測(cè)儀表；2.溫度檢測(cè)儀表；3.排氣閥；4.快開盲板；5.檢測(cè)開關(guān)Ⅰ；6.標(biāo)準(zhǔn)容積段；7.脈沖計(jì)數(shù)器或計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；8.檢測(cè)開關(guān)Ⅱ；9.排液閥；10.置換器；11.被檢流量計(jì)；12.四通換向閥；13.雙關(guān)斷閥；14.信號(hào)電纜

圖1 雙向型體積管

2 水標(biāo)定準(zhǔn)備及調(diào)試工作

2.1 水標(biāo)定前的準(zhǔn)備工作

(1)水標(biāo)撬、體積管撬的密封性實(shí)驗(yàn)完成。注意：水標(biāo)撬和體積管撬應(yīng)分開做實(shí)驗(yàn)。在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，如有密度計(jì)撬，應(yīng)將密度計(jì)撬泵的出入口盲死，密度計(jì)撬不參與密封實(shí)驗(yàn)。

(2)如使用標(biāo)定水池作為標(biāo)定用水的儲(chǔ)存方式，應(yīng)在標(biāo)定前徹底清理水池。

(3)保證潔凈水源的供應(yīng)，能夠隨時(shí)向標(biāo)定池中注水。另外，清洗標(biāo)定池后的臟水應(yīng)能夠馬上排出。

(4)水標(biāo)撬、體積管撬到控制室的接線已完成。

(5)現(xiàn)場(chǎng)四通閥、水標(biāo)泵的供電線已接入，可隨時(shí)供電。

(6)體積管操作平臺(tái)完成，需滿足放空閥操作和投球工作，以及儀表數(shù)據(jù)讀取的需要。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作

(1)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到控制室的線路檢查(校線)。其中涉及的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及儀表有：體積管出入口溫度和壓力變送器、四通閥、電磁閥、檢測(cè)開關(guān)、差壓開關(guān)。

(2)水標(biāo)泵、四通閥通電測(cè)試。其中包括水標(biāo)泵點(diǎn)動(dòng)測(cè)試及四通閥完整換向測(cè)試，初步確認(rèn)四通閥的限位和力矩。

(3)完成標(biāo)定系統(tǒng)上位機(jī)的安裝和接線。

(4)對(duì)控制柜上電，檢查現(xiàn)場(chǎng)儀表工作是否工作正常，并核對(duì)現(xiàn)場(chǎng)顯示與上位機(jī)顯示。對(duì)差壓開關(guān)、檢測(cè)開關(guān)、閥位反饋信號(hào)模擬和實(shí)際測(cè)試。對(duì)四通閥和電磁閥進(jìn)行測(cè)試。

(5)將體積管出入口的用盲板盲死。

(6)標(biāo)定池中注滿清水，打通水標(biāo)流程，對(duì)體積管和水標(biāo)撬進(jìn)行清洗。

(7)系統(tǒng)清洗干凈后，應(yīng)將池中的污水排出，清洗水池并重新注滿水池，要求水中不能有肉眼可見雜質(zhì)。

(8)開啟水標(biāo)泵，對(duì)標(biāo)定系統(tǒng)注水，循環(huán)。

(9)標(biāo)定球充液，并投入體積管。充球介質(zhì)一般可以使用純凈水，當(dāng)環(huán)境溫度過低時(shí)，為防止球內(nèi)介質(zhì)結(jié)冰，需使用防凍液或使用濃度為50%的乙二醇溶液作為充球介質(zhì)。

(10)水標(biāo)試標(biāo)。

3 標(biāo)定數(shù)據(jù)分析處理

3.1 體積管標(biāo)準(zhǔn)容積值及重復(fù)性的計(jì)算

( 1) 體積管標(biāo)準(zhǔn)容積值的計(jì)算，需要將測(cè)得的水的體積換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積。

容積法檢定容積的溫度、壓力換算公式的計(jì)算：

式中：Vps——體積管在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的容積值，L；

Vs——標(biāo)準(zhǔn)器指示值，L；

βp——標(biāo)準(zhǔn)量器材質(zhì)、體積管材質(zhì)的體膨脹系數(shù)，1/℃；

βw——水的膨脹系數(shù)，1/℃；

ts,tp——標(biāo)準(zhǔn)量器和體積管的壁溫(用量器內(nèi)和體積管內(nèi)測(cè)得的水溫代替)，1/℃；

Pp——體積管內(nèi)液體的表壓力，Pa；

D——體積管標(biāo)準(zhǔn)容積段的內(nèi)徑，m；

E——體積管材質(zhì)的彈性模量，Pa；

t——體積管標(biāo)準(zhǔn)容積段的壁厚，m；

Fw——水的壓縮系數(shù)，1/ Pa。

3.2 重復(fù)性計(jì)算

( 1)標(biāo)準(zhǔn)偏差:

(2)

(2)重復(fù)性:

(3)

式中：tp(ν)——t分布系數(shù)；

ν——自由度， ν=n-1。

3.3 體積管的復(fù)現(xiàn)性

體積管的復(fù)現(xiàn)性按下式計(jì)算：

(4)

式中： S——體積管的復(fù)現(xiàn)性；

V0——上一檢定周期體積管的標(biāo)準(zhǔn)容積值，該值由檢定證書中獲取。

公式(1)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)量器、體積管和水由于溫度變化而引起的體積變化都做了相應(yīng)修正，理論上可以把檢定結(jié)果修正到標(biāo)況(1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，20℃)體積，溫度變化基本不影響標(biāo)定結(jié)果，而在實(shí)際的標(biāo)定過程中完全不是這樣。主要原因是水的膨脹系數(shù)是隨溫度變化而變化的，如果在標(biāo)定過程中溫度變化較大(超過1℃)，直接導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)偏差 數(shù)值有較大的變化，以及體積管的重復(fù)性 超差(即超過 )。通過大量的實(shí)驗(yàn)和研究，經(jīng)分析得出溫度是影響體積管標(biāo)定結(jié)果主要因素之一。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1、表2、表3，計(jì)算結(jié)果見表4。

表1 雙向體積管水標(biāo)定數(shù)據(jù)第一組

表2 雙向體積管水標(biāo)定數(shù)據(jù)第二組

表3 雙向體積管水標(biāo)定數(shù)據(jù)第三組

表4 重復(fù)性計(jì)算

在實(shí)際操作的過程中，除了溫度之外，影響標(biāo)定結(jié)果的因素還有操作的重復(fù)性、系統(tǒng)存氣等。

4 問題的解決辦法

4.1 降低溫度的影響

如果無法通過計(jì)算完全修正消除溫度變化對(duì)體積管檢定結(jié)果的影響，就應(yīng)該在實(shí)際的工作中采取相應(yīng)的措施，保證檢定時(shí)系統(tǒng)溫度相對(duì)穩(wěn)定，減小因溫度變化而帶來的影響。我們?cè)趯?shí)際工作中總結(jié)出，在體積管的檢定過程中可以通過下列方法，使溫度對(duì)其檢定結(jié)果的影響降到最小程度。

(1)在正式進(jìn)行水標(biāo)定之前，需對(duì)整個(gè)系統(tǒng)(包括體積管和水標(biāo)系統(tǒng))進(jìn)行一段時(shí)間的水循環(huán)，以確保整個(gè)系統(tǒng)水溫達(dá)到穩(wěn)定。特別指出的是，循環(huán)的過程中標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)也應(yīng)存水，目的是盡可能降低外界環(huán)境對(duì)標(biāo)準(zhǔn)容器壁溫的影響，并可達(dá)到提前潤(rùn)罐的作用。在此過程中記錄下各個(gè)動(dòng)作的所需時(shí)間，以確保在正式標(biāo)定時(shí)每個(gè)動(dòng)作的無縫銜接并保證每項(xiàng)操作的高重復(fù)性。

(2)因?yàn)轶w積管的檢定最終結(jié)果是在標(biāo)況下的體積值，所以一般應(yīng)選擇氣溫與20℃比較接近、且外界氣溫變化小的春秋季節(jié)檢定體積管為最好。JJG 209 -2010 《 體積管檢定規(guī)程 》中規(guī)定的標(biāo)定環(huán)境溫度為(5～35)℃，超出這個(gè)溫度范圍直接放棄標(biāo)定。

(3)如果系統(tǒng)的一部分在室外，需搭建起臨時(shí)工棚，以防止太陽(yáng)直射帶來的溫度變化過快的影響，并能起到防風(fēng)防塵的作用。或者盡可能地選擇在陰天或晚上進(jìn)行標(biāo)定。

4.2 降低其他因素的影響

在實(shí)際操作的過程中，除了溫度之外，影響標(biāo)定結(jié)果的因素還有操作的重復(fù)性、水中的雜質(zhì)、氣泡，各個(gè)閥門的密封性能等。

(1)水標(biāo)定過程一般需要3～4人，要做好嚴(yán)格的分工，每個(gè)人都要清楚自己的職責(zé)，并對(duì)每項(xiàng)操作都必須熟練，以保證操作的重復(fù)性。

(2)清理水池內(nèi)雜物、塵土后再放水，確保水池灌水后池內(nèi)水質(zhì)澄清，不能有肉眼可見的雜質(zhì)，否則可能出現(xiàn)在標(biāo)定過程中閥門密封性不嚴(yán)而造成的標(biāo)定失敗，特別是電磁閥由于口徑小，很容易因?yàn)殡s質(zhì)而卡住。

(3)體積管的收發(fā)球筒，體積管管匯上的溫度、壓力儀表的管嘴處都是氣泡容易聚集的地方。體積管收發(fā)球筒處一般都有排氣裝置，標(biāo)定時(shí)應(yīng)每個(gè)循環(huán)結(jié)束后都需要打開排氣閥排氣。關(guān)鍵要看管匯上的壓力、溫度儀表的管嘴，管嘴的內(nèi)徑不能太大，太大的話很容易聚集氣泡，并且水的流動(dòng)不能將這些氣泡帶走。所以要盡可能減小這些管嘴的內(nèi)徑，實(shí)在沒辦法減小的話需增加排氣裝置，定期進(jìn)行排氣。

(4)充球時(shí)，標(biāo)定球外徑應(yīng)保證相對(duì)于體積管內(nèi)徑2%～4%的過盈量。過盈量太小無法在球與管壁之間形成有效的密封帶；而過盈量過大則容易造成球的過度磨損，而且管線壓降也會(huì)因此變大而不利于密封。

(5)為確保標(biāo)定球在體積管內(nèi)運(yùn)行順暢，可在投入標(biāo)定球之前，在標(biāo)定球上抹上少量黃油。同理，檢測(cè)開關(guān)的觸發(fā)探頭也可以做同樣的處理。

(6)注意標(biāo)定次數(shù)過多后對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的影響。其中，必須保證手動(dòng)閥門質(zhì)量，以確保多次開關(guān)后，不會(huì)存在泄露情況。

(7)當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)有使用軟質(zhì)管線時(shí)，應(yīng)確保在整個(gè)標(biāo)定過程中，管線狀態(tài)不變。

5 結(jié)論

綜上所述，體積管在設(shè)計(jì)、制造和標(biāo)定的過程中都應(yīng)該？。設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)時(shí)要考慮這個(gè)系統(tǒng)的合理布局，尤其針對(duì)受環(huán)境影響較大的水標(biāo)定系統(tǒng)，盡可能布置在室內(nèi)。如果室內(nèi)不具備布置的條件也可以布置在室外，但需要增加臨時(shí)的防護(hù)設(shè)施，例如臨時(shí)板房或帳篷。體積管在設(shè)計(jì)制造的過程中不僅需要考慮內(nèi)壁的防腐等這樣的關(guān)鍵性問題，排氣的問題也是必須考慮的。制造過程中必須做到每道焊口都要嚴(yán)格檢查，管道組裝前要進(jìn)行焊口探傷試驗(yàn)，組裝后要進(jìn)行耐壓試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)。設(shè)備上的每一個(gè)閥門必須做耐壓試驗(yàn)。

[1] 全國(guó)流量容量計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJG 209 -2010 體積管檢定規(guī)程[S] .北京： 中國(guó)計(jì)量出版社，2010.