孔清 鄭德康 李超 盧曉偉

摘? ? 要：電磁流量計在船舶壓載水處理系統(tǒng)應(yīng)用廣泛。本文介紹其工作原理以及在壓載水處理系統(tǒng)上的應(yīng)用和選型。同時詳細(xì)介紹了電磁流量計在現(xiàn)場實(shí)際安裝的注意事項(xiàng)。最后結(jié)合實(shí)際案例，分析電磁流量計在壓載水處理系統(tǒng)中的常見故障及解決方案。

關(guān)鍵詞：電磁流量計；壓載水；安裝；故障分析

中圖分類號：U662.3? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Application of Electromagnetic Flowmeter in Ballast

Water Treatment System

KONG Qing， ZHENG Dekang， LI Chao， LU Xiaowei

（ Sunrui Maritime Environment Engineering Co.， Ltd.， Qingdao 266101 ）

Abstract： Electromagnetic flowmeter is widely used in the field of ship ballast water treatment system. This paper introduces its working principle， the application and selection in ballast water treatment system. In addition， the precautions for the on-site actual installation of electromagnetic flowmeter are introduced in detail. Finally， the common faults of electromagnetic flowmeter in ballast water treatment system are analyzed in combination with the on-site actual cases and the corresponding solutions are proposed.

Key words： Electromagnetic Flowmeter; Ballast Water; Installation; Fault Analysis

1? ? ?前言

在工業(yè)生產(chǎn)中，常采用流量計作為液體流量測量的儀表，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的精準(zhǔn)控制以及整個系統(tǒng)的正常自動運(yùn)行。流量計的種類較多，根據(jù)測量原理及測量方式不同，可分為：電磁流量計、轉(zhuǎn)子流量計、差壓流量計、渦街流量計等。在壓載水處理系統(tǒng)領(lǐng)域，對流量計的測量精度要求不是特別高，而對運(yùn)行穩(wěn)定性、安裝維護(hù)方便等要求較高，電磁流量計以其運(yùn)行穩(wěn)定性較好、安裝簡便、后期維護(hù)便利等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。

2? ? 電磁流量計測量原理

電磁流量計可以用于測量密閉管道中導(dǎo)電性液體的體積流量，其測量原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律[1]，即導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動時會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。

電磁流量計由傳感器和變送器兩部分組成。其中，傳感器安裝在被測量流體管道上，用于測量感應(yīng)電壓。測量原理如下：在傳感器內(nèi)裝有勵磁線圈，通電后能在傳感器測量管上下兩端產(chǎn)生磁感線，當(dāng)被測流體以一定速度流經(jīng)測量管時，相當(dāng)于運(yùn)動的導(dǎo)體切割磁感線，從而在流體內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。在傳感器內(nèi)壁安裝有一對測量電極，該測量電極與被測流體接觸，可將感應(yīng)電動勢引出至變送器內(nèi)并將其數(shù)值放大，最終轉(zhuǎn)換成其它信號進(jìn)行記錄和輸出。

感應(yīng)電壓Ue的大小與流體的流速成正比，因此通過獲取感應(yīng)電壓并基于管道橫截面積等參數(shù)進(jìn)行換算，即可得出被測流體的體積流量，計算公式如下[2]：

Ue=B×L×v? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

Q=A×v? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中： Ue—感應(yīng)電動勢；

B—磁場強(qiáng)度；

L—電極間距；

v—流速；

Q—體積流量；

I—電流強(qiáng)度；

A—管道橫截面積；

電磁流量計測量原理圖，如圖1所示。

3? ? 電磁流量計安裝位置及選型

針對BalClor?支路電解法壓載水處理系統(tǒng)，有三處管路需要設(shè)置電磁流量計：一是壓載主管路上，用于監(jiān)測主管路中海水的流量，可反饋給整流器進(jìn)行電解電流和電壓的調(diào)節(jié)；二是電解單元模塊入口，用于監(jiān)測電解單元入口流量，確保進(jìn)入電解單元的海水流量處于額定范圍內(nèi)；三是加藥單元出口，針對一套加藥單元用于兩支路加藥的處理方式，為控制和調(diào)節(jié)兩支路的加藥量，需要在兩支路上分別設(shè)置流量計。

電磁流量計在壓載水系統(tǒng)的安裝位置，如圖2所示。

電磁流量計根據(jù)安裝方式不同，可分為一體式和分體式兩種。其中：變送器直接安裝在傳感器本體上的為一體式，它適用于安裝在空間較大或人員操作方便的處所；變送器和傳感器分離安裝的為分體式，兩者之間通過外部信號電纜連接，適用于安裝空間小或人員操作不方便的處所。通常，電解單元和加藥單元要求操作空間較大，因此該兩處使用的電磁流量計可選用一體式；主管路流量計安裝在壓載水主管路上，因壓載主管一般布置在機(jī)艙底層，其空間狹小、操作不便，此處電磁流量計可選用分體式。

另外，根據(jù)被測量流體屬性選擇合適的傳感器襯里材質(zhì)。針對支路電解法壓載水處理系統(tǒng)被測量流體為海水或次氯酸鈉溶液，其中海水介質(zhì)可選用硬橡膠、氯丁橡膠、PU聚氨酯等襯里材質(zhì)；對于次氯酸鈉溶液，可選用聚四氟乙烯（PTFE）、少量全氟丙基全氟乙烯基醚與聚四氟乙烯的共聚物（PFA）、陶瓷等耐腐蝕性強(qiáng)的襯里材質(zhì)。綜合考慮性價比，通常海水介質(zhì)選用硬橡膠，次氯酸鈉介質(zhì)選用PTFE或PFA。

4? ? 安裝注意事項(xiàng)

電磁流量計的功能是測量管道內(nèi)流體的體積流量，其安裝位置直接影響著測量精度和穩(wěn)定性，其使用壽命也與安裝位置有較大關(guān)系，因此在設(shè)計和現(xiàn)場安裝時必須滿足安裝要求。

4.1? ?保證滿管測量狀態(tài)

當(dāng)被測流體中出現(xiàn)氣、水混合或管路中出現(xiàn)氣體聚集時，會增大測量誤差，因此嚴(yán)禁在管道的最高點(diǎn)或在向下排空管道的上方安裝電磁流量計，存在容易發(fā)生氣體積聚或形成氣泡的風(fēng)險。通常，最佳安裝位置是管道低點(diǎn)（如可能出現(xiàn)沉積物聚集，需要設(shè)置泄放口）以及水流向上的豎直管道上，如圖3所示。

4.2? ?保持前后直管段距離

為提高測量精度，需要保證傳感器進(jìn)出口流體流態(tài)的穩(wěn)定性，因此傳感器安裝位置應(yīng)遠(yuǎn)離管件，保證前后直管段的距離分別為5D和2D（D為傳感器的公稱直徑）；前后直管段距離是從測量電極處算起，如安裝現(xiàn)場空間受限，則可適當(dāng)降低前后直管段的距離，根據(jù)測量精度要求確定。

4.3? ?保證測量電極軸線處于水平位置

傳感器安裝在水平管道上時，要注意保持測量電極軸處于水平位置，以防止測量電極間出現(xiàn)短暫絕緣，因?yàn)榱黧w中若含有氣泡則會處于水平管道的頂部，如測量電極軸與管道流向垂直，則上部測量電極可能不接觸液體，導(dǎo)致兩個電極間出現(xiàn)短時間絕緣。

4.4? ?保證電勢平衡

電磁流量計準(zhǔn)確測量的前提是要保證被測流體介質(zhì)和傳感器之間等電勢。傳感器通常都自帶標(biāo)準(zhǔn)參考電極，確保所需電勢平衡，一般無需采取其他措施或使用接地環(huán)來確保電勢平衡。

不同管道條件的電勢平衡圖，如圖4所示。

4.5? ?避免傳感器內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓

傳感器前后管道出現(xiàn)負(fù)壓時會導(dǎo)致測量管內(nèi)襯移位，造成傳感器損壞，因此要避免安裝在如下位置：

（1）傳感器嚴(yán)禁安裝在水泵入口處。水泵工作時入口處的負(fù)壓較大，很可能導(dǎo)致測量管內(nèi)襯移位、變形或損壞。當(dāng)使用隔膜泵或蠕動泵時，建議在泵出口安裝脈動緩沖器，以減少泵入口抽吸時的負(fù)壓；

（2）在長度大于5 m的豎直向下管道中安裝時，需要在傳感器下游管道中安裝排氣閥，避免由于虹吸作用抽壓時損壞測量管內(nèi)襯。

4.6? ?避免外界磁場干擾

電磁流量計在安裝時要盡量避免外界磁場干擾和劇烈震動，如電磁流量計安裝在船舶機(jī)艙，因機(jī)艙震動劇烈對流量計的使用不利。因此，當(dāng)在劇烈震動的環(huán)境中使用時，盡量將傳感器和變送器分開安裝，并對現(xiàn)場管路系統(tǒng)和傳感器采取加固或減震等措施。

5? ? 常見故障分析

5.1? ?讀數(shù)波動

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試人員反饋，主管路電磁流量計容易出現(xiàn)讀數(shù)波動的問題，而安裝在電解單元模塊進(jìn)口的電磁流量計則沒有出現(xiàn)此類問題。

經(jīng)分析，產(chǎn)生波動的原因如下：一是流量計在現(xiàn)場安裝時沒有滿足要求，將流量計布置在管道高點(diǎn)或者水流豎直向下的管道上；二是流量計安裝在電解加藥點(diǎn)的后端且距離加藥點(diǎn)位置較近。加藥點(diǎn)加注的是電解海水的產(chǎn)物，包括次氯酸鈉溶液、氫氣、氯氣、氧氣等氣水混合物，其中大部分氣體通過旋風(fēng)分離從溶液中脫離，但仍有少量氣體溶解在次氯酸鈉溶液中并隨之進(jìn)入主管路，當(dāng)流量計恰好布置在加藥點(diǎn)之后時，管道中的氣水混合溶液則會導(dǎo)致流量計的讀數(shù)波動。

針對上述問題，對應(yīng)解決方案為：一是確保流量計在現(xiàn)場安裝時符合安裝要求；二是將流量計安裝在加藥點(diǎn)的前端管道上。

5.2? ?接地電極腐蝕

部分老項(xiàng)目在交船幾年后頻頻出現(xiàn)電解單元內(nèi)部流量計傳感器發(fā)漏水問題，經(jīng)拆解傳感器發(fā)現(xiàn)其接地電極被腐蝕，而測量電極則沒有被腐蝕。

傳感器內(nèi)部設(shè)有1個接地電極（也叫參考電極）和2個測量電極，這兩種電極的材質(zhì)均為Alloy C-22，它是耐海水腐蝕的，滿足現(xiàn)場使用工況?，F(xiàn)場使用萬用表測量發(fā)現(xiàn)，測量介質(zhì)帶電（電解海水工藝使管路中海水帶電），其對地存在電勢差約1.0 V，且現(xiàn)場儀表本體通過金屬支撐接地，在電勢差作用下接地電極就會慢慢被腐蝕掉，從而儀表腔室會進(jìn)入海水。

當(dāng)傳感器外殼接地或者變送器接地端子接地時，介質(zhì)通過接地電極與大地之間會形成電流回路，造成電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致傳感器的接地電極被腐蝕，傳感器漏水。電化學(xué)腐蝕是一個緩慢的腐蝕過程，腐蝕速度取決于現(xiàn)場測量介質(zhì)對地電勢大小，因此老項(xiàng)目在使用幾年后才出現(xiàn)相關(guān)問題。針對上述問題，解決方案是將電磁流量計完全浮空：

（1）儀表電源的地線以及信號線的屏蔽線，要在儀表處懸空不接；

（2）對墊片和螺栓進(jìn)行絕緣處理（例如使用塑料螺栓）；

（3）避免金屬物接觸儀表外殼和法蘭安裝螺栓，傳感器的支撐可采用塑料材質(zhì)或者不加，確保儀表外殼不接地。

6? ? 小結(jié)

在支路電解法壓載水處理系統(tǒng)，電磁流量計的選型（包括口徑、襯里和電極材質(zhì)的選擇）要滿足流體介質(zhì)及現(xiàn)場工況。另外，電磁流量計在滿足其安裝要求的情況下，還要考慮壓載水處理系統(tǒng)特有的工況條件，進(jìn)行正確的設(shè)計、安裝以及接線。

電磁流量計的傳感器需要安裝在電解液注入點(diǎn)之前，防止電解液中的雜散電流或氣泡造成流量計讀數(shù)波動；安裝在電解單元進(jìn)口UPVC管道上的電磁流量計，需要在傳感器兩端面正確安裝接地環(huán)或帶有接地電極，使管道內(nèi)被測導(dǎo)電流體與傳感器外殼之間有充分的電接觸，保證等電勢；另外，該處的電磁流量計還要完全浮空，電源線和儀表外殼都不能接地，否則會通過電化學(xué)反應(yīng)腐蝕接地電極造成儀表損壞。

參考文獻(xiàn)

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[2]高玉進(jìn)，宋狄.電磁流量計流量累計誤差分析[J].]工業(yè)計量， 2011（S2）.

[3]張皓，楊金城.電磁流量計的測量原理及其在工程設(shè)計中的應(yīng)用[J].石油化工自動化，2014（6）.

作者簡介：孔? 清（1990 -），男，工程師。主要從事船舶壓載水處理系統(tǒng)設(shè)計工作。

鄭德康（1991-），男，工程師。主要從事船舶壓載水處理系統(tǒng)設(shè)計工作。

收稿日期：2022-06-22