便攜式超聲波流量計在油田的應用分析

方詠梅王華杰

吐哈油田 技術監測中心 （新疆 鄯善 838202）

便攜式超聲波流量計在油田的應用分析

方詠梅1王華杰2

吐哈油田 技術監測中心 （新疆 鄯善 838202）

便攜式超聲波流量計具有安裝快捷、使用靈活的特點，但在使用時必須掌握準確方法。通過多年對現場操作經驗的總結，發現使用便攜式超聲波流量計易忽視的問題，分析產生該問題的原因并提出了解決問題的辦法。

便攜式超聲波流量計 測量誤差 換能器

由于超聲波流量計的流量測量準確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、粘度、密度等參數的影響，又可制成非接觸及便攜式測量儀表，故可解決其它類型儀表所難以測量的強腐蝕性、非導電性、放射性及易燃易爆介質的流量測量問題。另外，鑒于非接觸測量特點，再配以合理的電子線路，一臺超聲波流量計可適應多種管徑測量和多種流量范圍測量，因此，其適應能力是其它儀表不可比擬的[1]。

使用便攜式超聲波流量計時容易忽視的問題

目前在油田的許多單位都使用便攜式超聲波流量計，其用途就是作為“標準表”進行核查使用，即用來比對和測試在線流量計的準確性，或單井配量注水時使用。但在實際使用中，不少用戶由于對便攜式超聲波流量計的使用要點掌握不好，測量效果不夠理想，因而對便攜式超聲波流量計產生質疑。怎樣才能準確使用便攜式超聲波流量計，使之能更好的服務于油田計量是計量工作人員需研究探討的課題。通過多年對便攜式超聲波流量計檢定結論進行統計發現：便攜式超聲波流量計的技術指標與其它速度式流量計基本相同，而且當流速足夠大時其線性還優于其它流量計。那么為什么在實際使用時會出現便攜式超聲波流量計測量不準的問題呢？通過對FLD120系列便攜式超聲波流量計在探頭安裝、誤差及管道材質等方面進行分析總結，發現用戶在使用便攜式超聲波流量計時容易忽視以下幾個重要問題。

1 輸入管道參數不準確造成的誤差

便攜式超聲波流量計探頭在管道外部安裝，它直接測量的是管道內流體的流速，流量是流速與管道流通面積的乘積，而其管道面積和換能器安裝的距離都是使用者根據不同測量點的參數人工輸入流量計后計算出來的，這些參數的準確與否直接影響到測量結果。也就是說：如果輸入了一組不準確的管道參數，會直接造成測量結果的不準確，實驗如下。

（1）輸入管徑誤差與測量結果的關系

實驗時用一臺型號為FLD120 Y1-A的便攜式超聲波流量計，先安裝在管道的標準位置通過檢定合格后，在管道固定不變的情況下依次輸入不同誤差的管徑再與標準表相比較。依照上述操作依次安裝在四種不同的管徑后其結果與標準表相比較，實驗結果見表1。

從實驗中可以得出：測量結果誤差大約是輸入的管徑設置誤差的2倍，這與誤差傳遞理論一致：

以上：Q為流體流量，

D為管徑，

σQ為流量誤差，

σD為管徑誤差。

管道內徑輸入不準確所引起的誤差對在小管徑上使用便攜式超聲波流量計進行流量測量時更是不容忽視。例如：內徑測量的絕對誤差同樣是1mm，對DN1000管線來說其內徑相對誤差為0.1%，而對DN100管線來說其內徑相對誤差為1.0%。而流量是與內徑的平方成正比的，同樣是1mm的內徑測量誤差對 DN1000管線所帶來的流量測量誤差僅有0.3%左右，而對于DN100管線所帶來的流量測量誤差卻有3%左右，可見便攜式超聲波流量計使用管線口徑越大測量越準確，管線口徑越小，測量越難把握。所以便攜式超聲波流量計適用于大口徑管線上的測量。

表1 輸入口徑誤差引入的測量誤差（%）

（2）管壁厚度誤差與測量誤差的關系

實驗時用一臺型號為FLD120Y1-A的便攜式超聲波流量計，先安裝在管道的標準位置通過檢定合格后，首先在安裝位置固定不變的情況下改變輸入壁厚參數得出結果與標準表相比較。然后按照上述操作依次在四種不同口徑的管線上測得結果與標準表相比較，實驗結果見表2。

從實驗數據可以看出，管壁厚度輸入越大其測得誤差越大。所以，管壁參數輸入對測量結果有直接影響。

因此，管道參數的獲取最好是用實際測量的方法，一般用厚度測量儀進行確認。因為實際的施工情況往往和設計的參數有出入，使用一段時間的管壁厚度也會由于腐蝕等原因發生變化。

（3）管道材質及內襯對測量的影響

被測管道材質及內襯輸入有誤時，也會造成換能器安裝距離的計算錯誤，使超聲波的入射角產生誤差，測量精度降低嚴重時將不能測量。實驗證明，管道內襯對測量的影響主要是它造成了實際管徑的變化。安裝了內襯的管道使過水截面積減少，通過流速換算的流量相應偏小，測量誤差與管道截面積變化成正比。如內襯過厚而設置時被忽略或與管壁有間隙時則一般發生探測或信號錯誤，因此測量時應根據實際準確輸入內襯材質及厚度。實際應用中，遇到管內壁結垢相對均勻、信號基本正常時，可對內襯做一定補償，以減少測量誤差。管道材質及內襯對測量的影響反映在聲波在各種介質中傳播速度的差異上，若材質的設置聲速大于實際的聲速，則測量結果偏大，反之則偏小。

2 流量計安裝及使用條件的要求

表2 輸入壁厚誤差引入的測量誤差 單位（mm）

（1）安裝在直管段不同位置與標準表比較的相對誤差

便攜式超聲波流量計換能器安裝一般要求流量計上、下游分別有10倍和5倍以上管徑的直管段，以確保被測介質的流態滿足儀表精度要求。實際使用時經常不能找到滿足要求的安裝位置，使得流場不穩定。

實驗時用兩臺型號為FLD120Y1-A的便攜式超聲波流量計，先后安裝在標準位置檢定合格后，再把兩臺流量計先后安裝在非標準位置，其測得數據與標準表作比對，其實驗結果見表3、表4。

結果表明：下游直管段安裝距離比上游直管段影響小，上游有3倍以上管徑的直管段時可基本滿足要求。當上游直管段不夠（紊流嚴重），如在彎頭、閥門、泵、閥之后裝表時，一般表現為正誤差。不少用戶受儀表測量空間的限制，在不能滿足安裝要求的位置測量，由此造成了測量誤差的加大，因此在安裝距離較小的地方應首先確保上游的安裝距離。

表3 安裝位置不同引入的測量誤差（%）(編號:Q6L5168T)

表4 安裝位置不同引入的測量誤差（%）（編號:Q3A2254T）

（2）鋼管V法安裝換能器間距偏差與測量誤差的關系

實驗時用一臺型號為 FLD120Y1-A編號為Q3A2254T的便攜式超聲波流量計，安裝在管道的標準位置通過檢定合格后，移動換能器間距與標準表作比對。按照上述操作依次安裝在不同口徑管道的位置上進行實驗，結果見表5。

實驗表明：換能器間距的定位錯誤造成的誤差，直接影響測量結果，嚴重時信號太弱或找不到信號。換能器徑向錯位一般對測量結果影響甚微，但會關系信號強弱。安裝時要求聲束穿過管道中心，否則會由于聲波發射與接收角度不符使信號嚴重衰減，直至不能測量。

便攜式超聲波流量計的影響及檢定

1 安裝環境、耦合劑、信號電纜對測量的影響

便攜式超聲波流量計大都采用多脈沖、寬頻帶信號，具有一定抗電磁干擾能力，但在安裝現場存在高頻，特別是變頻干擾源時不能完全正常工作。換能器信號電纜不易過長，且應使用特定阻抗的同軸電纜，專用端頭，中間不能有接頭。超聲耦合劑盡量使用導聲性能好、不易混入氣體的粘性物質，如水玻璃、凡士林等。

2 沒有正確對超聲波流量計進行檢定

表5 換能器間距偏差引入的測量誤差（%）

任何流量計使用前都需要進行檢定或校準，便攜式超聲波流量計在這一點尤為重要。因為便攜式超聲波流量計一般配置多組換能器，分別適用于不同的管徑范圍，每組換能器與主機的搭配按理論都是一套獨立的流量計。因此，如果只在小管徑的流量標準裝置上用小換能器對便攜式超聲波流量計進行檢定或校準，那么在使用時如果用大換能器測量流量，就等于是使用未經檢定或校準的流量計，其計量準確性是無法保證的。正確的方法是以用戶自己的使用情況為參考依據，盡可能在與使用管道口徑相同或接近的流量標準裝置上對便攜式超聲波流量計進行多條管道的檢定或校準。至少要保證流量計配置的每組換能器都要進行檢定。流量計檢定或校準證書上都會給出幾組換能器的儀表修正系數。在使用流量計時，要保證正確輸入對應換能器的儀表修正系數。

便攜式超聲波流量計的缺點和局限性

（1）傳播時間法的便攜式超聲波流量計只能用于清潔液體和氣體。

（2）外夾裝換能器的超聲波流量計不能用于襯里或結垢太厚的管道，不能用于局部有凹陷或凸出物的管道，以及不能用于管壁銹蝕嚴重的管道。

（3）目前國內生產現有超聲波流量計不能用于管徑小于DN25mm的管道。

（4）國內對超聲波流量計的研究制造還在初級階段，其價格也相對較高。

流量計量是企業生產過程中重要的參數，特別是在油田節能節水等環保方面得到了越來越多的應用。便攜式超聲波流量計是一種新型的流量儀表，它的方便性和經濟性是其它流量計無法比擬的。但該類儀表所產生的很多隨機誤差還要繼續研究與探討。如現場環境、電源頻率的變化、管內壁結垢、管內夾帶氣泡等都會使測量誤差值發生一定的變化。所以繼續從實踐中總結準確的測量方法是用好便攜式超聲波流量計發揮其有效作用的長期性任務。

[1]蘇彥勛主編.流量計量[M].北京：中國計量出版社.1991.

The portable ultrasonic flow meter is installed rapidly,can be used flexibly.But it is necessary to master the accurate method in use.Based on the summary of field operation experiences in many years,some problems easy to be neglected in the use of meters have been found out.Then the causes of these problems have been analyzed,followed by the proposal of concrete solutions to these problems.

portable ultrasonic flow meter;measuring error;energy converter

方詠梅(1972-),女，助理工程師，主要從事流量儀表檢定工作。

2009-12-07