淺談影響雙向球體積管水標定結果的因素

于瑞鋼

(中海油石化工程有限公司,山東 青島 266061)

目前在我國石油、石化企業使用的體積管大致有以下4種：國外進口的活塞式體積管(主要是活動式)、球式雙向體積管(分固定式和活動式)，國內單球無閥體積管(固定式)、雙向體積管(活動式)。在石油貿易交接中，對外輸計量系統的流量計的精度要求非常嚴格，而作為保證流量計精度的體積管的精度要求更加嚴格。按照JJG 209 -2010 《 體積管檢定規程 》[1]要求體積管的重復性應優于0. 02 %，對于后續檢定體積管應進行復現性檢定，復現性應優于0. 05%。所以在生產、制造體積管和水標系統的時候，應盡量避免造成重復性超差的各種因素；在標定的過程中應盡可能保持操作的重復性。

1 雙向球體積管的簡要概述

雙向球體積管主要結構包括標準段、收發球筒、四通閥和進出口管匯。置換器在體積管內作往返運行，并且以置換器在標準容積段內所置換出來的液體體積，換算到標準狀態下，作為體積管的標準容積值。標定體積管應具有充足的標準容積，確保流量計檢定時體積管單項行程計數器至少收集到流量計產生的 10000 多個脈沖。 脈沖計數器的不確定度為±1 個脈沖，應保證體積管單項行程計數器誤差小于 0.01%。

1.壓力檢測儀表；2.溫度檢測儀表；3.排氣閥；4.快開盲板；5.檢測開關Ⅰ；6.標準容積段；7.脈沖計數器或計算機控制系統；8.檢測開關Ⅱ；9.排液閥；10.置換器；11.被檢流量計；12.四通換向閥；13.雙關斷閥；14.信號電纜

圖1 雙向型體積管

2 水標定準備及調試工作

2.1 水標定前的準備工作

(1)水標撬、體積管撬的密封性實驗完成。注意：水標撬和體積管撬應分開做實驗。在做實驗時，如有密度計撬，應將密度計撬泵的出入口盲死，密度計撬不參與密封實驗。

(2)如使用標定水池作為標定用水的儲存方式，應在標定前徹底清理水池。

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

(4)水標撬、體積管撬到控制室的接線已完成。

(5)現場四通閥、水標泵的供電線已接入，可隨時供電。

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

2.2 現場調試工作

(1)現場設備到控制室的線路檢查(校線)。其中涉及的現場設備及儀表有：體積管出入口溫度和壓力變送器、四通閥、電磁閥、檢測開關、差壓開關。

(2)水標泵、四通閥通電測試。其中包括水標泵點動測試及四通閥完整換向測試，初步確認四通閥的限位和力矩。

(3)完成標定系統上位機的安裝和接線。

(4)對控制柜上電，檢查現場儀表工作是否工作正常，并核對現場顯示與上位機顯示。對差壓開關、檢測開關、閥位反饋信號模擬和實際測試。對四通閥和電磁閥進行測試。

(5)將體積管出入口的用盲板盲死。

(6)標定池中注滿清水，打通水標流程，對體積管和水標撬進行清洗。

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

(8)開啟水標泵，對標定系統注水，循環。

(9)標定球充液，并投入體積管。充球介質一般可以使用純凈水，當環境溫度過低時，為防止球內介質結冰，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。

(10)水標試標。

3 標定數據分析處理

3.1 體積管標準容積值及重復性的計算

( 1) 體積管標準容積值的計算，需要將測得的水的體積換算到標準狀態下的體積。

容積法檢定容積的溫度、壓力換算公式的計算：

式中：Vps——體積管在標準狀態下的容積值，L；

Vs——標準器指示值，L；

βp——標準量器材質、體積管材質的體膨脹系數，1/℃；

βw——水的膨脹系數，1/℃；

ts,tp——標準量器和體積管的壁溫(用量器內和體積管內測得的水溫代替)，1/℃；

Pp——體積管內液體的表壓力，Pa；

D——體積管標準容積段的內徑，m；

E——體積管材質的彈性模量，Pa；

t——體積管標準容積段的壁厚，m；

Fw——水的壓縮系數，1/ Pa。

3.2 重復性計算

( 1)標準偏差:

(2)

(2)重復性:

(3)

式中：tp(ν)——t分布系數；

ν——自由度， ν=n-1。

3.3 體積管的復現性

體積管的復現性按下式計算：

(4)

式中： S——體積管的復現性；

V0——上一檢定周期體積管的標準容積值，該值由檢定證書中獲取。

公式(1)對標準量器、體積管和水由于溫度變化而引起的體積變化都做了相應修正，理論上可以把檢定結果修正到標況(1個標準大氣壓下，20℃)體積，溫度變化基本不影響標定結果，而在實際的標定過程中完全不是這樣。主要原因是水的膨脹系數是隨溫度變化而變化的，如果在標定過程中溫度變化較大(超過1℃)，直接導致標準偏差 數值有較大的變化，以及體積管的重復性 超差(即超過 )。通過大量的實驗和研究，經分析得出溫度是影響體積管標定結果主要因素之一。具體實驗數據見表1、表2、表3，計算結果見表4。

表1 雙向體積管水標定數據第一組

表2 雙向體積管水標定數據第二組

表3 雙向體積管水標定數據第三組

表4 重復性計算

在實際操作的過程中，除了溫度之外，影響標定結果的因素還有操作的重復性、系統存氣等。

4 問題的解決辦法

4.1 降低溫度的影響

如果無法通過計算完全修正消除溫度變化對體積管檢定結果的影響，就應該在實際的工作中采取相應的措施，保證檢定時系統溫度相對穩定，減小因溫度變化而帶來的影響。我們在實際工作中總結出，在體積管的檢定過程中可以通過下列方法，使溫度對其檢定結果的影響降到最小程度。

(1)在正式進行水標定之前，需對整個系統(包括體積管和水標系統)進行一段時間的水循環，以確保整個系統水溫達到穩定。特別指出的是，循環的過程中標準容器內也應存水，目的是盡可能降低外界環境對標準容器壁溫的影響，并可達到提前潤罐的作用。在此過程中記錄下各個動作的所需時間，以確保在正式標定時每個動作的無縫銜接并保證每項操作的高重復性。

(2)因為體積管的檢定最終結果是在標況下的體積值，所以一般應選擇氣溫與20℃比較接近、且外界氣溫變化小的春秋季節檢定體積管為最好。JJG 209 -2010 《 體積管檢定規程 》中規定的標定環境溫度為(5～35)℃，超出這個溫度范圍直接放棄標定。

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

4.2 降低其他因素的影響

在實際操作的過程中，除了溫度之外，影響標定結果的因素還有操作的重復性、水中的雜質、氣泡，各個閥門的密封性能等。

(1)水標定過程一般需要3～4人，要做好嚴格的分工，每個人都要清楚自己的職責，并對每項操作都必須熟練，以保證操作的重復性。

(2)清理水池內雜物、塵土后再放水，確保水池灌水后池內水質澄清，不能有肉眼可見的雜質，否則可能出現在標定過程中閥門密封性不嚴而造成的標定失敗，特別是電磁閥由于口徑小，很容易因為雜質而卡住。

(3)體積管的收發球筒，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。體積管收發球筒處一般都有排氣裝置，標定時應每個循環結束后都需要打開排氣閥排氣。關鍵要看管匯上的壓力、溫度儀表的管嘴，管嘴的內徑不能太大，太大的話很容易聚集氣泡，并且水的流動不能將這些氣泡帶走。所以要盡可能減小這些管嘴的內徑，實在沒辦法減小的話需增加排氣裝置，定期進行排氣。

(4)充球時，標定球外徑應保證相對于體積管內徑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，而且管線壓降也會因此變大而不利于密封。

(5)為確保標定球在體積管內運行順暢，可在投入標定球之前，在標定球上抹上少量黃油。同理，檢測開關的觸發探頭也可以做同樣的處理。

(6)注意標定次數過多后對系統狀態的影響。其中，必須保證手動閥門質量，以確保多次開關后，不會存在泄露情況。

(7)當系統內有使用軟質管線時，應確保在整個標定過程中，管線狀態不變。

5 結論

綜上所述，體積管在設計、制造和標定的過程中都應該？。設計院設計時要考慮這個系統的合理布局，尤其針對受環境影響較大的水標定系統，盡可能布置在室內。如果室內不具備布置的條件也可以布置在室外，但需要增加臨時的防護設施，例如臨時板房或帳篷。體積管在設計制造的過程中不僅需要考慮內壁的防腐等這樣的關鍵性問題，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格檢查，管道組裝前要進行焊口探傷試驗，組裝后要進行耐壓試驗和氣密性試驗。設備上的每一個閥門必須做耐壓試驗。

[1] 全國流量容量計量技術委員會.JJG 209 -2010 體積管檢定規程[S] .北京： 中國計量出版社，2010.