原油貿易交接計量中被動活塞式體積管的可靠性分析

中國石油國際勘探開發有限公司

在原油貿易交接計量中，動態計量因其較高的準確性和靈活性而被廣泛采用。動態計量系統一般由流量計、體積管和二等標準金屬量器組成，各設備系統逐級向上溯源，即流量計溯源至體積管，體積管溯源至二等標準金屬量器，二等標準金屬量器溯源至流量標準裝置[1]。

通常情況下，流量計除進行周期檢定[2]外，還會根據貿易相關方之間的約定做定期自檢，體積管一般只做正式的周期檢定，周期之內則不會約定自檢。所以，依據體積管的可靠性為其制定合理的檢定周期以及周期內的維護方案，是實現計量設備完好[3]和整個交接計量過程可靠的重要基礎工作之一。

1 體積管的類型

體積管的首次應用出現于20 世紀50 年代，經過多次改進，目前體積管技術已經比較成熟[4]。根據體積管內置換器的形式和運動方式差異，國內文獻將其分為四類[5]，即單向球式體積管、雙向球式體積管、主動活塞式體積管和被動活塞式體積管。其中，主動活塞式體積管由電動機驅動活塞，活塞的運動推動流體運動，活塞的運動是主動的；被動活塞式體積管自身不帶活塞驅動系統，而是由流經體積管的流體推動活塞運動，流體的流速決定活塞的運動速度，活塞的運動是被動的[6]。API 中體積管分為五類[7]，即帶自由置換器的單向體積管、帶自由置換器的雙向體積管、帶被動式置換器的體積管、多標準體積的體積管（有2～4個檢測開關）和常壓罐式體積管（Atmospheric Tank Prover），其中前四類與國內的四類基本相同，只是分類依據略有不同，第五類在國內未提及。

2 被動活塞式體積管的可靠性管理

不同類型體積管在設備結構和工作原理上具有相似性，所以其可靠性管理要素基本相同，包括體積管本體及其附屬設施、流經體積管的介質和檢定時的操作條件[8-9]等，本文主要研究體積管本體的可靠性管理。

根據相關規定與運行經驗，被動活塞式體積管可靠性管理的主要參數包括：

（1）設備密封性。國內相關規范要求活塞移動前檢查體積管各連接處（換向機構、旁通閥和一次溫度/壓力表等）的密封性[5]，API 要求在活塞移動前和移動中均需檢查設備密封性[10]，即活塞移動前，除檢查國內相關規范中提到的各連接處的密封性外，還應檢查活塞的密封完整性。

（2）重復性和復現性[11]。國內相關規范對重復性和復現性的要求隨著計量工作的深入開展而逐步明確，上世紀90年代中期只要求重復性優于0.02%而未對復現性作要求，在現行規定中[5]則要求重復性優于0.02%且復現性優于0.05%。國外現行規定推薦重復性優于0.02%[10，12]且復現性優于0.05%或0.02%，若按照重復性優于0.02%且復現性優于0.02%執行，則會增加一些不必要的檢定工作，因此按照重復性優于0.02%且復現性優于0.05%執行是相對合理的[7]。

（3）檢定周期。檢定周期取決于復現性和體積管維修情況。國內相關規范推薦兩種周期，對于首次檢定、后續檢定中復現性不合格或進行過改變體積管標準容積的維修的體積管，檢定周期為1 年，其他情況下則為3 年。API 推薦三種周期，要求復現性優于0.02%或進行過改變標準容積的維修的體積管，檢定周期為1 年，要求復現性優于0.05%且未進行過改變標準容積的維修的體積管，檢定周期為5年，或可根據前后兩次標準容積的變化速度確定下一次檢定時間。

3 體積管可靠性管理方案的制定

以非洲某原油管道計量站（M站）的被動活塞式體積管運行為例，在做好體積管日常維護保養[13]基礎上，通過分析可靠性管理參數在實踐中的應用，探索建立被動活塞式體積管可靠性管理方案。

該原油管道是由中方企業與當地政府合資建設，雙方在項目啟動之初即簽署了管道合同作為該項目管理依據。合同規定該管道設計、施工、維護和運行應符合目前普遍采用的國際管道和工程慣例與標準，所以M站計量系統在檢定過程中采用API標準。

M站計量系統包括2臺Smith刮板流量計、1臺FMD 被動活塞式體積管、1 具Lonetti & Associates標準金屬罐和1套上位機控制系統。該站于2012年投用，體積管檢定周期為半年，體積管的活塞密封圈為彈簧蓄能密封圈，密封唇口材質為增強聚四氟乙烯，內有不銹鋼蓄能彈簧。

3.1 完善體積管設備密封性檢查措施

密封性檢查可分為活塞移動前檢查和移動中檢查，根據相關規范的密封性檢查方法，又可分為可視類檢查（即可通過目視直接觀察發現）和不可視類檢查（即需要通過獲取其他參數間接觀察發現），本文重點討論后者。被動活塞式體積管在活塞移動前的檢查稱為靜態泄漏測試，活塞移動中的檢查稱為動態泄漏測試。

3.1.1 泄漏測試

（1）靜態泄漏測試方法和測試結果判斷。根據被動活塞式體積管工作原理，當活塞移動至體積管中間位置時，體積管內液體在活塞上下游會制造一定的壓差，在確認可視類檢查完好情況下，如果在規定時間內壓差或活塞位移變化滿足相關要求，則說明活塞密封性良好，否則就存在泄漏。

不同廠家生產的體積管的靜態泄漏測試方法基本相同，但判斷標準略有不同，下面以三個廠家生產的體積管加以說明。FMD 要求在活塞上下游壓差達到5 lb/in2（34.47 kPa）后，穩壓觀察10 min，如壓差變化和活塞位移變化均為零，說明活塞密封性完好，如其中任何一項變化不為零且已排除其他所有泄漏情況，則說明活塞存在泄漏，需要更換新的密封圈[14]。Daniel 要求在活塞一側施加其規定的壓力并穩壓觀察5 min，如果活塞位移大于0.102 mm且已排除其他所有泄漏情況，則說明活塞存在泄漏，需要更換新的密封圈[15]。Honeywell要求在活塞上下游壓差達到6 lb/in2（41.37 kPa）并穩壓觀察至少5 min，在已排除其他所有泄漏情況的前提下，根據泄漏量和其推薦的密封圈更換建議（圖1）決定更換密封圈的時間[16]。

圖1 Honeywell被動活塞式體積管密封圈更換建議Fig.1 Recommendation for seal change of Honeywell passive piston volume tube

（2）動態泄漏測試的方法和測試結果判斷。被動活塞式體積管在檢定過程中，應用相同的現場標準去判斷相同活塞運動速度下的檢定結果時，不易發現由活塞連續性泄漏可能導致的檢定錯誤?？梢栽黾右唤M檢定，該組檢定的活塞運動速度與正式檢定時相比應增加或降低至少25%，比較兩組檢定所得的標準容積，若差值不超過0.02%，則說明密封性良好，否則就存在泄漏。當然，這兩組檢定各自的重復性都不應大于0.02%[10]。

3.1.2 泄漏測試的現場應用

M站每半年邀請第三方正式檢定，每次檢定時均進行了動態泄漏測試，靜態泄漏測試則因缺少測試工具一直未進行，檢定記錄見表1，該體積管自投用以來未進行過影響標準容積的維修以及活塞密封圈的更換。

2017年1月，重復性和動態泄漏測試均滿足要求，但復現性不滿足要求（要求優于0.02%）。M站即開始采購靜態泄漏測試工具和密封圈及其他備件，至2018年1月工具和備件到場后再次檢定，檢定前進行了靜態/動態泄漏測試。測試過程中，壓差在規定時間內從5 lb/in2降至3.6 lb/in2（24.82 kPa）（要求壓降為零），活塞位移1.122 mm（要求位移為零），靜態泄漏測試不合格，復現性不合格（約為限值的10 倍），動態泄漏測試和重復性符合要求。更換密封圈等備件后，順利通過靜態/動態泄漏測試，檢定結果符合要求。

3.1.3 泄漏測試與可靠性的關系

綜上所述，對于同一組檢定結果，即使動態泄漏測試和重復性符合要求，也無法確保體積管的可靠性。如圖2、圖3所示。

圖2 動態泄漏測試與復現性Fig.2 Dynamic leak test and reproducibility

圖3 不同流速下的重復性Fig.3 Reliability with different flowrate

由圖2、圖3可知：

（1）動態泄漏測試只是確保體積管可靠的其中一項指標，不能完全反映體積管的狀態。第12、13 次檢定時，動態泄漏測試結果合格且僅為限值的5%和30%，對應的復現性已達到限值的近4 倍和10 倍，檢定結果不符合要求。所以需要增加監測措施（如靜態泄漏測試），以更全面地了解活塞的密封狀態。

（2）在活塞密封圈與體積管內壁完成磨合并進入穩定期后，應啟動活塞的預防性維修。動態泄漏測試與復現性的變化趨勢相似且可分為三個階段：第1～6次檢定為第一階段，該階段內密封圈和體積管內壁處于磨合期，密封效果不穩定；第7～9次檢定為第二階段，經過前期的磨合，此時密封效果處于穩定狀態；第10～13次檢定為第三階段，經多次往復運動，密封圈磨損且密封圈材料逐漸老化，密封效果降低，動態泄漏測試和復現性波動較大。當復現性超過0.02%后，僅經過半年，復現性就超過限值，說明密封圈材料老化后密封圈變形加快，泄漏量增大，檢定結果不穩定。所以應在發現復現性進入第二階段后即著手采購密封圈等備件，待后續檢定過程中發現檢定結果不符合要求時立即維修。

（3）動態泄漏測試時，低流速的重復性大于檢定流速的重復性，選定低流速作為對照流速是可行的。改變流速，實際是改變了作用在活塞上的液體壓力和活塞運動時間，二者同時影響活塞的泄漏量，隨著密封圈工作時間逐漸變長，二者的主次地位發生變化。在第1～11 次檢定中，因密封圈材質較硬，液體壓力為次要因素，運動時間為主要因素，此時低流速下活塞運動時間較檢定流速時長，泄漏量相對較大，表現為重復性相對較大；在第12、13 次檢定中，因密封圈材質變軟，密封效果變差，液體壓力成為主要因素，運動時間成為次要因素，此時低流速下液體壓力較檢定流速時小，所以泄漏量相對較小，表現為重復性相對較小。

3.2 優化檢定周期

合理的檢定周期不僅能保證體積管處于有效的工作狀態，而且可以節約運行管理費用。

通常情況下，貿易相關方會在計量開始階段約定檢定周期并照此執行，直至在過程中發現問題才會更新。國內體積管檢定周期一般為3 年[4]，但已有文獻指出此規定無法確保體積管在周期內的準確性，建議根據現場應用情況的調研結果調整檢定周期[17]。規定檢定周期是為了在確保體積管符合計量要求的前提下降低運行管理費用，因此每臺體積管可以根據自身檢定結果的變化規律制定合理的檢定周期，也可根據現場體積管數量和使用條件開展期間核查[18]。

M站體積管檢定周期為半年，在計入活塞磨損對密封狀態影響前提下，根據已有數據計算不同檢定周期的復現性，計算結果見表2。

由表2可知：

（1）復現性的變化量不具備傳遞性，而是隨機的。由復現性計算方法可知，每次檢定都允許標準容積有一定變化，只要變化量在限值內即可。將檢定周期為半年的復現性稱復現性A，其它不同檢定周期的復現性稱復現性B，在第2～9 次檢定時，復現性A并未較復現性B持續增大，說明復現性的變化量并未隨著檢定次數的增加而傳遞，第11 次檢定時，復現性A和B均波動較大，第12、13次檢定時，復現性A 和B 均超出限值，復現性A 和B 的變化趨勢基本相同。

（2）對于未進行過可能改變標準容積的維修的體積管，其檢定周期定為5年是可以接受的。復現性A表明在該體積管前5年的運行中表現穩定，復現性B中檢定周期為5年時的復現性也符合限值要求，因此，可以將該體積管的檢定周期定為5年。

表2 M站被動活塞式體積管不同檢定周期的復現性Tab.2 Reproducibility of passive piston volume with different calibration period at M Station

（3）活塞密封圈的性能變化是影響檢定周期的關鍵因素之一。在密封圈材質老化之前，體積管檢定結果穩定且符合要求，在密封圈材質老化之后，檢定結果波動較大且超出限值，可根據活塞密封圈在當前工作環境下的性能變化周期制定合理的體積管檢定周期。

綜上所述，M站體積管檢定周期可適當延長但不宜超過5年。為確保其可靠性，該體積管首次檢定后可經3年再進行第二次檢定，隨后每年檢定一次。更換新密封圈后，檢定周期可參考上一個密封圈工作時的檢定周期。當然，如期間發生過改變體積管標準容積的維護則應及時檢定。

4 結論和建議

（1）被動活塞式體積管在檢定前，除進行可視類密封性檢查之外，還應進行不可視類密封性檢查，即進行活塞密封性的靜態/動態泄漏測試，測試方法和結果評價可參考API和體積管生產廠家手冊。建議動態泄漏測試時采用低流速（較檢定流速低25%）作為對照流速，因為活塞在低流速下運行時需要比高流速（較檢定流速高25%）下運行時更完整的密封性才能確保檢定結果符合要求[19]。

（2）檢定周期可根據復現性優化，復現性又與活塞密封圈的性能變化周期相關。當復現性變化進入相對穩定狀態時，應啟動活塞預防性維修流程?；钊芊馊π阅艿淖兓芷谂c其工作次數和計量介質中硬質顆粒含量[20]等相關，將來可從引起密封圈材料化學變化進而影響其工作狀態的角度分析優化檢定周期的措施。

（3）被動活塞式體積管因體積小、流量范圍寬和安裝操作便捷等特點而得到廣泛應用[21]，但不宜應用在某些受國際制裁的非洲國家。因體積管屬精密儀器，其維修需由廠家人員到現場完成，但此類技術服務在受國際制裁的國家不易獲得，所以，維護相對簡單的球式體積管可作為首選。