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技術(shù)文章
科氏流量計振動管污垢檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
發(fā)布日期:2017-12-21 10:33
摘要:科氏流量計振動管污垢的存在是一種非常普遍的現(xiàn)象，不但會影響科氏質(zhì)量流量計的測量精度，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至還會堵塞流道而引發(fā)停機(jī)故障。該文歸納了目前國內(nèi)外管道污垢檢測技術(shù)，以及各種污垢檢測技術(shù)的原理及優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)闡述了科氏流量計振動管污垢檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀，展望了科氏流量計振動管污垢檢測技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：科氏流量計；污垢；壓力變送器;檢測方法;發(fā)展趨勢
0引言
污垢是指由于有機(jī)物或無機(jī)物的逐漸積累，在 管道內(nèi)壁或者設(shè)備上形成的一層物質(zhì)[1]。污垢的 形成是一個有著質(zhì)量、能量和動量傳遞的復(fù)雜物理 化學(xué)過程，有時也存在生物活動。目前，污垢的存在 是一種非常普遍的現(xiàn)象，大量地存在于流體管道輸 送、設(shè)備換熱、傳熱等各種各樣的工業(yè)生產(chǎn)過程以及 儀器儀表測量過程[2]。
污垢對各行業(yè)造成了很大的危害和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì) 損失，國內(nèi)外對于污垢造成的危害及經(jīng)濟(jì)損失做了 許多的研究調(diào)查，據(jù)PA Thackery估算，1977年英國 在應(yīng)對污垢方面增加的投資費(fèi)用占當(dāng)年國民生產(chǎn)總值的 0.25%[3]。RENATE STEINHAGEN, HANS KAMBIZ MAANI等調(diào)查發(fā)現(xiàn)，新西蘭多家工廠中 90%以上的設(shè)備存在不同程度的污垢附著現(xiàn)象[4]。 據(jù)調(diào)查，因為污垢的存在，我國換熱、傳熱設(shè)備的運(yùn) 行效率平均水平下降了 50%[3]。徐志明、楊善讓等 調(diào)查結(jié)果表明，2000年我國因為凝汽器污垢造成的 經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)28.7億元[5]。王錫文根據(jù)英國2004 年污垢方面投資的費(fèi)用占國民生產(chǎn)總值的比例，分I 析估算出我國2004年因污垢造成的費(fèi)用損失約為 341億元[6]。孫靈芳調(diào)查表明,2002年我國由于換 ，設(shè)備中存在污垢而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失超過250億 元[7]。調(diào)查表明污垢對儀器儀表的測量也有 影響[8]。
科氏流量計（Coriolis Mass Flowmeter，CMF)是 一種多參數(shù)測量儀表，不僅可以直接測量流體流量， 而且能夠測量流體密度、黏度以及流體溫度、壓力變送器等
由于科氏流量計受工作環(huán)境、管道內(nèi)部流體溫度、壓力、黏性等影響，管道內(nèi)部容易出現(xiàn)污垢。當(dāng)科氏質(zhì)量流量計測量管內(nèi)有污垢產(chǎn)生時，會對科氏 ,流量計造成嚴(yán)重影響：1)管道內(nèi)徑將減小，粗糙度增加，管道內(nèi)沿程阻力和局部阻力將變大，導(dǎo)致管道內(nèi)流體壓力測量不準(zhǔn);2)測量管和流體總質(zhì)量增 大，使測量管諧振頻率減小，激振器功率變大，會使科氏流量計密度、黏度測量不準(zhǔn)確;3)使科氏流量 計管道結(jié)構(gòu)不對稱，對科氏流量計的零點(diǎn)有影響。
5從而導(dǎo)致科氏流量計拾振器測得的2路振動信號過 平衡位置的時間差發(fā)生變化，流體質(zhì)量流量測量不 準(zhǔn)確。4)影響工廠、企業(yè)的信譽(yù)，降低經(jīng)濟(jì)效益。
:科氏質(zhì)量流量計基本成為石油行業(yè)對外對內(nèi)貿(mào)易結(jié) :算中的計量依據(jù)，然而現(xiàn)有科氏流量計均為定期檢 丨查維修，不能在線實時檢測，如果在檢查期內(nèi)出現(xiàn)污垢，導(dǎo)致計量出現(xiàn)缺量，會嚴(yán)重影響企業(yè)的信譽(yù);導(dǎo)致計量出現(xiàn)過剩，則會降低企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[11]。
因此，研究管道以及科氏流量計管道污垢在線 i檢測方法很有意義。該文歸納了目前國內(nèi)外污垢檢 測技術(shù)，以及各種污垢檢測技術(shù)的原理及優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)闡述了科氏流量計振動管污垢檢測技術(shù)的研究現(xiàn) 狀，展望了科氏流量計振動管污垢檢測技術(shù)未來的 發(fā)展趨勢。
污垢檢測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
自上世紀(jì)70年代以來，研究污垢的實驗手段以及檢測技術(shù)有了很大的進(jìn)展。對污垢的形成機(jī)理、形成過程，污垢對儀器設(shè)備的影響以及污垢的檢測方法等進(jìn)行了研究。目前，主要的污垢檢測方法有：超聲波時域反射法、超聲波導(dǎo)波法、激光散射法、圖像分析法、紅外檢測法、同位素法、熱阻法、壓力降測
貴法、基于諧振頻率的檢測方法等[12]。超聲波時域反射法是根據(jù)超聲波的回波時間差及幅值來檢測污垢和確定污垢的厚度的一種方法13]。超聲波方向性強(qiáng)，能量集中，超聲波時域反射法測量精度高，靈敏度高[14'15]。但是由于外部1 %境條件的不同及污垢的形成條件的不同，產(chǎn)生的污垢物理性質(zhì)也不相同，因此無法給出污垢的物理性質(zhì)，只能采用實驗標(biāo)定的方法，對同一環(huán)境條件下:產(chǎn)生的污垢進(jìn)行厚度和聲速標(biāo)定，然后用實驗標(biāo)定的各種工作條件下的變量值，檢測對應(yīng)工況條件下產(chǎn)生的污垢性質(zhì)[13]。由于超聲時域反射法接受的回波信號噪聲較多，污垢層薄時反射的信號弱等,因此超聲波時域反射法不適用于薄層污垢和復(fù)雜噪聲 工況下污垢的檢測。由于檢測的環(huán)境條件，比如 壓力、溫度等對超聲波反射波的振幅和回波時間有 影響，而且不能定性總結(jié)出其影響規(guī)律，更沒有溫度 和壓力對其影響的定量關(guān)系式[17]，因此檢測污垢時 對工況條件要求高。
2)超聲導(dǎo)波檢測法是利用超聲導(dǎo)波在管道中 傳播時，遇到凹痕、腐蝕、污垢等會發(fā)生散射、折射、 透射的現(xiàn)象，通過研究導(dǎo)波的傳播特性來判斷管道 內(nèi)是否存在污垢的一種方法[18_19]。與超聲波時域 反射法相比，超聲導(dǎo)波檢測方法具有檢測范圍大的 優(yōu)點(diǎn)，能夠一次性完成對整個管道的檢測[2°]。但是 由于環(huán)境條件的影響，比如環(huán)境噪聲等對信號的影 響，實際得到的回波信號非常復(fù)雜[21]。超聲導(dǎo)波容 易檢測出壓力管道中的異常情況，但是對于異常特 征的定性很難，需要用別的無損檢測手段進(jìn)行 驗證。
3)激光散射法檢測污垢的原理是•.讓激光光束 傾斜照射管道或儀器表面后，如果管道或儀器表面 有污垢顆粒，激光光束將發(fā)生透射、反射和散射。透 射、反射和散射光的角度、強(qiáng)弱等特點(diǎn)能反映出儀器 或管道表面是否存在污垢以及污垢的程度。激光散 射法也可以用來檢測污垢顆粒粒度，檢測精度 高[23]。激光散射法只適用于檢測管道或儀器表面 污垢以及污垢顆粒粒度，對于測量管道內(nèi)壁中的污 垢，由于激光難透射的問題，難以檢測。另外，激光 散射儀測量顆粒粒度時，必須要假設(shè)顆粒是球型的， 這樣會影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性[24]。
4)圖像分析法是利用可以進(jìn)入管道內(nèi)部的小 型機(jī)器人或其他一些圖像采集工具，配以合適的光 源，對管道內(nèi)部空間進(jìn)行拍照，然后利用圖像處理和 分析方法對拍攝到的圖片進(jìn)行處理分析，識別出管 道內(nèi)部是否有污垢存在[25]。這種檢測方法得到的 圖像直觀易讀，但是難以把拍照的圖像與管道相協(xié) 調(diào)起來，即難以確定管子的中心在污垢分布曲線的 那個位置[26]。
5)紅外法檢測污垢是利用紅外測溫技術(shù)得到 管道或設(shè)備表面溫度的二維分布，然后用反推的方 法計算管道內(nèi)壁溫度分布，得出管道內(nèi)部是否存在 污垢，以及存在污垢時污垢層的分布[27]，因為當(dāng)圓 形管道的長度遠(yuǎn)大于內(nèi)外徑，計算中可以看作無^ 長，此類沿管道長度方向的溫度分布可以簡化為二 維分布。紅外檢測方法具有無損傷、非接觸等優(yōu)點(diǎn)， 在管道污垢檢測和故障診斷方面有廣泛的應(yīng)用但紅外檢測法也有它的局限性，主要表現(xiàn)在:傳熱理 論比較理想化，對組分不單一、待測面積較大、厚度 太大的管道，熱激勵難以進(jìn)行。
6)同位素法檢測管道內(nèi)部污垢是利用7射線 穿過管道前后的強(qiáng)度與管道厚度的關(guān)系，檢測出射 線穿過管道前后的強(qiáng)度及管道材料的性質(zhì)，就可以 計算出射線穿過物質(zhì)的厚度，從而分析出管內(nèi)污垢 情況射線對管內(nèi)污垢厚度的響應(yīng)靈敏，能用 于檢測管道內(nèi)的油垢厚度[31]。但同位素檢測法也 存在一些不足:（1) 7射線對人體有害，所以采取同 位素法檢測管道污垢時，必須配備7射線防護(hù)裝 置;（2)放射性同位素都具有一定的半衰期，即經(jīng)過 一個半衰期的時間后，放射源的強(qiáng)度便降低為原來 的一半，因此同位素檢測法不能選擇半衰期較短的 放射性元素[32] ; (3)同位素法檢測污垢厚度會受到 管內(nèi)流體的影響，比如檢測輸油管道中油垢時會受 到油的影響[33]。
7)熱阻法是根據(jù)管道熱阻的變化判斷管道內(nèi) 是否有污垢產(chǎn)生的一種檢測方法，同時污垢熱阻的 大小及變化規(guī)律也能夠反映出管道內(nèi)污垢的附著程 度和性質(zhì)[34]，熱阻法既能檢測是否存在污垢，也能 測量出污垢熱阻大小[35]，但是該方法會有污垢“誘 導(dǎo)期”的影響，使熱阻值出現(xiàn)負(fù)值，而且由于工況復(fù) 雜，測量管道污垢熱阻過程也比較繁瑣[36]。另外， 在管道壁面恒溫條件下，管道內(nèi)壁結(jié)垢過程會使管 道內(nèi)的流體溫度和垢層溫度降低,從而導(dǎo)致流體與 內(nèi)壁面間對流傳熱熱阻計算不準(zhǔn)，所以在該工況下 必須對熱阻公式進(jìn)行修正。
8)壓力降測量法是根據(jù)管道進(jìn)出口處壓降的 變化來判斷管道內(nèi)是否有污垢產(chǎn)生的一種管道污垢 檢測方法。管道中產(chǎn)生污垢時，管道內(nèi)徑將減小，粗 糙度增加，管道內(nèi)沿程阻力和局部阻力將變大，管道 進(jìn)出口壓降增大。測量管道進(jìn)、出口的壓差，就可以 通過壓降的變化來判斷污垢的積聚情況[1]。但是， 只有當(dāng)管道內(nèi)壁摩擦系數(shù)（粗糙度）變化不明顯而 阻塞效應(yīng)（縮小流通截面）成為壓降下降的主要原 因時，壓降才可以作為污垢檢測的依據(jù)。
9)諧振頻率檢測法是根據(jù)待測管道諧振頻率 的大小和變化規(guī)律來判斷管道內(nèi)是否有污垢產(chǎn)生的 一種污垢檢測方法。常用于科氏流量計振動管內(nèi)的 污垢檢測。對于管道而言，諧振頻率值易檢測，因此 諧振頻率檢測污垢法比較簡單。但是，由于流體流 速對管道諧振頻率有影響，為了使檢測到的管道諧 振頻率值更精確，必須降低流速或使流體靜止。另 外，由于溫度、壓力等對管道彈性模量有影響，所以
在檢測諧振頻率時必須保證工況條件不變。
2科氏流量計振動管污垢檢測技術(shù) 現(xiàn)狀
目前科氏流量計管道污垢檢測方法主要有幾種:基于科氏流量計管道諧振頻率+激振器驅(qū)動率的檢測方法;基于科氏流量計管道諧振頻率的測方法。
2.1基于CMF管道諧振頻率+激振器驅(qū)動功g 的檢測方法
卡本特路納1997年在專利CN1166199中提出了一種用于在線檢測和校正故障 的方法和裝置。以科氏流量計測量管的一階諧振s 率和激振器的驅(qū)動功率為科氏質(zhì)量流量計異常工作 狀態(tài)的標(biāo)志信息，工作中將標(biāo)志信息與代表各故障 狀態(tài)的閾值進(jìn)行比較，當(dāng)檢測到異常工作狀態(tài)時，提 供輸出信號并通知工作人員讓科氏流量計暫停工 作，對故障進(jìn)行校正。這種方法主要應(yīng)用于科氏流 量計測量管裂縫故障檢測。但是當(dāng)科氏流量計測量 管處于多種故障狀態(tài)（比如科氏流量計測量管同時 存在內(nèi)壁附著、磨損和裂紋），各種異常工作狀態(tài)造 成的測量管驅(qū)動功率和一階固有諧振頻率變化相同 時，很難區(qū)分是那種故障狀態(tài)或那幾種工作狀態(tài)影 響流體質(zhì)量流量、密度以及黏度測量精度[39]。
2.2基于CMF管道諧振頻率的檢測方法
CN101819056中提出了一種檢測科氏流量計振動管 管壁附加物、磨損或腐蝕的方法和裝置。通過周斯 性地使測量管內(nèi)流體靜止，測得測量管的三階頻率然后以科氏流量計測量管的三階頻率與閾值的關(guān)系 和變化規(guī)律為依據(jù)，判斷科氏流量計測量管內(nèi)是否 有污垢或腐蝕產(chǎn)生。實驗研究表明，在工況不變，流 體密度值恒定時,使用該方法和裝置能夠較好地檢 測科氏流量計管道內(nèi)是否有污垢或腐蝕。但是該方 法要事先預(yù)定科氏流量計測量管的三階固有頻率擇 值，所以只能檢測密度值已知且恒定不變的流體 為了避免流體流速對三階固有頻率的影響，該方采用流體靜止?fàn)顟B(tài)下解算測量管三階固有頻率[4°] 陳智威使用ANSYS有限元軟件，以西安東風(fēng)# 電有限公司的ZLJC7型科氏流量計為研究對象j 析了測量管內(nèi)流體壓力和流速分布情況，確定了容易出現(xiàn)污垢和磨損的位置，建立了ZUC7型科氏流量計故障模型。仿真分析了管道內(nèi)污垢和磨# 對測量管諧振頻率的影響，研究表明：對于型科氏質(zhì)量流量計而言，測量管內(nèi)有污垢產(chǎn)生并風(fēng)污垢質(zhì)量不超過0.003 kg時，隨著污垢質(zhì)量的增加，測量管的一階i皆振頻率單調(diào)線性遞減，密度測量 值單調(diào)線性增加。測量管內(nèi)有磨損并且磨損質(zhì)量不 超過0.003 kg時，隨著磨損程度的增加測量管的一 階諧振頻率值單調(diào)非線性增加，密度測量值單調(diào)線 性減小[41]。但只是僅僅針對ZLJC7型科氏流量計， 通過仿真定性地分析了污垢對測量管一階諧振頻率 及密度測量值的影響，沒有給出污垢或磨損的質(zhì)量 及位置與測量管諧振頻率的定量關(guān)系式。
任建新、熊売、張鵬等針對科氏流量計測量管內(nèi) 污垢附著對科氏流量計的離線標(biāo)定，質(zhì)量流量、壓力變送器以及黏度測量的影響等問題，仍以ZLJC7型科氏流 量計為研究對象，仿真分析表明，科氏質(zhì)量流量計， 測量管內(nèi)污垢嚴(yán)重影響流量計振動管的諧振頻率， 以及質(zhì)量流量、密度測量的精度。最后利用科氏流 量計測量管的諧振頻率和系統(tǒng)的驅(qū)動功率隨著科氏 流量計測量管管道內(nèi)壁污垢質(zhì)過增大而變化的規(guī) 律，研究出了一種基于信號特征的科氏流M計管道 污垢檢測方法，可以提高科氏流量計質(zhì)顯流量、密度 以及黏度的測量精度[42]。但只是僅僅針對ZIJC7 型科氏流量計通過仿真定性地分析了污垢對測過管 一階諧振頻率及密度測量值的影響，沒有給出測世 管內(nèi)污垢質(zhì)量及附著位置與科氏流量計測量管一階 諧振頻率之間的定量關(guān)系式。另外也沒有考慮流體 流速對科氏流童計測量管諧振頻率的影響。
許萍、李著信、蔣忠針對流體流速對流體輸送管 道諧振頻率的影響問題，用有限元法推導(dǎo)了流體管道 固液耦合振動方程，計算出了流體管道的一階固有頻 率及臨界流速，并研究了液體流速、流體壓力變化對 流體管道一階固有頻率的影響。仿真結(jié)果表明:流體 壓力不大時對管道一階固有頻率的影響可以忽略，流 體輸送管道的一階固有頻率隨流體流速的增大而降 低，說明流體流速對管道一階固有頻率的影響不可忽 略。但研究結(jié)果沒有給出流體流速對管道固有頻率 影響的定量關(guān)系式⑷]。佟明君，趙樹山，王世忠針對 流體流速對流體輸送管道諧振頻率的影響問題，用有 限元法推導(dǎo)了流體管道固液耦合振動方程，用QR法 計算出了管道前四階固有頻率。仿真結(jié)果表明:流體 流速對管道一階固有頻率的影響不可忽略，當(dāng)改變邊 界條件時，管道的臨界速度隨支撐剛度的增大而增 大，但研究結(jié)果沒有給出流體流速對管道固有頻率影 響的定量關(guān)系式，也未考慮管道彎曲時的剪切作用， 其分析結(jié)果在理論上是偏大的。譚劍、任建新、張鵬基于Hamilton原理，使用有 限元法推導(dǎo)了考慮剪切變形的直管科氏流量計的固 液耦合振動方程，利用ANSYS有限元軟件的自定義單元實現(xiàn)了不同約束條件的直管流盤 計測量管的固有頻率及臨界流速的分析，并討論了 兩種不同液體對管道固有頻率的影響。ANSYS仿真結(jié)果表明:流體流速對科氏流量計測量管有影響， 當(dāng)科氏流量計測量管內(nèi)液體流速增大時，測量管的 一階固有頻率減小，當(dāng)流速增大至臨界流速時，測量 管頻率減小至0,測量管失去穩(wěn)定性。說明在直管 科氏流量計中，流體流速對科氏流量計密度測量有 影響。因此為了提高科氏流量計密度測量精度，應(yīng) 盡量減小流體流速或者加入適當(dāng)?shù)男拚縼硇拚?測得的流體密度。但是文中只通過仿真結(jié)果做了定 性分析，并未給出流體密度的流速修正式[45]。
3結(jié)論
科氏質(zhì)流量計管道污垢的廣泛存在，給流體質(zhì)址流址密度等測量帶來了不良影響。目前科氏流量計管道污垢檢測技術(shù)存在許多不足，該文提出以下幾個值得關(guān)注的發(fā)展前景以供參考：
1)對管道流量計管道污垢形成機(jī)制的深入研 究，提供更多更確切的可測性強(qiáng)的定性或定量描述 參數(shù)，是開展的理論研究方向；
2)研究科氏流量計管道內(nèi)存在污垢時對流體質(zhì)量流量、密度以及壓力變送器諧振頻率的影響，為科氏流 量計的檢測奠定理論基礎(chǔ)。另外，研究流體流速、密度對科氏流量計管道諧振頻率的影響，以便在流體 正常流動時能夠?qū)艿乐C振頻率進(jìn)行檢測；
3)研究更為精確的科氏流量計管道污垢檢測 及校正算法,提高檢測精確度；
4)利用計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和傳感器技術(shù)的相關(guān) 成果，提高科氏流量計管道污垢檢測技術(shù)的自動化 程度。
