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科氏流量計(jì)振動(dòng)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(jì)振動(dòng)管污垢的存在是一種非常普遍的現(xiàn)象，不但會(huì)影響科氏質(zhì)量流量計(jì)的測量精度，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至還會(huì)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(jì)振動(dòng)管污垢檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀，展望了科氏流量計(jì)振動(dòng)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(jì)；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(gè)有著質(zhì)量、能量和動(dòng)量傳遞的復(fù)雜物理 化學(xué)過程，有時(shí)也存在生物活動(dòng)。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?yàn)槲酃傅拇嬖?，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?yàn)槟魑酃冈斐傻?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(jì)（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(jì)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(jì)測量管內(nèi)有污垢產(chǎn)生時(shí)，會(huì)對科氏 ,流量計(jì)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(huì)使科氏流量計(jì)密度、黏度測量不準(zhǔn)確;3)使科氏流量 計(jì)管道結(jié)構(gòu)不對稱，對科氏流量計(jì)的零點(diǎn)有影響。
5從而導(dǎo)致科氏流量計(jì)拾振器測得的2路振動(dòng)信號(hào)過 平衡位置的時(shí)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(jì)基本成為石油行業(yè)對外對內(nèi)貿(mào)易結(jié) :算中的計(jì)量依據(jù)，然而現(xiàn)有科氏流量計(jì)均為定期檢 丨查維修，不能在線實(shí)時(shí)檢測，如果在檢查期內(nèi)出現(xiàn)污垢，導(dǎo)致計(jì)量出現(xiàn)缺量，會(huì)嚴(yán)重影響企業(yè)的信譽(yù);導(dǎo)致計(jì)量出現(xiàn)過剩，則會(huì)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(jì)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(jì)振動(dòng)管污垢檢測技術(shù)的研究現(xiàn) 狀，展望了科氏流量計(jì)振動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)域反射法是根據(jù)超聲波的回波時(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)域反射法接受的回波信號(hào)噪聲較多，污垢層薄時(shí)反射的信號(hào)弱等,因此超聲波時(shí)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(shí)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(shí) 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(shí)，遇到凹痕、腐蝕、污垢等會(huì)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(shí)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(gè)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(hào)的影 響，實(shí)際得到的回波信號(hào)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(yàn)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(shí)，必須要假設(shè)顆粒是球型的， 這樣會(huì)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(shí)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(gè)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(jì)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(shí)污垢層的分布[27]，因?yàn)楫?dāng)圓 形管道的長度遠(yuǎn)大于內(nèi)外徑，計(jì)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(lì)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(jì)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(shí)，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(gè)半衰期的時(shí)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(huì)受到 管內(nèi)流體的影響，比如檢測輸油管道中油垢時(shí)會(huì)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(shí)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(huì)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(huì)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(jì)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(shí)，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(shí)，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(jì)振動(dòng)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(shí)必須保證工況條件不變。
2科氏流量計(jì)振動(dòng)管污垢檢測技術(shù) 現(xiàn)狀
目前科氏流量計(jì)管道污垢檢測方法主要有幾種:基于科氏流量計(jì)管道諧振頻率+激振器驅(qū)動(dòng)率的檢測方法;基于科氏流量計(jì)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(dòng)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(jì)測量管的一階諧振s 率和激振器的驅(qū)動(dòng)功率為科氏質(zhì)量流量計(jì)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(shí)，提 供輸出信號(hào)并通知工作人員讓科氏流量計(jì)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(jì)測量管裂縫故障檢測。但是當(dāng)科氏流量計(jì)測量 管處于多種故障狀態(tài)（比如科氏流量計(jì)測量管同時(shí) 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(dòng)功率和一階固有諧振頻率變化相同 時(shí)，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(jì)振動(dòng)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(jì)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(jì)測量管內(nèi)是否 有污垢或腐蝕產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)研究表明，在工況不變，流 體密度值恒定時(shí),使用該方法和裝置能夠較好地檢 測科氏流量計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(shí)，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(shí)，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(jì)， 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(jì)測量管內(nèi) 污垢附著對科氏流量計(jì)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(jì)為研究對象，仿真分析表明，科氏質(zhì)量流量計(jì)， 測量管內(nèi)污垢嚴(yán)重影響流量計(jì)振動(dòng)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(jì)測量管的諧振頻率和系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)功率隨著科氏 流量計(jì)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(hào)特征的科氏流M計(jì)管道 污垢檢測方法，可以提高科氏流量計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(dòng)方程，計(jì)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(shí)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(dòng)方程，用QR法 計(jì)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(shí)，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(shí)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(jì)的固 液耦合振動(dòng)方程，利用ANSYS有限元軟件的自定義單元實(shí)現(xiàn)了不同約束條件的直管流盤 計(jì)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(jì)測量管有影響， 當(dāng)科氏流量計(jì)測量管內(nèi)液體流速增大時(shí)，測量管的 一階固有頻率減小，當(dāng)流速增大至臨界流速時(shí)，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(jì)中，流體流速對科氏流量計(jì)密度測量有 影響。因此為了提高科氏流量計(jì)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(jì)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(jì)管道污垢檢測技術(shù)存在許多不足，該文提出以下幾個(gè)值得關(guān)注的發(fā)展前景以供參考：
1)對管道流量計(jì)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(jì)管道內(nèi)存在污垢時(shí)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(jì)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(jì)管道諧振頻率的影響，以便在流體 正常流動(dòng)時(shí)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(jì)管道污垢檢測 及校正算法,提高檢測精確度；
4)利用計(jì)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(jì)管道污垢檢測技術(shù)的自動(dòng)化 程度。
 
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