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科氏流量计振动管污垢检测技术研究现状与发展趋势

发布日期:2017-12-21 10:33

摘要:科氏流量计振动管污垢的存在是一种非常普遍的现象，不但会影响科氏质量流量计的测量精度，造成严重的经济损失，甚至还会堵塞流道而引发停机故障。该文归纳了目前国内外管道污垢检测技术，以及各种污垢检测技术的原理及优缺点，重点阐述了科氏流量计振动管污垢检测技术的研究现状，展望了科氏流量计振动管污垢检测技术未来的发展趋势。关键词：科氏流量计；污垢；压力变送器;检测方法;发展趋势

0引言

污垢是指由于有机物或无机物的逐渐积累，在管道内壁或者设备上形成的一层物质[1]。污垢的形成是一个有着质量、能量和动量传递的复杂物理化学过程，有时也存在生物活动。目前，污垢的存在是一种非常普遍的现象，大量地存在于流体管道输送、设备换热、传热等各种各样的工业生产过程以及仪器仪表测量过程[2]。

污垢对各行业造成了很大的危害和严重的经济损失，国内外对于污垢造成的危害及经济损失做了许多的研究调查，据PA Thackery估算，1977年英国在应对污垢方面增加的投资费用占当年国民生产总值的 0.25%[3]。RENATE STEINHAGEN, HANS KAMBIZ MAANI等调查发现，新西兰多家工厂中 90%以上的设备存在不同程度的污垢附着现象[4]。据调查，因为污垢的存在，我国换热、传热设备的运行效率平均水平下降了 50%[3]。徐志明、杨善让等调查结果表明，2000年我国因为凝汽器污垢造成的经济损失高达28.7亿元[5]。王锡文根据英国2004 年污垢方面投资的费用占国民生产总值的比例，分I 析估算出我国2004年因污垢造成的费用损失约为 341亿元[6]。孙灵芳调查表明,2002年我国由于换，设备中存在污垢而导致的经济损失超过250亿元[7]。调查表明污垢对仪器仪表的测量也有影响[8]。

科氏流量计（Coriolis Mass Flowmeter，CMF)是一种多参数测量仪表，不仅可以直接测量流体流量，而且能够测量流体密度、黏度以及流体温度、压力变送器等

由于科氏流量计受工作环境、管道内部流体温度、压力、黏性等影响，管道内部容易出现污垢。当科氏质量流量计测量管内有污垢产生时，会对科氏 ,流量计造成严重影响：1)管道内径将减小，粗糙度增加，管道内沿程阻力和局部阻力将变大，导致管道内流体压力测量不准;2)测量管和流体总质量增大，使测量管谐振频率减小，激振器功率变大，会使科氏流量计密度、黏度测量不准确;3)使科氏流量计管道结构不对称，对科氏流量计的零点有影响。

5从而导致科氏流量计拾振器测得的2路振动信号过平衡位置的时间差发生变化，流体质量流量测量不准确。4)影响工厂、企业的信誉，降低经济效益。

:科氏质量流量计基本成为石油行业对外对内贸易结 :算中的计量依据，然而现有科氏流量计均为定期检丨查维修，不能在线实时检测，如果在检查期内出现污垢，导致计量出现缺量，会严重影响企业的信誉;导致计量出现过剩，则会降低企业的经济效益[11]。

因此，研究管道以及科氏流量计管道污垢在线 i检测方法很有意义。该文归纳了目前国内外污垢检测技术，以及各种污垢检测技术的原理及优缺点，重点阐述了科氏流量计振动管污垢检测技术的研究现状，展望了科氏流量计振动管污垢检测技术未来的发展趋势。

污垢检测技术发展现状

自上世纪70年代以来，研究污垢的实验手段以及检测技术有了很大的进展。对污垢的形成机理、形成过程，污垢对仪器设备的影响以及污垢的检测方法等进行了研究。目前，主要的污垢检测方法有：超声波时域反射法、超声波导波法、激光散射法、图像分析法、红外检测法、同位素法、热阻法、压力降测

贵法、基于谐振频率的检测方法等[12]。超声波时域反射法是根据超声波的回波时间差及幅值来检测污垢和确定污垢的厚度的一种方法13]。超声波方向性强，能量集中，超声波时域反射法测量精度高，灵敏度高[14'15]。但是由于外部1 %境条件的不同及污垢的形成条件的不同，产生的污垢物理性质也不相同，因此无法给出污垢的物理性质，只能采用实验标定的方法，对同一环境条件下:产生的污垢进行厚度和声速标定，然后用实验标定的各种工作条件下的变量值，检测对应工况条件下产生的污垢性质[13]。由于超声时域反射法接受的回波信号噪声较多，污垢层薄时反射的信号弱等,因此超声波时域反射法不适用于薄层污垢和复杂噪声工况下污垢的检测。由于检测的环境条件，比如压力、温度等对超声波反射波的振幅和回波时间有影响，而且不能定性总结出其影响规律，更没有温度和压力对其影响的定量关系式[17]，因此检测污垢时对工况条件要求高。

2)超声导波检测法是利用超声导波在管道中传播时，遇到凹痕、腐蚀、污垢等会发生散射、折射、透射的现象，通过研究导波的传播特性来判断管道内是否存在污垢的一种方法[18_19]。与超声波时域反射法相比，超声导波检测方法具有检测范围大的优点，能够一次性完成对整个管道的检测[2°]。但是由于环境条件的影响，比如环境噪声等对信号的影响，实际得到的回波信号非常复杂[21]。超声导波容易检测出压力管道中的异常情况，但是对于异常特征的定性很难，需要用别的无损检测手段进行验证。

3)激光散射法检测污垢的原理是•.让激光光束倾斜照射管道或仪器表面后，如果管道或仪器表面有污垢颗粒，激光光束将发生透射、反射和散射。透射、反射和散射光的角度、强弱等特点能反映出仪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来检测污垢颗粒粒度，检测精度高[23]。激光散射法只适用于检测管道或仪器表面污垢以及污垢颗粒粒度，对于测量管道内壁中的污垢，由于激光难透射的问题，难以检测。另外，激光散射仪测量颗粒粒度时，必须要假设颗粒是球型的，这样会影响测量结果的准确性[24]。

4)图像分析法是利用可以进入管道内部的小型机器人或其他一些图像采集工具，配以合适的光源，对管道内部空间进行拍照，然后利用图像处理和分析方法对拍摄到的图片进行处理分析，识别出管道内部是否有污垢存在[25]。这种检测方法得到的图像直观易读，但是难以把拍照的图像与管道相协调起来，即难以确定管子的中心在污垢分布曲线的那个位置[26]。

5)红外法检测污垢是利用红外测温技术得到管道或设备表面温度的二维分布，然后用反推的方法计算管道内壁温度分布，得出管道内部是否存在污垢，以及存在污垢时污垢层的分布[27]，因为当圆形管道的长度远大于内外径，计算中可以看作无^ 长，此类沿管道长度方向的温度分布可以简化为二维分布。红外检测方法具有无损伤、非接触等优点，在管道污垢检测和故障诊断方面有广泛的应用但红外检测法也有它的局限性，主要表现在:传热理论比较理想化，对组分不单一、待测面积较大、厚度太大的管道，热激励难以进行。

6)同位素法检测管道内部污垢是利用7射线穿过管道前后的强度与管道厚度的关系，检测出射线穿过管道前后的强度及管道材料的性质，就可以计算出射线穿过物质的厚度，从而分析出管内污垢情况射线对管内污垢厚度的响应灵敏，能用于检测管道内的油垢厚度[31]。但同位素检测法也存在一些不足:（1) 7射线对人体有害，所以采取同位素法检测管道污垢时，必须配备7射线防护装置;（2)放射性同位素都具有一定的半衰期，即经过一个半衰期的时间后，放射源的强度便降低为原来的一半，因此同位素检测法不能选择半衰期较短的放射性元素[32] ; (3)同位素法检测污垢厚度会受到管内流体的影响，比如检测输油管道中油垢时会受到油的影响[33]。

7)热阻法是根据管道热阻的变化判断管道内是否有污垢产生的一种检测方法，同时污垢热阻的大小及变化规律也能够反映出管道内污垢的附着程度和性质[34]，热阻法既能检测是否存在污垢，也能测量出污垢热阻大小[35]，但是该方法会有污垢“诱导期”的影响，使热阻值出现负值，而且由于工况复杂，测量管道污垢热阻过程也比较繁琐[36]。另外，在管道壁面恒温条件下，管道内壁结垢过程会使管道内的流体温度和垢层温度降低,从而导致流体与内壁面间对流传热热阻计算不准，所以在该工况下必须对热阻公式进行修正。

8)压力降测量法是根据管道进出口处压降的变化来判断管道内是否有污垢产生的一种管道污垢检测方法。管道中产生污垢时，管道内径将减小，粗糙度增加，管道内沿程阻力和局部阻力将变大，管道进出口压降增大。测量管道进、出口的压差，就可以通过压降的变化来判断污垢的积聚情况[1]。但是，只有当管道内壁摩擦系数（粗糙度）变化不明显而阻塞效应（缩小流通截面）成为压降下降的主要原因时，压降才可以作为污垢检测的依据。

9)谐振频率检测法是根据待测管道谐振频率的大小和变化规律来判断管道内是否有污垢产生的一种污垢检测方法。常用于科氏流量计振动管内的污垢检测。对于管道而言，谐振频率值易检测，因此谐振频率检测污垢法比较简单。但是，由于流体流速对管道谐振频率有影响，为了使检测到的管道谐振频率值更精确，必须降低流速或使流体静止。另外，由于温度、压力等对管道弹性模量有影响，所以

在检测谐振频率时必须保证工况条件不变。

2科氏流量计振动管污垢检测技术现状

目前科氏流量计管道污垢检测方法主要有几种:基于科氏流量计管道谐振频率+激振器驱动率的检测方法;基于科氏流量计管道谐振频率的测方法。

2.1基于CMF管道谐振频率+激振器驱动功g 的检测方法

卡本特路纳1997年在专利CN1166199中提出了一种用于在线检测和校正故障的方法和装置。以科氏流量计测量管的一阶谐振s 率和激振器的驱动功率为科氏质量流量计异常工作状态的标志信息，工作中将标志信息与代表各故障状态的阈值进行比较，当检测到异常工作状态时，提供输出信号并通知工作人员让科氏流量计暂停工作，对故障进行校正。这种方法主要应用于科氏流量计测量管裂缝故障检测。但是当科氏流量计测量管处于多种故障状态（比如科氏流量计测量管同时存在内壁附着、磨损和裂纹），各种异常工作状态造成的测量管驱动功率和一阶固有谐振频率变化相同时，很难区分是那种故障状态或那几种工作状态影响流体质量流量、密度以及黏度测量精度[39]。

2.2基于CMF管道谐振频率的检测方法

CN101819056中提出了一种检测科氏流量计振动管管壁附加物、磨损或腐蚀的方法和装置。通过周斯性地使测量管内流体静止，测得测量管的三阶频率然后以科氏流量计测量管的三阶频率与阈值的关系和变化规律为依据，判断科氏流量计测量管内是否有污垢或腐蚀产生。实验研究表明，在工况不变，流体密度值恒定时,使用该方法和装置能够较好地检测科氏流量计管道内是否有污垢或腐蚀。但是该方法要事先预定科氏流量计测量管的三阶固有频率择值，所以只能检测密度值已知且恒定不变的流体为了避免流体流速对三阶固有频率的影响，该方采用流体静止状态下解算测量管三阶固有频率[4°] 陈智威使用ANSYS有限元软件，以西安东风# 电有限公司的ZLJC7型科氏流量计为研究对象j 析了测量管内流体压力和流速分布情况，确定了容易出现污垢和磨损的位置，建立了ZUC7型科氏流量计故障模型。仿真分析了管道内污垢和磨# 对测量管谐振频率的影响，研究表明：对于型科氏质量流量计而言，测量管内有污垢产生并風污垢质量不超过0.003 kg时，随着污垢质量的增加，测量管的一阶i皆振频率单调线性递减，密度测量值单调线性增加。测量管内有磨损并且磨损质量不超过0.003 kg时，随着磨损程度的增加测量管的一阶谐振频率值单调非线性增加，密度测量值单调线性减小[41]。但只是仅仅针对ZLJC7型科氏流量计，通过仿真定性地分析了污垢对测量管一阶谐振频率及密度测量值的影响，没有给出污垢或磨损的质量及位置与测量管谐振频率的定量关系式。

任建新、熊売、张鹏等针对科氏流量计测量管内污垢附着对科氏流量计的离线标定，质量流量、压力变送器以及黏度测量的影响等问题，仍以ZLJC7型科氏流量计为研究对象，仿真分析表明，科氏质量流量计，测量管内污垢严重影响流量计振动管的谐振频率，以及质量流量、密度测量的精度。最后利用科氏流量计测量管的谐振频率和系统的驱动功率随着科氏流量计测量管管道内壁污垢质过增大而变化的规律，研究出了一种基于信号特征的科氏流M计管道污垢检测方法，可以提高科氏流量计质显流量、密度以及黏度的测量精度[42]。但只是仅仅针对ZIJC7 型科氏流量计通过仿真定性地分析了污垢对测过管一阶谐振频率及密度测量值的影响，没有给出测世管内污垢质量及附着位置与科氏流量计测量管一阶谐振频率之间的定量关系式。另外也没有考虑流体流速对科氏流童计测量管谐振频率的影响。

许萍、李著信、蒋忠针对流体流速对流体输送管道谐振频率的影响问题，用有限元法推导了流体管道固液耦合振动方程，计算出了流体管道的一阶固有频率及临界流速，并研究了液体流速、流体压力变化对流体管道一阶固有频率的影响。仿真结果表明:流体压力不大时对管道一阶固有频率的影响可以忽略，流体输送管道的一阶固有频率随流体流速的增大而降低，说明流体流速对管道一阶固有频率的影响不可忽略。但研究结果没有给出流体流速对管道固有频率影响的定量关系式⑷]。佟明君，赵树山，王世忠针对流体流速对流体输送管道谐振频率的影响问题，用有限元法推导了流体管道固液耦合振动方程，用QR法计算出了管道前四阶固有频率。仿真结果表明:流体流速对管道一阶固有频率的影响不可忽略，当改变边界条件时，管道的临界速度随支撑刚度的增大而增大，但研究结果没有给出流体流速对管道固有频率影响的定量关系式，也未考虑管道弯曲时的剪切作用，其分析结果在理论上是偏大的。谭剑、任建新、张鹏基于Hamilton原理，使用有限元法推导了考虑剪切变形的直管科氏流量计的固液耦合振动方程，利用ANSYS有限元软件的自定义单元实现了不同约束条件的直管流盤计测量管的固有频率及临界流速的分析，并讨论了两种不同液体对管道固有频率的影响。ANSYS仿真结果表明:流体流速对科氏流量计测量管有影响，当科氏流量计测量管内液体流速增大时，测量管的一阶固有频率减小，当流速增大至临界流速时，测量管频率减小至0,测量管失去稳定性。说明在直管科氏流量计中，流体流速对科氏流量计密度测量有影响。因此为了提高科氏流量计密度测量精度，应尽量减小流体流速或者加入适当的修正量来修正所测得的流体密度。但是文中只通过仿真结果做了定性分析，并未给出流体密度的流速修正式[45]。

3结论

科氏质流量计管道污垢的广泛存在，给流体质址流址密度等测量带来了不良影响。目前科氏流量计管道污垢检测技术存在许多不足，该文提出以下几个值得关注的发展前景以供参考：

1)对管道流量计管道污垢形成机制的深入研究，提供更多更确切的可测性强的定性或定量描述参数，是开展的理论研究方向；

2)研究科氏流量计管道内存在污垢时对流体质量流量、密度以及压力变送器谐振频率的影响，为科氏流量计的检测奠定理论基础。另外，研究流体流速、密度对科氏流量计管道谐振频率的影响，以便在流体正常流动时能够对管道谐振频率进行检测；

3)研究更为精确的科氏流量计管道污垢检测及校正算法,提高检测精确度；

4)利用计算机应用技术和传感器技术的相关成果，提高科氏流量计管道污垢检测技术的自动化程度。

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