便携式超声波流量计在油田的应用分析

方咏梅王华杰

吐哈油田 技术监测中心 （新疆 鄯善 838202）

便携式超声波流量计在油田的应用分析

方咏梅1王华杰2

吐哈油田 技术监测中心 （新疆 鄯善 838202）

便携式超声波流量计具有安装快捷、使用灵活的特点，但在使用时必须掌握准确方法。通过多年对现场操作经验的总结，发现使用便携式超声波流量计易忽视的问题，分析产生该问题的原因并提出了解决问题的办法。

便携式超声波流量计 测量误差 换能器

由于超声波流量计的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，又可制成非接触及便携式测量仪表，故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。另外，鉴于非接触测量特点，再配以合理的电子线路，一台超声波流量计可适应多种管径测量和多种流量范围测量，因此，其适应能力是其它仪表不可比拟的[1]。

使用便携式超声波流量计时容易忽视的问题

目前在油田的许多单位都使用便携式超声波流量计，其用途就是作为“标准表”进行核查使用，即用来比对和测试在线流量计的准确性，或单井配量注水时使用。但在实际使用中，不少用户由于对便携式超声波流量计的使用要点掌握不好，测量效果不够理想，因而对便携式超声波流量计产生质疑。怎样才能准确使用便携式超声波流量计，使之能更好的服务于油田计量是计量工作人员需研究探讨的课题。通过多年对便携式超声波流量计检定结论进行统计发现：便携式超声波流量计的技术指标与其它速度式流量计基本相同，而且当流速足够大时其线性还优于其它流量计。那么为什么在实际使用时会出现便携式超声波流量计测量不准的问题呢？通过对FLD120系列便携式超声波流量计在探头安装、误差及管道材质等方面进行分析总结，发现用户在使用便携式超声波流量计时容易忽视以下几个重要问题。

1 输入管道参数不准确造成的误差

便携式超声波流量计探头在管道外部安装，它直接测量的是管道内流体的流速，流量是流速与管道流通面积的乘积，而其管道面积和换能器安装的距离都是使用者根据不同测量点的参数人工输入流量计后计算出来的，这些参数的准确与否直接影响到测量结果。也就是说：如果输入了一组不准确的管道参数，会直接造成测量结果的不准确，实验如下。

（1）输入管径误差与测量结果的关系

实验时用一台型号为FLD120 Y1-A的便携式超声波流量计，先安装在管道的标准位置通过检定合格后，在管道固定不变的情况下依次输入不同误差的管径再与标准表相比较。依照上述操作依次安装在四种不同的管径后其结果与标准表相比较，实验结果见表1。

从实验中可以得出：测量结果误差大约是输入的管径设置误差的2倍，这与误差传递理论一致：

以上：Q为流体流量，

D为管径，

σQ为流量误差，

σD为管径误差。

管道内径输入不准确所引起的误差对在小管径上使用便携式超声波流量计进行流量测量时更是不容忽视。例如：内径测量的绝对误差同样是1mm，对DN1000管线来说其内径相对误差为0.1%，而对DN100管线来说其内径相对误差为1.0%。而流量是与内径的平方成正比的，同样是1mm的内径测量误差对 DN1000管线所带来的流量测量误差仅有0.3%左右，而对于DN100管线所带来的流量测量误差却有3%左右，可见便携式超声波流量计使用管线口径越大测量越准确，管线口径越小，测量越难把握。所以便携式超声波流量计适用于大口径管线上的测量。

表1 输入口径误差引入的测量误差（%）

（2）管壁厚度误差与测量误差的关系

实验时用一台型号为FLD120Y1-A的便携式超声波流量计，先安装在管道的标准位置通过检定合格后，首先在安装位置固定不变的情况下改变输入壁厚参数得出结果与标准表相比较。然后按照上述操作依次在四种不同口径的管线上测得结果与标准表相比较，实验结果见表2。

从实验数据可以看出，管壁厚度输入越大其测得误差越大。所以，管壁参数输入对测量结果有直接影响。

因此，管道参数的获取最好是用实际测量的方法，一般用厚度测量仪进行确认。因为实际的施工情况往往和设计的参数有出入，使用一段时间的管壁厚度也会由于腐蚀等原因发生变化。

（3）管道材质及内衬对测量的影响

被测管道材质及内衬输入有误时，也会造成换能器安装距离的计算错误，使超声波的入射角产生误差，测量精度降低严重时将不能测量。实验证明，管道内衬对测量的影响主要是它造成了实际管径的变化。安装了内衬的管道使过水截面积减少，通过流速换算的流量相应偏小，测量误差与管道截面积变化成正比。如内衬过厚而设置时被忽略或与管壁有间隙时则一般发生探测或信号错误，因此测量时应根据实际准确输入内衬材质及厚度。实际应用中，遇到管内壁结垢相对均匀、信号基本正常时，可对内衬做一定补偿，以减少测量误差。管道材质及内衬对测量的影响反映在声波在各种介质中传播速度的差异上，若材质的设置声速大于实际的声速，则测量结果偏大，反之则偏小。

2 流量计安装及使用条件的要求

表2 输入壁厚误差引入的测量误差 单位（mm）

（1）安装在直管段不同位置与标准表比较的相对误差

便携式超声波流量计换能器安装一般要求流量计上、下游分别有10倍和5倍以上管径的直管段，以确保被测介质的流态满足仪表精度要求。实际使用时经常不能找到满足要求的安装位置，使得流场不稳定。

实验时用两台型号为FLD120Y1-A的便携式超声波流量计，先后安装在标准位置检定合格后，再把两台流量计先后安装在非标准位置，其测得数据与标准表作比对，其实验结果见表3、表4。

结果表明：下游直管段安装距离比上游直管段影响小，上游有3倍以上管径的直管段时可基本满足要求。当上游直管段不够（紊流严重），如在弯头、阀门、泵、阀之后装表时，一般表现为正误差。不少用户受仪表测量空间的限制，在不能满足安装要求的位置测量，由此造成了测量误差的加大，因此在安装距离较小的地方应首先确保上游的安装距离。

表3 安装位置不同引入的测量误差（%）(编号:Q6L5168T)

表4 安装位置不同引入的测量误差（%）（编号:Q3A2254T）

（2）钢管V法安装换能器间距偏差与测量误差的关系

实验时用一台型号为 FLD120Y1-A编号为Q3A2254T的便携式超声波流量计，安装在管道的标准位置通过检定合格后，移动换能器间距与标准表作比对。按照上述操作依次安装在不同口径管道的位置上进行实验，结果见表5。

实验表明：换能器间距的定位错误造成的误差，直接影响测量结果，严重时信号太弱或找不到信号。换能器径向错位一般对测量结果影响甚微，但会关系信号强弱。安装时要求声束穿过管道中心，否则会由于声波发射与接收角度不符使信号严重衰减，直至不能测量。

便携式超声波流量计的影响及检定

1 安装环境、耦合剂、信号电缆对测量的影响

便携式超声波流量计大都采用多脉冲、宽频带信号，具有一定抗电磁干扰能力，但在安装现场存在高频，特别是变频干扰源时不能完全正常工作。换能器信号电缆不易过长，且应使用特定阻抗的同轴电缆，专用端头，中间不能有接头。超声耦合剂尽量使用导声性能好、不易混入气体的粘性物质，如水玻璃、凡士林等。

2 没有正确对超声波流量计进行检定

表5 换能器间距偏差引入的测量误差（%）

任何流量计使用前都需要进行检定或校准，便携式超声波流量计在这一点尤为重要。因为便携式超声波流量计一般配置多组换能器，分别适用于不同的管径范围，每组换能器与主机的搭配按理论都是一套独立的流量计。因此，如果只在小管径的流量标准装置上用小换能器对便携式超声波流量计进行检定或校准，那么在使用时如果用大换能器测量流量，就等于是使用未经检定或校准的流量计，其计量准确性是无法保证的。正确的方法是以用户自己的使用情况为参考依据，尽可能在与使用管道口径相同或接近的流量标准装置上对便携式超声波流量计进行多条管道的检定或校准。至少要保证流量计配置的每组换能器都要进行检定。流量计检定或校准证书上都会给出几组换能器的仪表修正系数。在使用流量计时，要保证正确输入对应换能器的仪表修正系数。

便携式超声波流量计的缺点和局限性

（1）传播时间法的便携式超声波流量计只能用于清洁液体和气体。

（2）外夹装换能器的超声波流量计不能用于衬里或结垢太厚的管道，不能用于局部有凹陷或凸出物的管道，以及不能用于管壁锈蚀严重的管道。

（3）目前国内生产现有超声波流量计不能用于管径小于DN25mm的管道。

（4）国内对超声波流量计的研究制造还在初级阶段，其价格也相对较高。

流量计量是企业生产过程中重要的参数，特别是在油田节能节水等环保方面得到了越来越多的应用。便携式超声波流量计是一种新型的流量仪表，它的方便性和经济性是其它流量计无法比拟的。但该类仪表所产生的很多随机误差还要继续研究与探讨。如现场环境、电源频率的变化、管内壁结垢、管内夹带气泡等都会使测量误差值发生一定的变化。所以继续从实践中总结准确的测量方法是用好便携式超声波流量计发挥其有效作用的长期性任务。

[1]苏彦勋主编.流量计量[M].北京：中国计量出版社.1991.

The portable ultrasonic flow meter is installed rapidly,can be used flexibly.But it is necessary to master the accurate method in use.Based on the summary of field operation experiences in many years,some problems easy to be neglected in the use of meters have been found out.Then the causes of these problems have been analyzed,followed by the proposal of concrete solutions to these problems.

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方咏梅(1972-),女，助理工程师，主要从事流量仪表检定工作。

2009-12-07