浅谈影响双向球体积管水标定结果的因素

于瑞钢

(中海油石化工程有限公司,山东 青岛 266061)

目前在我国石油、石化企业使用的体积管大致有以下4种：国外进口的活塞式体积管(主要是活动式)、球式双向体积管(分固定式和活动式)，国内单球无阀体积管(固定式)、双向体积管(活动式)。在石油贸易交接中，对外输计量系统的流量计的精度要求非常严格，而作为保证流量计精度的体积管的精度要求更加严格。按照JJG 209 -2010 《 体积管检定规程 》[1]要求体积管的重复性应优于0. 02 %，对于后续检定体积管应进行复现性检定，复现性应优于0. 05%。所以在生产、制造体积管和水标系统的时候，应尽量避免造成重复性超差的各种因素；在标定的过程中应尽可能保持操作的重复性。

1 双向球体积管的简要概述

双向球体积管主要结构包括标准段、收发球筒、四通阀和进出口管汇。置换器在体积管内作往返运行，并且以置换器在标准容积段内所置换出来的液体体积，换算到标准状态下，作为体积管的标准容积值。标定体积管应具有充足的标准容积，确保流量计检定时体积管单项行程计数器至少收集到流量计产生的 10000 多个脉冲。 脉冲计数器的不确定度为±1 个脉冲，应保证体积管单项行程计数器误差小于 0.01%。

1.压力检测仪表；2.温度检测仪表；3.排气阀；4.快开盲板；5.检测开关Ⅰ；6.标准容积段；7.脉冲计数器或计算机控制系统；8.检测开关Ⅱ；9.排液阀；10.置换器；11.被检流量计；12.四通换向阀；13.双关断阀；14.信号电缆

图1 双向型体积管

2 水标定准备及调试工作

2.1 水标定前的准备工作

(1)水标撬、体积管撬的密封性实验完成。注意：水标撬和体积管撬应分开做实验。在做实验时，如有密度计撬，应将密度计撬泵的出入口盲死，密度计撬不参与密封实验。

(2)如使用标定水池作为标定用水的储存方式，应在标定前彻底清理水池。

(3)保证洁净水源的供应，能够随时向标定池中注水。另外，清洗标定池后的脏水应能够马上排出。

(4)水标撬、体积管撬到控制室的接线已完成。

(5)现场四通阀、水标泵的供电线已接入，可随时供电。

(6)体积管操作平台完成，需满足放空阀操作和投球工作，以及仪表数据读取的需要。

2.2 现场调试工作

(1)现场设备到控制室的线路检查(校线)。其中涉及的现场设备及仪表有：体积管出入口温度和压力变送器、四通阀、电磁阀、检测开关、差压开关。

(2)水标泵、四通阀通电测试。其中包括水标泵点动测试及四通阀完整换向测试，初步确认四通阀的限位和力矩。

(3)完成标定系统上位机的安装和接线。

(4)对控制柜上电，检查现场仪表工作是否工作正常，并核对现场显示与上位机显示。对差压开关、检测开关、阀位反馈信号模拟和实际测试。对四通阀和电磁阀进行测试。

(5)将体积管出入口的用盲板盲死。

(6)标定池中注满清水，打通水标流程，对体积管和水标撬进行清洗。

(7)系统清洗干净后，应将池中的污水排出，清洗水池并重新注满水池，要求水中不能有肉眼可见杂质。

(8)开启水标泵，对标定系统注水，循环。

(9)标定球充液，并投入体积管。充球介质一般可以使用纯净水，当环境温度过低时，为防止球内介质结冰，需使用防冻液或使用浓度为50%的乙二醇溶液作为充球介质。

(10)水标试标。

3 标定数据分析处理

3.1 体积管标准容积值及重复性的计算

( 1) 体积管标准容积值的计算，需要将测得的水的体积换算到标准状态下的体积。

容积法检定容积的温度、压力换算公式的计算：

式中：Vps——体积管在标准状态下的容积值，L；

Vs——标准器指示值，L；

βp——标准量器材质、体积管材质的体膨胀系数，1/℃；

βw——水的膨胀系数，1/℃；

ts,tp——标准量器和体积管的壁温(用量器内和体积管内测得的水温代替)，1/℃；

Pp——体积管内液体的表压力，Pa；

D——体积管标准容积段的内径，m；

E——体积管材质的弹性模量，Pa；

t——体积管标准容积段的壁厚，m；

Fw——水的压缩系数，1/ Pa。

3.2 重复性计算

( 1)标准偏差:

(2)

(2)重复性:

(3)

式中：tp(ν)——t分布系数；

ν——自由度， ν=n-1。

3.3 体积管的复现性

体积管的复现性按下式计算：

(4)

式中： S——体积管的复现性；

V0——上一检定周期体积管的标准容积值，该值由检定证书中获取。

公式(1)对标准量器、体积管和水由于温度变化而引起的体积变化都做了相应修正，理论上可以把检定结果修正到标况(1个标准大气压下，20℃)体积，温度变化基本不影响标定结果，而在实际的标定过程中完全不是这样。主要原因是水的膨胀系数是随温度变化而变化的，如果在标定过程中温度变化较大(超过1℃)，直接导致标准偏差 数值有较大的变化，以及体积管的重复性 超差(即超过 )。通过大量的实验和研究，经分析得出温度是影响体积管标定结果主要因素之一。具体实验数据见表1、表2、表3，计算结果见表4。

表1 双向体积管水标定数据第一组

表2 双向体积管水标定数据第二组

表3 双向体积管水标定数据第三组

表4 重复性计算

在实际操作的过程中，除了温度之外，影响标定结果的因素还有操作的重复性、系统存气等。

4 问题的解决办法

4.1 降低温度的影响

如果无法通过计算完全修正消除温度变化对体积管检定结果的影响，就应该在实际的工作中采取相应的措施，保证检定时系统温度相对稳定，减小因温度变化而带来的影响。我们在实际工作中总结出，在体积管的检定过程中可以通过下列方法，使温度对其检定结果的影响降到最小程度。

(1)在正式进行水标定之前，需对整个系统(包括体积管和水标系统)进行一段时间的水循环，以确保整个系统水温达到稳定。特别指出的是，循环的过程中标准容器内也应存水，目的是尽可能降低外界环境对标准容器壁温的影响，并可达到提前润罐的作用。在此过程中记录下各个动作的所需时间，以确保在正式标定时每个动作的无缝衔接并保证每项操作的高重复性。

(2)因为体积管的检定最终结果是在标况下的体积值，所以一般应选择气温与20℃比较接近、且外界气温变化小的春秋季节检定体积管为最好。JJG 209 -2010 《 体积管检定规程 》中规定的标定环境温度为(5～35)℃，超出这个温度范围直接放弃标定。

(3)如果系统的一部分在室外，需搭建起临时工棚，以防止太阳直射带来的温度变化过快的影响，并能起到防风防尘的作用。或者尽可能地选择在阴天或晚上进行标定。

4.2 降低其他因素的影响

在实际操作的过程中，除了温度之外，影响标定结果的因素还有操作的重复性、水中的杂质、气泡，各个阀门的密封性能等。

(1)水标定过程一般需要3～4人，要做好严格的分工，每个人都要清楚自己的职责，并对每项操作都必须熟练，以保证操作的重复性。

(2)清理水池内杂物、尘土后再放水，确保水池灌水后池内水质澄清，不能有肉眼可见的杂质，否则可能出现在标定过程中阀门密封性不严而造成的标定失败，特别是电磁阀由于口径小，很容易因为杂质而卡住。

(3)体积管的收发球筒，体积管管汇上的温度、压力仪表的管嘴处都是气泡容易聚集的地方。体积管收发球筒处一般都有排气装置，标定时应每个循环结束后都需要打开排气阀排气。关键要看管汇上的压力、温度仪表的管嘴，管嘴的内径不能太大，太大的话很容易聚集气泡，并且水的流动不能将这些气泡带走。所以要尽可能减小这些管嘴的内径，实在没办法减小的话需增加排气装置，定期进行排气。

(4)充球时，标定球外径应保证相对于体积管内径2%～4%的过盈量。过盈量太小无法在球与管壁之间形成有效的密封带；而过盈量过大则容易造成球的过度磨损，而且管线压降也会因此变大而不利于密封。

(5)为确保标定球在体积管内运行顺畅，可在投入标定球之前，在标定球上抹上少量黄油。同理，检测开关的触发探头也可以做同样的处理。

(6)注意标定次数过多后对系统状态的影响。其中，必须保证手动阀门质量，以确保多次开关后，不会存在泄露情况。

(7)当系统内有使用软质管线时，应确保在整个标定过程中，管线状态不变。

5 结论

综上所述，体积管在设计、制造和标定的过程中都应该？。设计院设计时要考虑这个系统的合理布局，尤其针对受环境影响较大的水标定系统，尽可能布置在室内。如果室内不具备布置的条件也可以布置在室外，但需要增加临时的防护设施，例如临时板房或帐篷。体积管在设计制造的过程中不仅需要考虑内壁的防腐等这样的关键性问题，排气的问题也是必须考虑的。制造过程中必须做到每道焊口都要严格检查，管道组装前要进行焊口探伤试验，组装后要进行耐压试验和气密性试验。设备上的每一个阀门必须做耐压试验。

[1] 全国流量容量计量技术委员会.JJG 209 -2010 体积管检定规程[S] .北京： 中国计量出版社，2010.