原油贸易交接计量中被动活塞式体积管的可靠性分析

中国石油国际勘探开发有限公司

在原油贸易交接计量中，动态计量因其较高的准确性和灵活性而被广泛采用。动态计量系统一般由流量计、体积管和二等标准金属量器组成，各设备系统逐级向上溯源，即流量计溯源至体积管，体积管溯源至二等标准金属量器，二等标准金属量器溯源至流量标准装置[1]。

通常情况下，流量计除进行周期检定[2]外，还会根据贸易相关方之间的约定做定期自检，体积管一般只做正式的周期检定，周期之内则不会约定自检。所以，依据体积管的可靠性为其制定合理的检定周期以及周期内的维护方案，是实现计量设备完好[3]和整个交接计量过程可靠的重要基础工作之一。

1 体积管的类型

体积管的首次应用出现于20 世纪50 年代，经过多次改进，目前体积管技术已经比较成熟[4]。根据体积管内置换器的形式和运动方式差异，国内文献将其分为四类[5]，即单向球式体积管、双向球式体积管、主动活塞式体积管和被动活塞式体积管。其中，主动活塞式体积管由电动机驱动活塞，活塞的运动推动流体运动，活塞的运动是主动的；被动活塞式体积管自身不带活塞驱动系统，而是由流经体积管的流体推动活塞运动，流体的流速决定活塞的运动速度，活塞的运动是被动的[6]。API 中体积管分为五类[7]，即带自由置换器的单向体积管、带自由置换器的双向体积管、带被动式置换器的体积管、多标准体积的体积管（有2～4个检测开关）和常压罐式体积管（Atmospheric Tank Prover），其中前四类与国内的四类基本相同，只是分类依据略有不同，第五类在国内未提及。

2 被动活塞式体积管的可靠性管理

不同类型体积管在设备结构和工作原理上具有相似性，所以其可靠性管理要素基本相同，包括体积管本体及其附属设施、流经体积管的介质和检定时的操作条件[8-9]等，本文主要研究体积管本体的可靠性管理。

根据相关规定与运行经验，被动活塞式体积管可靠性管理的主要参数包括：

（1）设备密封性。国内相关规范要求活塞移动前检查体积管各连接处（换向机构、旁通阀和一次温度/压力表等）的密封性[5]，API 要求在活塞移动前和移动中均需检查设备密封性[10]，即活塞移动前，除检查国内相关规范中提到的各连接处的密封性外，还应检查活塞的密封完整性。

（2）重复性和复现性[11]。国内相关规范对重复性和复现性的要求随着计量工作的深入开展而逐步明确，上世纪90年代中期只要求重复性优于0.02%而未对复现性作要求，在现行规定中[5]则要求重复性优于0.02%且复现性优于0.05%。国外现行规定推荐重复性优于0.02%[10，12]且复现性优于0.05%或0.02%，若按照重复性优于0.02%且复现性优于0.02%执行，则会增加一些不必要的检定工作，因此按照重复性优于0.02%且复现性优于0.05%执行是相对合理的[7]。

（3）检定周期。检定周期取决于复现性和体积管维修情况。国内相关规范推荐两种周期，对于首次检定、后续检定中复现性不合格或进行过改变体积管标准容积的维修的体积管，检定周期为1 年，其他情况下则为3 年。API 推荐三种周期，要求复现性优于0.02%或进行过改变标准容积的维修的体积管，检定周期为1 年，要求复现性优于0.05%且未进行过改变标准容积的维修的体积管，检定周期为5年，或可根据前后两次标准容积的变化速度确定下一次检定时间。

3 体积管可靠性管理方案的制定

以非洲某原油管道计量站（M站）的被动活塞式体积管运行为例，在做好体积管日常维护保养[13]基础上，通过分析可靠性管理参数在实践中的应用，探索建立被动活塞式体积管可靠性管理方案。

该原油管道是由中方企业与当地政府合资建设，双方在项目启动之初即签署了管道合同作为该项目管理依据。合同规定该管道设计、施工、维护和运行应符合目前普遍采用的国际管道和工程惯例与标准，所以M站计量系统在检定过程中采用API标准。

M站计量系统包括2台Smith刮板流量计、1台FMD 被动活塞式体积管、1 具Lonetti & Associates标准金属罐和1套上位机控制系统。该站于2012年投用，体积管检定周期为半年，体积管的活塞密封圈为弹簧蓄能密封圈，密封唇口材质为增强聚四氟乙烯，内有不锈钢蓄能弹簧。

3.1 完善体积管设备密封性检查措施

密封性检查可分为活塞移动前检查和移动中检查，根据相关规范的密封性检查方法，又可分为可视类检查（即可通过目视直接观察发现）和不可视类检查（即需要通过获取其他参数间接观察发现），本文重点讨论后者。被动活塞式体积管在活塞移动前的检查称为静态泄漏测试，活塞移动中的检查称为动态泄漏测试。

3.1.1 泄漏测试

（1）静态泄漏测试方法和测试结果判断。根据被动活塞式体积管工作原理，当活塞移动至体积管中间位置时，体积管内液体在活塞上下游会制造一定的压差，在确认可视类检查完好情况下，如果在规定时间内压差或活塞位移变化满足相关要求，则说明活塞密封性良好，否则就存在泄漏。

不同厂家生产的体积管的静态泄漏测试方法基本相同，但判断标准略有不同，下面以三个厂家生产的体积管加以说明。FMD 要求在活塞上下游压差达到5 lb/in2（34.47 kPa）后，稳压观察10 min，如压差变化和活塞位移变化均为零，说明活塞密封性完好，如其中任何一项变化不为零且已排除其他所有泄漏情况，则说明活塞存在泄漏，需要更换新的密封圈[14]。Daniel 要求在活塞一侧施加其规定的压力并稳压观察5 min，如果活塞位移大于0.102 mm且已排除其他所有泄漏情况，则说明活塞存在泄漏，需要更换新的密封圈[15]。Honeywell要求在活塞上下游压差达到6 lb/in2（41.37 kPa）并稳压观察至少5 min，在已排除其他所有泄漏情况的前提下，根据泄漏量和其推荐的密封圈更换建议（图1）决定更换密封圈的时间[16]。

图1 Honeywell被动活塞式体积管密封圈更换建议Fig.1 Recommendation for seal change of Honeywell passive piston volume tube

（2）动态泄漏测试的方法和测试结果判断。被动活塞式体积管在检定过程中，应用相同的现场标准去判断相同活塞运动速度下的检定结果时，不易发现由活塞连续性泄漏可能导致的检定错误。可以增加一组检定，该组检定的活塞运动速度与正式检定时相比应增加或降低至少25%，比较两组检定所得的标准容积，若差值不超过0.02%，则说明密封性良好，否则就存在泄漏。当然，这两组检定各自的重复性都不应大于0.02%[10]。

3.1.2 泄漏测试的现场应用

M站每半年邀请第三方正式检定，每次检定时均进行了动态泄漏测试，静态泄漏测试则因缺少测试工具一直未进行，检定记录见表1，该体积管自投用以来未进行过影响标准容积的维修以及活塞密封圈的更换。

2017年1月，重复性和动态泄漏测试均满足要求，但复现性不满足要求（要求优于0.02%）。M站即开始采购静态泄漏测试工具和密封圈及其他备件，至2018年1月工具和备件到场后再次检定，检定前进行了静态/动态泄漏测试。测试过程中，压差在规定时间内从5 lb/in2降至3.6 lb/in2（24.82 kPa）（要求压降为零），活塞位移1.122 mm（要求位移为零），静态泄漏测试不合格，复现性不合格（约为限值的10 倍），动态泄漏测试和重复性符合要求。更换密封圈等备件后，顺利通过静态/动态泄漏测试，检定结果符合要求。

3.1.3 泄漏测试与可靠性的关系

综上所述，对于同一组检定结果，即使动态泄漏测试和重复性符合要求，也无法确保体积管的可靠性。如图2、图3所示。

图2 动态泄漏测试与复现性Fig.2 Dynamic leak test and reproducibility

图3 不同流速下的重复性Fig.3 Reliability with different flowrate

由图2、图3可知：

（1）动态泄漏测试只是确保体积管可靠的其中一项指标，不能完全反映体积管的状态。第12、13 次检定时，动态泄漏测试结果合格且仅为限值的5%和30%，对应的复现性已达到限值的近4 倍和10 倍，检定结果不符合要求。所以需要增加监测措施（如静态泄漏测试），以更全面地了解活塞的密封状态。

（2）在活塞密封圈与体积管内壁完成磨合并进入稳定期后，应启动活塞的预防性维修。动态泄漏测试与复现性的变化趋势相似且可分为三个阶段：第1～6次检定为第一阶段，该阶段内密封圈和体积管内壁处于磨合期，密封效果不稳定；第7～9次检定为第二阶段，经过前期的磨合，此时密封效果处于稳定状态；第10～13次检定为第三阶段，经多次往复运动，密封圈磨损且密封圈材料逐渐老化，密封效果降低，动态泄漏测试和复现性波动较大。当复现性超过0.02%后，仅经过半年，复现性就超过限值，说明密封圈材料老化后密封圈变形加快，泄漏量增大，检定结果不稳定。所以应在发现复现性进入第二阶段后即着手采购密封圈等备件，待后续检定过程中发现检定结果不符合要求时立即维修。

（3）动态泄漏测试时，低流速的重复性大于检定流速的重复性，选定低流速作为对照流速是可行的。改变流速，实际是改变了作用在活塞上的液体压力和活塞运动时间，二者同时影响活塞的泄漏量，随着密封圈工作时间逐渐变长，二者的主次地位发生变化。在第1～11 次检定中，因密封圈材质较硬，液体压力为次要因素，运动时间为主要因素，此时低流速下活塞运动时间较检定流速时长，泄漏量相对较大，表现为重复性相对较大；在第12、13 次检定中，因密封圈材质变软，密封效果变差，液体压力成为主要因素，运动时间成为次要因素，此时低流速下液体压力较检定流速时小，所以泄漏量相对较小，表现为重复性相对较小。

3.2 优化检定周期

合理的检定周期不仅能保证体积管处于有效的工作状态，而且可以节约运行管理费用。

通常情况下，贸易相关方会在计量开始阶段约定检定周期并照此执行，直至在过程中发现问题才会更新。国内体积管检定周期一般为3 年[4]，但已有文献指出此规定无法确保体积管在周期内的准确性，建议根据现场应用情况的调研结果调整检定周期[17]。规定检定周期是为了在确保体积管符合计量要求的前提下降低运行管理费用，因此每台体积管可以根据自身检定结果的变化规律制定合理的检定周期，也可根据现场体积管数量和使用条件开展期间核查[18]。

M站体积管检定周期为半年，在计入活塞磨损对密封状态影响前提下，根据已有数据计算不同检定周期的复现性，计算结果见表2。

由表2可知：

（1）复现性的变化量不具备传递性，而是随机的。由复现性计算方法可知，每次检定都允许标准容积有一定变化，只要变化量在限值内即可。将检定周期为半年的复现性称复现性A，其它不同检定周期的复现性称复现性B，在第2～9 次检定时，复现性A并未较复现性B持续增大，说明复现性的变化量并未随着检定次数的增加而传递，第11 次检定时，复现性A和B均波动较大，第12、13次检定时，复现性A 和B 均超出限值，复现性A 和B 的变化趋势基本相同。

（2）对于未进行过可能改变标准容积的维修的体积管，其检定周期定为5年是可以接受的。复现性A表明在该体积管前5年的运行中表现稳定，复现性B中检定周期为5年时的复现性也符合限值要求，因此，可以将该体积管的检定周期定为5年。

表2 M站被动活塞式体积管不同检定周期的复现性Tab.2 Reproducibility of passive piston volume with different calibration period at M Station

（3）活塞密封圈的性能变化是影响检定周期的关键因素之一。在密封圈材质老化之前，体积管检定结果稳定且符合要求，在密封圈材质老化之后，检定结果波动较大且超出限值，可根据活塞密封圈在当前工作环境下的性能变化周期制定合理的体积管检定周期。

综上所述，M站体积管检定周期可适当延长但不宜超过5年。为确保其可靠性，该体积管首次检定后可经3年再进行第二次检定，随后每年检定一次。更换新密封圈后，检定周期可参考上一个密封圈工作时的检定周期。当然，如期间发生过改变体积管标准容积的维护则应及时检定。

4 结论和建议

（1）被动活塞式体积管在检定前，除进行可视类密封性检查之外，还应进行不可视类密封性检查，即进行活塞密封性的静态/动态泄漏测试，测试方法和结果评价可参考API和体积管生产厂家手册。建议动态泄漏测试时采用低流速（较检定流速低25%）作为对照流速，因为活塞在低流速下运行时需要比高流速（较检定流速高25%）下运行时更完整的密封性才能确保检定结果符合要求[19]。

（2）检定周期可根据复现性优化，复现性又与活塞密封圈的性能变化周期相关。当复现性变化进入相对稳定状态时，应启动活塞预防性维修流程。活塞密封圈性能的变化周期与其工作次数和计量介质中硬质颗粒含量[20]等相关，将来可从引起密封圈材料化学变化进而影响其工作状态的角度分析优化检定周期的措施。

（3）被动活塞式体积管因体积小、流量范围宽和安装操作便捷等特点而得到广泛应用[21]，但不宜应用在某些受国际制裁的非洲国家。因体积管属精密仪器，其维修需由厂家人员到现场完成，但此类技术服务在受国际制裁的国家不易获得，所以，维护相对简单的球式体积管可作为首选。