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外夹式超声波流量计产品特点及其在石油输送管线上的应用
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本文概述：
石油行业的管道运输中涉及到的流量计类型有很多种，质量流量计、电磁流量计，超声波流量计都是在生产中使用相当普遍的，通过流量计的测量，生产工作人员可以实时地监测到管道内石油的输送状况，通过对于管道内石油流速数据的监测和分析，不仅可以及时判断输油管道是否出现漏点和漏点的位置，减少输油管道泄漏时造成的经济损失。更为重要的是能够及时地了解石油在各站间的流速，为管道油品监测模拟仿真及混油量的计算提供基础数据。
本文则是对于石油管道中使用的超声波流量计作一个重点的阐述，内容涉及到了超声波流量计发展、分类及在输油管线上的应用、外夹式超声波流量计的检测原理以及适宜石油输送超声波流量计不同型号的选择，同时也对于几种外夹式超声波流量计的安装方法作简单介绍。
一、测量石油输送流量的仪表种类
当今工业生产中实际投入使用的流量传感器有很多种类型，所使用的原理和方法也各不相同，如果从单单从检测原理上分类，主要可分为“声、光、热、力、电”等原理。以行业内通常的分类法则为分为容积式、差压式、浮子式、涡轮式、电磁式、涡街式、插入式、外夹式、管段式、便携式等等。不同种类的流量计适应的流体介质不同，待测流体介质导电性较好的适宜使用电磁式流量计。而超波流量计则更擅长于在大管径、大流量、高密度、高速度和长距离输送要求的测量工况条件，因此对于大管径的流量测量选择超声波流量计应该是一个最优化方案之一。
二、超声波流量计的发展历程
世界上首台超声波流量计出现在19世纪的德国，距离现在已有80多年的历史。最近几年来，随着科技发展日新月异，全球进入一个以数字化、自动化、信息化为主导的新型工业 革命中，高速数字信号的处理技术与微处理技术的快速发展为超声波流量计发展提供了技术升级的强大活力。同时，伴随着流量计探头新材料和新的加工工艺的出现以及声道配置等技术的进步，未来超声波流量计的技术优势将更为强劲，发展势头更加迅猛。
三、石油输送流量监测仪表的选型
超声波流量计的系统构成包括电源、换能器、接线盒、转换器。如图1所示换能器也就是传感器，按照传感器的安装方式不同，又可以将超声波流量计分为外夹式、管段式和插入式超声波流量计。
3.1
外夹式又称外贴式超声波流量计，它是产生最早，用户最熟悉且应用最广泛的超声波流量计，特点是使用时不会与被测量介质接触，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量，不在管道内安装仪器则不会改变介质的流动状态及产生附加阻力。正因为超声波流量计属于非接触式仪表，所以它的安装和检修均不会影响生产管线的正常运行。外夹式超声波流量计是石油输送过程流量监测仪器的最佳选择类型。
3.2 管段式超声波流量计
生产企业中某些管道因材质疏松、声波传送效果差，或者管道内壁锈蚀、有衬里等原因，致使声波信号在传输过程中衰减严重，用外夹式超声波流量计无法正常测量，因而催生了管段式超声波流量计。
如图2所示，管段式超声波流量计就是把换能器和测量管连成一个整体安装在管道中间进行流体流量的超声波检测。它的优点是测量精度高，缺点是安装和检修时必须停止流体输送。
3.3 入式超声波流量计
插入式超声波流量计的使用介于外夹式和管段式之间。安装时一般需要断流安装，如果通过专用工具也可以实现非断流安装，安装示意图如图3所示。其测量精度优于外夹式超声波流量计，相对管段式超声波流量计稍差。
四、超声波流量计的检测原理
封闭管道用上超声波流量计的测量原理有5种，现在使用最多的是传播时间法和多普勒法两大类。
4.1 传播时间法超声波流量计检测原理
传播时间法的测量原理是：声波在流体中传播时，沿着流体流动的顺流和逆流方向受到的影响不同，换能器接收到的声波就不同，接收到的信号通过转换器转换成代表流量的电信号供给显示和计算仪表进行显示和计算[2]。
外夹式超声波流量计主要采用传输时间差法测量流量。如图4所示，超声波穿过流体顺流和逆流时间不同，其时间差Δt与流体速度FV成正比，介质流速越快，“ΔT”就越大。
4.2 多普勒法超声波流量计的检测原理
声波在流体介质中传播时，经流体中颗粒反射回换能器的频率不同，这一现象被称称为多普勒效应。所谓多普勒测量原理，就是依据声波的多普勒效应计算出流体的流量。
使用超声波测量流体流量时选择传播时间法还是多普勒法？其主要判断要素是：液体洁净程度或杂质含量，测量精度要求。
五、外夹式超声波流量计安装调试方法
5.1 数据输入步骤
（1）首先用盒尺量出被测管路的周长。
（2）打开仪表，接通电源，仪表显示超声波流量计版本号或菜单
（3）按键，仪表显示输入菜单号码=-------；再按10仪表显示输入管道外周长，将用盒尺测量出的周长直接输入。例：周长为318mm，直接按3、1、8后按键。
（4）按键进入 号窗口仪表显示管外径。
（5）按键进入 号窗口，输入被测管路壁厚，按键。
（6）按键进入号窗口，选择被测管路材质，按键后用键选择，仪表显示不同材质，选择完毕，再按键。例：管路为碳钢，即仪表显示0、碳钢，然后按键。（具体材质见说明书项内容
（7）按键进入 号窗口，选择被测管路衬材，输入方法同（6）。
（8）按键进入 号窗口，选择流体类型，输入方法同（6）。
（9）按键进入 号窗口，选择探头类型，输入方法同（6）。“一般选择标准M1型中探头”按键。
（10）按键进入 号窗口，选择安装方式，一般情况下管路>50mm用Z方式，按键。
（11）按键进入 号窗口，窗口自动显示出两个探头的安装距离。次距离为探头顶部对顶部的安装距离。
（12）按键输入 ，进入40号窗口，窗口显示阻尼系数，按键输入20，再按键。 （13）按键进入号窗口，窗口显示低流速切除值，按确认键后输0.03，再按确认键。
（14）按键输入26，进入 号窗口，选择“1，固化参数并总使用”然后按键。
5.2 传感器安装点的选择
测量点要尽量选择距上游10倍直径，下游5倍直径以内均匀直管段，没有任何阀门、弯头、变径等干扰流场装置，流体必须为满管。
5.3 安装方法
（1）Z方式安装：以管路周长为200mm为例（如图5）：
1）在管路一面外侧划一长十字为A点，以十字为中心用盒尺向另一侧量出1/2周长，即100mm，该点为B点。2）根据仪表显示安装距离，例如安装距离为25mm，从A点向一侧量出25mm为C点和上面一样向从B点另一侧量出管路1/2周长为D点，B、D两点连接，D点划十字，A、D两点即为两个探头安装点（如图6）。
（2）将选好两安装点，用手砂轮打磨干净出3倍探头大小的面积后，探头抹上黄油，贴在A、D两点处，用钢带绑紧（一只探头可绑紧，另一只稍微松些，以备一会调整探头位置时之用）。
探头安装完毕后，按，仪表显示上游=X1；下游=X2；Q值=X3上游、下游为信号强度，数值应大于60以上。且上、下游数据接近。Q值为信号质量，数值应在50以上。如信号强度不理想，应轻微移动一侧探头（上，下，左，右轻轻移动）同时观查信号强度变化，75-85之间最好。如还不行，应检查流体内是否含有大量气泡，或流体不满管。
例：上游=87.5，下游=86.5，Q值=70（Q值总在60-80之间变化）为好。再按号窗口，仪表显示信号传输比，此值应尽量调到100%最次在（100±3）%范围内波动。90、91项窗口靠上下左右微调传感器位置（一般不超过2cm范围）调整数值。一定将数值调整到要求范围内。
上述过程完毕，按 即可进行测量。
六、超声波流量计使用中常见问题及原因分析
（1）管道上已打磨光滑，但安装测量时信号始终为0-2%之间，无法测量。可能原因包括：1）管道内壁结垢较多，超声波衰减较严重，无法测量；2）管道有内衬，内衬与管道之间有间隙，导致声波不能穿透，无法测量；3）耦合计干涸，失去作用；4）介质含杂、气泡增多或介质糊住探头；5）探头位置发生变化；6）探头老化；7）探头电缆接触不良。
（2）超声波流量计产生流量读数不稳定。可能原因包括：1）测量点直管短，不符合测量要求；2）介质含有气体或杂质且不稳定；3）仪表故障。
（3）超声波流量计信号很弱，波形差，读数不稳定。可能原因包括：1）安装探头位置不正确（前10D后5D）；2）参数设置出错；3）管道使用多年使内壁结垢太厚；4）有气泡或涡流；5）管径太大，1200mm以上可考虑换插入式探头。
七、通过超声波流量计可以判断流体在管道输送过程中是否存在泄漏
管道运输以其特有的经济、便携、安全等优点而被广泛应用于石油、天然气等液体、气体、浆液的运输中，并且已成为与铁路、公路、航空、水运并驾齐驱的五大运输行业之一。但是，随着输送管线的增长和使用年限的延长，以及管道的腐蚀、磨损等自然或人为原因，管道泄露事故的发生时不可避免的。管道的泄露既影响正常生产，又造成经济损失、环保隐患和能源浪费。
目前，已经产生了一种超声波流量计输油管道泄漏监测方法，突出了超声波流量计的原理及技术特点，提高了定位精度，降低监测费用。
八、本文结语
外夹式超声波流量计作为一种工作性能和测量效果特别优秀的流量仪表，无论是在测量安装的方便性和性价比有着其它类型仪表无法比拟的优势，因为外夹式超声波流量计在石油管道上的使用，无需切割管道，不仅减少了施工费用，减少了工作量，同时也保证了管道的安全，并且因为测量仪表是管道外置方式，非常利于仪表的安装、清洗和维护，为管线的正常运营和维护提供了很好的保障
石油行业的管道运输中涉及到的流量计类型有很多种，质量流量计、电磁流量计，超声波流量计都是在生产中使用相当普遍的，通过流量计的测量，生产工作人员可以实时地监测到管道内石油的输送状况，通过对于管道内石油流速数据的监测和分析，不仅可以及时判断输油管道是否出现漏点和漏点的位置，减少输油管道泄漏时造成的经济损失。更为重要的是能够及时地了解石油在各站间的流速，为管道油品监测模拟仿真及混油量的计算提供基础数据。
本文则是对于石油管道中使用的超声波流量计作一个重点的阐述，内容涉及到了超声波流量计发展、分类及在输油管线上的应用、外夹式超声波流量计的检测原理以及适宜石油输送超声波流量计不同型号的选择，同时也对于几种外夹式超声波流量计的安装方法作简单介绍。
一、测量石油输送流量的仪表种类
当今工业生产中实际投入使用的流量传感器有很多种类型，所使用的原理和方法也各不相同，如果从单单从检测原理上分类，主要可分为“声、光、热、力、电”等原理。以行业内通常的分类法则为分为容积式、差压式、浮子式、涡轮式、电磁式、涡街式、插入式、外夹式、管段式、便携式等等。不同种类的流量计适应的流体介质不同，待测流体介质导电性较好的适宜使用电磁式流量计。而超波流量计则更擅长于在大管径、大流量、高密度、高速度和长距离输送要求的测量工况条件，因此对于大管径的流量测量选择超声波流量计应该是一个最优化方案之一。
二、超声波流量计的发展历程
世界上首台超声波流量计出现在19世纪的德国，距离现在已有80多年的历史。最近几年来，随着科技发展日新月异，全球进入一个以数字化、自动化、信息化为主导的新型工业 革命中，高速数字信号的处理技术与微处理技术的快速发展为超声波流量计发展提供了技术升级的强大活力。同时，伴随着流量计探头新材料和新的加工工艺的出现以及声道配置等技术的进步，未来超声波流量计的技术优势将更为强劲，发展势头更加迅猛。
三、石油输送流量监测仪表的选型
超声波流量计的系统构成包括电源、换能器、接线盒、转换器。如图1所示换能器也就是传感器，按照传感器的安装方式不同，又可以将超声波流量计分为外夹式、管段式和插入式超声波流量计。
3.1
外夹式又称外贴式超声波流量计，它是产生最早，用户最熟悉且应用最广泛的超声波流量计，特点是使用时不会与被测量介质接触，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量，不在管道内安装仪器则不会改变介质的流动状态及产生附加阻力。正因为超声波流量计属于非接触式仪表，所以它的安装和检修均不会影响生产管线的正常运行。外夹式超声波流量计是石油输送过程流量监测仪器的最佳选择类型。
3.2 管段式超声波流量计
生产企业中某些管道因材质疏松、声波传送效果差，或者管道内壁锈蚀、有衬里等原因，致使声波信号在传输过程中衰减严重，用外夹式超声波流量计无法正常测量，因而催生了管段式超声波流量计。
如图2所示，管段式超声波流量计就是把换能器和测量管连成一个整体安装在管道中间进行流体流量的超声波检测。它的优点是测量精度高，缺点是安装和检修时必须停止流体输送。
3.3 入式超声波流量计
插入式超声波流量计的使用介于外夹式和管段式之间。安装时一般需要断流安装，如果通过专用工具也可以实现非断流安装，安装示意图如图3所示。其测量精度优于外夹式超声波流量计，相对管段式超声波流量计稍差。
四、超声波流量计的检测原理
封闭管道用上超声波流量计的测量原理有5种，现在使用最多的是传播时间法和多普勒法两大类。
4.1 传播时间法超声波流量计检测原理
传播时间法的测量原理是：声波在流体中传播时，沿着流体流动的顺流和逆流方向受到的影响不同，换能器接收到的声波就不同，接收到的信号通过转换器转换成代表流量的电信号供给显示和计算仪表进行显示和计算[2]。
外夹式超声波流量计主要采用传输时间差法测量流量。如图4所示，超声波穿过流体顺流和逆流时间不同，其时间差Δt与流体速度FV成正比，介质流速越快，“ΔT”就越大。
4.2 多普勒法超声波流量计的检测原理
声波在流体介质中传播时，经流体中颗粒反射回换能器的频率不同，这一现象被称称为多普勒效应。所谓多普勒测量原理，就是依据声波的多普勒效应计算出流体的流量。
使用超声波测量流体流量时选择传播时间法还是多普勒法？其主要判断要素是：液体洁净程度或杂质含量，测量精度要求。
五、外夹式超声波流量计安装调试方法
5.1 数据输入步骤
（1）首先用盒尺量出被测管路的周长。
（2）打开仪表，接通电源，仪表显示超声波流量计版本号或菜单
（3）按键，仪表显示输入菜单号码=-------；再按10仪表显示输入管道外周长，将用盒尺测量出的周长直接输入。例：周长为318mm，直接按3、1、8后按键。
（4）按键进入 号窗口仪表显示管外径。
（5）按键进入 号窗口，输入被测管路壁厚，按键。
（6）按键进入号窗口，选择被测管路材质，按键后用键选择，仪表显示不同材质，选择完毕，再按键。例：管路为碳钢，即仪表显示0、碳钢，然后按键。（具体材质见说明书项内容
（7）按键进入 号窗口，选择被测管路衬材，输入方法同（6）。
（8）按键进入 号窗口，选择流体类型，输入方法同（6）。
（9）按键进入 号窗口，选择探头类型，输入方法同（6）。“一般选择标准M1型中探头”按键。
（10）按键进入 号窗口，选择安装方式，一般情况下管路>50mm用Z方式，按键。
（11）按键进入 号窗口，窗口自动显示出两个探头的安装距离。次距离为探头顶部对顶部的安装距离。
（12）按键输入 ，进入40号窗口，窗口显示阻尼系数，按键输入20，再按键。 （13）按键进入号窗口，窗口显示低流速切除值，按确认键后输0.03，再按确认键。
（14）按键输入26，进入 号窗口，选择“1，固化参数并总使用”然后按键。
5.2 传感器安装点的选择
测量点要尽量选择距上游10倍直径，下游5倍直径以内均匀直管段，没有任何阀门、弯头、变径等干扰流场装置，流体必须为满管。
5.3 安装方法
（1）Z方式安装：以管路周长为200mm为例（如图5）：
1）在管路一面外侧划一长十字为A点，以十字为中心用盒尺向另一侧量出1/2周长，即100mm，该点为B点。2）根据仪表显示安装距离，例如安装距离为25mm，从A点向一侧量出25mm为C点和上面一样向从B点另一侧量出管路1/2周长为D点，B、D两点连接，D点划十字，A、D两点即为两个探头安装点（如图6）。
（2）将选好两安装点，用手砂轮打磨干净出3倍探头大小的面积后，探头抹上黄油，贴在A、D两点处，用钢带绑紧（一只探头可绑紧，另一只稍微松些，以备一会调整探头位置时之用）。
探头安装完毕后，按，仪表显示上游=X1；下游=X2；Q值=X3上游、下游为信号强度，数值应大于60以上。且上、下游数据接近。Q值为信号质量，数值应在50以上。如信号强度不理想，应轻微移动一侧探头（上，下，左，右轻轻移动）同时观查信号强度变化，75-85之间最好。如还不行，应检查流体内是否含有大量气泡，或流体不满管。
例：上游=87.5，下游=86.5，Q值=70（Q值总在60-80之间变化）为好。再按号窗口，仪表显示信号传输比，此值应尽量调到100%最次在（100±3）%范围内波动。90、91项窗口靠上下左右微调传感器位置（一般不超过2cm范围）调整数值。一定将数值调整到要求范围内。
上述过程完毕，按 即可进行测量。
六、超声波流量计使用中常见问题及原因分析
（1）管道上已打磨光滑，但安装测量时信号始终为0-2%之间，无法测量。可能原因包括：1）管道内壁结垢较多，超声波衰减较严重，无法测量；2）管道有内衬，内衬与管道之间有间隙，导致声波不能穿透，无法测量；3）耦合计干涸，失去作用；4）介质含杂、气泡增多或介质糊住探头；5）探头位置发生变化；6）探头老化；7）探头电缆接触不良。
（2）超声波流量计产生流量读数不稳定。可能原因包括：1）测量点直管短，不符合测量要求；2）介质含有气体或杂质且不稳定；3）仪表故障。
（3）超声波流量计信号很弱，波形差，读数不稳定。可能原因包括：1）安装探头位置不正确（前10D后5D）；2）参数设置出错；3）管道使用多年使内壁结垢太厚；4）有气泡或涡流；5）管径太大，1200mm以上可考虑换插入式探头。
七、通过超声波流量计可以判断流体在管道输送过程中是否存在泄漏
管道运输以其特有的经济、便携、安全等优点而被广泛应用于石油、天然气等液体、气体、浆液的运输中，并且已成为与铁路、公路、航空、水运并驾齐驱的五大运输行业之一。但是，随着输送管线的增长和使用年限的延长，以及管道的腐蚀、磨损等自然或人为原因，管道泄露事故的发生时不可避免的。管道的泄露既影响正常生产，又造成经济损失、环保隐患和能源浪费。
目前，已经产生了一种超声波流量计输油管道泄漏监测方法，突出了超声波流量计的原理及技术特点，提高了定位精度，降低监测费用。
八、本文结语
外夹式超声波流量计作为一种工作性能和测量效果特别优秀的流量仪表，无论是在测量安装的方便性和性价比有着其它类型仪表无法比拟的优势，因为外夹式超声波流量计在石油管道上的使用，无需切割管道，不仅减少了施工费用，减少了工作量，同时也保证了管道的安全，并且因为测量仪表是管道外置方式，非常利于仪表的安装、清洗和维护，为管线的正常运营和维护提供了很好的保障
