摘 要：黏性流體和被測流體中的固相顆粒對科里奧利質量流量計(以下簡稱科氏質量流量計)振動管內壁均存在磨損作用，振動管的磨損狀態對流量計離線標定、故障診斷和基于振動的流體黏度的測量存在一定的影響。基于固相顆粒對管道的磨損機理，討論了影響固相顆粒對流量計振動管磨損的幾種因素。提出了減小振動管磨損速度和延長流量計使用壽命的措施建議。

關鍵字：固相顆粒 科氏質量流量計 磨損 磨損機理;因素

    0 引言

    科氏質量流量計被用來測量流體的質量流量、密度和其他信息。它具有一個或多個相同配置的振動管，每個振動管都具有相同的振動模式，包括簡單彎曲、扭轉、徑向和耦合模式。當被測流體靜止或被測流體未充入振動管時，流量計振動管上所有位置具有相同的振動相位，當流體以一定的速度流過該振動管時，科里奧利加速度導致沿著該振動管的每個點相對于沿著該振動管的其他點有不同的相位。該振動管入口端處的相位落后于驅動器，輸出端處的相位超前于驅動器，將拾振器布置于振動管的不同點處，產生與振動管不同點處振動相位有關的正弦信號，以時間單位計算拾取的正弦信號的相位差，相位差與流過振動管的質量流量成比例。在科氏質量流量計廣泛應用的石油、電廠及化工行業，由于被測流體黏度較大，或者被測流體中含有固體顆粒或粉塵，例如催化裝置中出裝置油漿中含有的催化劑顆粒，會導致科氏質量流量計振動管在摩擦與碰撞的共同作用下被磨損，振動管管壁厚度的變化，使得管道產生磨損故障，影響質量流量及其他流體信息的測量準確度。同時，如果流量計振動管的磨損狀態不能被預警，管壁變薄承壓能力降低，以至于很有可能出現被測流體泄露，引發工業安全事故或造成重大經濟損失。

    該文基于磨損機理研究與分析了影響科氏質量流量計振動管磨損的因素。為了便于研究分析，以被廣泛使用的國產C75型科氏質量流量計為研究對象開展了相關的理論分析。

    1 磨損機理

    C75型科氏質量流量計是被廣泛應用的科氏質量流量計的一種，其傳感器結構如圖1所示。圖中：D為驅動單元，A、B為檢測單元，它們由線圈和磁鐵組成，F為法蘭，C為分流體，U為U型振動管。

圖1 C75型科氏質量流量計結構圖

    法蘭的作用是將科氏流量計固定到管線上，分流體的作用是將流體均分到2個U型管道，驅動單元的作用是驅動振動管做彎曲主振動，檢測單元由速度檢測線圈和磁鐵構成，輸出的是振動管振動的速度信號。

    黏性流體或固體顆粒對管道的磨損分為沖刷磨損和撞擊磨損兩類。固體顆粒以一定的速度和角度（撞擊角）與管道壁接觸的磨損稱為沖刷磨損。沖刷磨損是由于固體顆粒撞擊管道壁使得管道材料發生點蝕，固體顆粒與管道壁之間的摩擦力移除管道壁的材料。固體顆粒與管道間的摩擦因素、固體顆粒與被測流體的速度、撞擊角的大小及固體顆粒大小是影響沖刷磨損的主要因素。撞擊磨損是通過固體顆粒對管道壁的撞擊作用來移除管道材料的。相比之下，撞擊磨損的磨損量遠小于沖刷磨損的磨損量。因此，沖刷磨損是流量計振動管磨損的主要因素。

    2 撞擊角對磨損率的影響

    磨損率是衡量管道磨損厚度的標準。固體顆粒與管道壁面的撞擊角大小、固體顆粒大小、固體顆粒與被測流體的速度是影響磨損率的主要因素。撞擊角是固體顆粒撞擊管道壁面時的速度方向與撞擊點切線方向的夾角。Tabakoff等人在碳鋼受煤灰粒子沖蝕作用的大量實驗基礎上，回歸分析出磨損率的經驗公式為：

　　　　

    其中：V_P是煤灰粒子的速度，α₀是最大撞擊角。當α₁≤α₀時，C_k=0；當α₁＞α₀時，C_k=1；K₁=1.505101×10^-6，K₂=0.2960，K₃=5.0×10^-12。

    取煤灰粒子的速度V_P=10m/s，管道在粒子不同撞擊角的沖蝕作用下的磨損率曲線如圖2所示。圖2體現了撞擊角是影響磨損率的主要因素之一；對于速度確定的固體顆粒：當α₁≤α₀時，磨損率隨著撞擊角的增大而增大；當α₁=α₀時，磨損率有最大值；當α₁＞α₀時，磨損率隨著撞擊角的增大而減小。

圖2 撞擊角對磨損率影響曲線圖

    3 固體顆粒大小對磨損率的影響

    固體顆粒在管道中的運動軌跡是雜亂無章的，它的大小對其動能及它與管道壁發生碰撞時的能量損失都有一定的影響。根據能量守恒定律，固體顆粒沖刷管道時，沖蝕作用受到顆粒大小的影響，影響磨損率的大小。

    為研究顆粒大小對管道磨損率影響的定量關系，利用GAMBIT對C75型科氏質量流量計建立3D模型和FLUENT5/6進行仿真分析。劃分網格后的3D模型如圖3所示。

圖3 C75型科氏質量流量計3D模型

    利用FLUENT對振動管的磨損進行仿真分析，假定沙粒都是均勻的圓球形，沙粒直徑分別取d=10μm、d=40μm、d=70μm、d=100μm，以水（ρ=998kg/m³）為被測流體，固體顆粒為沙粒（ρ=2500kg/m³）。水和沙粒經充分發展后以相同的速度（v=18m/s）進入C75型科氏流量計的入口端。求解后得到的流量計振動管被沙粒磨損后的磨損率分布云圖如圖4所示（沙粒直徑d=40μm）。

圖4 C75型科氏質量流量計磨損率分布云圖

    從分布云圖中可以看出，直管段受到的磨損非常小，所以忽略沙粒對直管段的磨損。從進口段彎管處開始（按圖5的箭頭走向），以2mm的垂直高度提取磨損率的大小。沙粒對C75型科氏質量流量計振動管磨損的磨損率分布曲線如圖6所示。

    磨損率分布曲線體現了沙粒大小對磨損率有一定的影響。沙粒直徑大，慣性大，最大磨損率位置較低于小直徑沙粒對管道磨損的最大磨損率位置；沙粒在管道中的運動是雜亂無章的，磨損率分布不具有單一性。

圖5 C75型科氏質量流量計磨損率提取路線圖

圖6 顆粒大小對C75型科氏質量流量計磨損率分布曲線圖

    4 固體顆粒速度對磨損率的影響

    固體顆粒速度的大小是進入流量計振動管顆粒數量多少的標志。因此，固體顆粒數量和固體顆粒速度對磨損率的影響統一歸結為固體顆粒速度對磨損率的影響。對圖3的3D模型設置邊界條件（取沙粒為固體顆粒，空氣為被測流體），沙粒為均勻球體（d=40μm），速度分別為50m/s、100m/s和200m/s，利用FLUEN進行求解。采取相同的方法提取各截面上的磨損率得到不同速度、相同粒子大小條件下的C75型科氏質量流量計磨損率分布曲線如圖7所示（圖中管道位置坐標原點為入口起點）。

    圖7體現了顆粒速度是影響磨損率的重要因素之一。在顆粒大小相同的條件下，顆粒速度越大，磨損率越大。

    按照上述的分析和仿真計算結果，以C75為例可以計算在不同的條件下若沖刷長為50mm，寬為20mm的方孔的時間，結果如表1所示。

圖7 C75型科氏質量流量計在不同速度下磨損率分布曲線

表1 C75科氏質量流量計在不同條件下沖刷

    5 結束語

    顆粒對振動管的磨損程度受撞擊角大小、顆粒大小、顆粒數量和顆粒的速度影響。當撞擊角小于最大撞擊角時，磨損率隨著撞擊角的增大而增大，當撞擊角大于最大撞擊角時，磨損率隨著撞擊角的增大而減小；當顆粒的速度相同時，顆粒愈大，磨損率最大點愈滯后于小顆粒磨損率最大點；當顆粒大小一定的情況下，磨損率隨著速度的增加而變大。以同樣的研究方法，對西安東風機電有限公司的ZLJC7型科氏質量流量計進行了研究，得出的結論是相同的。因此，通過限制顆粒大小和顆粒進入流量計振動管的速度延長流量計的使用壽命，或者憑借磨損率計算流量計振動管的預警壽命，避免發生工業事故，減小經濟損失。