摘要：濕法磷酸生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的高腐蝕性、成分復(fù)雜的酸液，對(duì)流量計(jì)的耐腐蝕性要求較高。防腐型電磁流量計(jì)具有耐腐蝕、精度高、易于維護(hù)、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)，已在磷酸生產(chǎn)中大規(guī)模使用。以某濕法磷酸裝置為例，介紹了防腐型電磁流量計(jì)的測(cè)量原理，電極、測(cè)量管內(nèi)襯材質(zhì)及接地方式的選擇。
1 概述
隨著幾十年的工業(yè)發(fā)展，我國(guó)磷化工行業(yè)日趨壯大，目前磷酸產(chǎn)量位列一。國(guó)內(nèi)磷酸生產(chǎn)工藝絕大部分以濕法磷酸為主。濕法磷酸生產(chǎn)過程中除了含有磷酸外，還混有一定的硫酸、氫氟酸、氟硅酸等強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)。測(cè)量這些酸液的流量?jī)x表需要具有很好的耐腐蝕性。選擇合適的材質(zhì)、增加儀表的壽命、提高信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性是濕法磷酸工藝中流量測(cè)量的關(guān)鍵之處。適用范圍廣、精度高、耐腐蝕、易于維護(hù)、成本較低，適用于磷化工生產(chǎn)中的流體計(jì)量。國(guó)內(nèi)某 300 kt/a 磷酸裝置中大規(guī)模使用防腐型電磁流量計(jì)，并取得了良好的工作效果。
2 防腐型電磁流量計(jì)簡(jiǎn)介
2．1 工作原理
防腐型電磁流量計(jì)的測(cè)量原理如圖 1 所示。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)電液體在磁場(chǎng)中流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) e，它與磁感應(yīng)強(qiáng)度 b、導(dǎo)電液體平均流速 v 成一定比例關(guān)系:
e=kbdv
式中:e---導(dǎo)電流體在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，v;
k---比例系數(shù)，在管道內(nèi)徑 d 和磁感應(yīng)強(qiáng)度
b 不變的情況下，k 為常數(shù)，1;
b---磁感應(yīng)強(qiáng)度，t;
d---測(cè)量管內(nèi)徑，m;
v---導(dǎo)電液體平均流速，m/s。
防腐型電磁流量計(jì)利用上述函數(shù)關(guān)系推導(dǎo)出 v = e/(kbd)，實(shí)際測(cè)得的是液體流速 v，再通過被測(cè)介質(zhì)的體積流量 q v = πd 2 v/4，計(jì)算導(dǎo)電流體介質(zhì)的流量。
2．2 計(jì)量系統(tǒng)組成
防腐型電磁流量計(jì)主要由兩部分組成:流量傳感器和信號(hào)變送器，如圖 2 所示。傳感器上的勵(lì)磁線圈接受變送器傳輸來的勵(lì)磁電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào);信號(hào)變送器則將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)轉(zhuǎn)換為流量信號(hào)或模擬量信號(hào)送至控制系統(tǒng)。防腐型電磁流量計(jì)按組成方式分為一體式和分體式。防腐型電磁流量計(jì)穩(wěn)定工作另外一個(gè)重要條件是接地。當(dāng)流體流動(dòng)穿過磁場(chǎng)時(shí)，以導(dǎo)電流體本身作為參考電位，在測(cè)量管一側(cè)電極產(chǎn)生正電勢(shì)，另一側(cè)產(chǎn)生負(fù)電勢(shì)，形成電勢(shì)差。但此電動(dòng)勢(shì)信號(hào)一般只有幾毫伏，易受外界干擾。為防止干擾，將參考電位接入大地作為零電位，保證傳感器輸出精確穩(wěn)定的信號(hào)。傳感器和轉(zhuǎn)換器的接地端必須與被測(cè)介質(zhì)同電位，才能構(gòu)成對(duì)稱的輸入輸出回路。
2．3 系統(tǒng)特性
防腐型電磁流量計(jì)的主要特點(diǎn)如下:①不同于差壓式、容積式流量計(jì)，防腐型電磁流量計(jì)測(cè)量管內(nèi)無阻流部件，壓損很小，適用于大口徑管道;②不受測(cè)量介質(zhì)的溫度、壓力、密度、黏度參數(shù)變化影響，不需要進(jìn)行修正和補(bǔ)償，僅僅要求測(cè)量介質(zhì)的電導(dǎo)率 σ＞5 μs/cm;③量程比寬，輸出信號(hào)和流量成線性關(guān)系;④測(cè)量精度高，可達(dá)到±(0．1% ～0．5%);⑤安裝要求低，前后直管段要求低，一般滿足前直管段管徑 d 前 ≥5d，后直管段管徑 d 后 ≥2d 即可;⑥性價(jià)比較高，使用范圍廣，合理選用襯里材料和電極材質(zhì)可以測(cè)量各種腐蝕性介質(zhì)的流量。
需要注意的是，防腐型電磁流量計(jì)不能測(cè)量非導(dǎo)電介質(zhì)的流量，也不適用于測(cè)量含有氣體的介質(zhì)，這樣會(huì)引起測(cè)量數(shù)據(jù)的大幅波動(dòng)。
3 在濕法磷酸裝置中的應(yīng)用實(shí)例
國(guó)內(nèi)某 300 kt/a 磷酸裝置中，含有不同溫度、不同壓力、不同濃度的多種酸液，包括:稀磷酸、濃硫酸、磷酸料漿、絮凝劑、p 2 o 5 溶液、h 2 sif 6 溶液、渣酸、洗滌水、酸性循環(huán)水、工藝水等。如此復(fù)雜的工藝介質(zhì)對(duì)流量計(jì)的選型要求很高，酸液的配比、濃度、溫度、雜質(zhì)、溶解氣體以及流速等都會(huì)影響接液材質(zhì)的耐腐蝕性。
防腐型電磁流量計(jì)主要的接液部分是電極和測(cè)量管襯里，要根據(jù)每一種腐蝕介質(zhì)的特性以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況選擇合適的電極和襯里材質(zhì)，必要時(shí)可對(duì)擬選材料進(jìn)行耐腐蝕試驗(yàn)，從而延長(zhǎng)流量計(jì)的壽命，加強(qiáng)測(cè)量的可靠性。
3．1 電極材質(zhì)的選擇
防腐型電磁流量計(jì)電極的選擇至關(guān)重要。電極應(yīng)滿足被測(cè)介質(zhì)腐蝕特性，同時(shí)不能產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)干擾。常用電極材質(zhì)主要有:不銹鋼 316l、哈氏合金 c、鈦、鉭、鉑、鉑-銥合金等。本裝置中防腐型電磁流量計(jì)電極材質(zhì)的選擇見表 1。
從表 1 可以總結(jié)出:對(duì)于有襯里管道，電極材質(zhì)一般選擇鉑-銥合金，該材料耐用于大部分腐蝕性酸液;對(duì)于金屬管道，電極一般選擇比管道高一等級(jí)的材料，以 316l 和哈氏合金為主。特殊情況下，若測(cè)量易結(jié)晶、結(jié)疤、易沾污電極的介質(zhì)，還可選擇刮刀式電極，防止長(zhǎng)時(shí)間流體沖刷，在電極上產(chǎn)生污垢。
3．2 測(cè)量管襯里材質(zhì)的選擇
防腐型電磁流量計(jì)要根據(jù)被測(cè)流體的溫度、壓力、速度以及含固顆粒的硬度、含量和粒徑大小來決定測(cè)量管內(nèi)襯的材質(zhì)。該濕法磷酸裝置中，防腐型電磁流量計(jì)測(cè)量管襯里材質(zhì)的種類見表 2。
從表 2 中可以看出，本項(xiàng)目中測(cè)量磷酸、硫酸、含氟酸和含酸洗滌水等流量時(shí)，防腐型電磁流量計(jì)采用pfa 內(nèi)襯，這種氟內(nèi)襯幾乎耐用于各種強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)，同時(shí)測(cè)量管內(nèi)附有不銹鋼絲網(wǎng)，增強(qiáng)了襯里和金屬管道的結(jié)合，具有耐負(fù)壓性;ptfe 與 pfa 性能相差無幾，但摩擦系數(shù)較低，對(duì)于絮凝劑這種具有一定的吸附性的介質(zhì)優(yōu)先選用 ptfe 內(nèi)襯;磷酸料漿含有一些懸浮顆粒物，長(zhǎng)時(shí)間流體會(huì)破環(huán)樹脂或者塑料類的襯里，此處選用陶瓷內(nèi)襯，延長(zhǎng)流量計(jì)工作壽命。普通工藝用水等介質(zhì)選用經(jīng)濟(jì)實(shí)用橡膠類襯里即可。
3．3 接地方式
根據(jù)上述防腐型電磁流量計(jì)的安裝要求知，防腐型電磁流量計(jì)需進(jìn)行液體接地才能正常工作。流量計(jì)可通過使用無內(nèi)襯導(dǎo)電的管道法蘭、接地環(huán)或接地電極實(shí)現(xiàn)接地。本磷酸裝置中，輸送腐蝕性介質(zhì)流體多以碳鋼襯里管道為主，少數(shù)輕度酸性液體管道采用不銹鋼或碳鋼管道。對(duì)于不同材質(zhì)的管道，防腐型電磁流量計(jì)的接地方式也不一樣。
3．3．1 安裝在金屬管道上
防腐型電磁流量計(jì)安裝在金屬管道上，安裝時(shí)將金屬管道與防腐型電磁流量計(jì)相連接，接地線再接入接地網(wǎng)，如圖 3 所示。
3．3．2 安裝在非金屬管道上
襯里管道的接地方式主要有以下三種。
1．采用接地環(huán)
在有襯里的測(cè)量管兩端法蘭上，加裝接地環(huán)(或稱“接液環(huán)”)，如圖 4 所示。裝接地環(huán)是為了可靠地、穩(wěn)定地將導(dǎo)電液體作為差動(dòng)電勢(shì)信號(hào)的基準(zhǔn)點(diǎn)與轉(zhuǎn)換器的信號(hào)連接起來，與液體之間形成相近或大致相等的電位。接地環(huán)材質(zhì)一般和電極材質(zhì)一致或相仿，保證耐腐蝕性。
接地環(huán)形式多樣，主要類型有三種，如圖 5 所示，普通接地環(huán)類似一個(gè)帶柄的孔板;保護(hù)型接地環(huán)固定在法蘭上，保護(hù)法蘭面襯里不受損傷;若介質(zhì)磨損性較強(qiáng)，應(yīng)選用帶頸保護(hù)環(huán)保護(hù)襯里。
2．采用接地電極(三電極)
從表 2 中可以看出，本裝置中防腐型電磁流量計(jì)的電極材質(zhì)主要使用鉑 － 銥合金，若在其他場(chǎng)合或被測(cè)流體介質(zhì)下，電極材質(zhì)還可以選擇鉭、鈦、鉑金等貴重金屬。若使用接地環(huán)方式接地，由于一般要求接地環(huán)材質(zhì)和電極的相同，因此從成本上來說很不經(jīng)濟(jì)。為了節(jié)省費(fèi)用，本項(xiàng)目中濕法磷酸裝置中防腐型電磁流量計(jì)接地采用三電極方式，即在傳感器測(cè)量管與測(cè)量電極成垂直的點(diǎn)，另外加一個(gè)電極(和測(cè)量電極材質(zhì)、大小均相同)，以起到接地效果。
3．虛擬接地
隨著技術(shù)的發(fā)展，近些年一種新的接地技術(shù)---虛擬接地被應(yīng)用到防腐型電磁流量計(jì)上。通過提供流量轉(zhuǎn)換器輸入放大器和電路中的光電耦合器的隔離，使測(cè)量電路在液體的電勢(shì)浮動(dòng)，只有當(dāng)流經(jīng)流量傳感器時(shí)，導(dǎo)電液體的流速產(chǎn)生感應(yīng)電壓。這種轉(zhuǎn)換器信號(hào)的特殊處理允許流量計(jì)傳感器接地即可滿足其正常工作，減少了安裝，也免去了額外增加接地環(huán)或第三電極的成本。
4 結(jié)束語
只要選擇合適的電極材質(zhì)和測(cè)量管襯里材質(zhì)，防腐型電磁流量計(jì)就可以適應(yīng)各種腐蝕性介質(zhì)。磷化工生產(chǎn)中大部分是能導(dǎo)電的酸性介質(zhì)，使用防腐型電磁流量計(jì)進(jìn)行流量測(cè)量是計(jì)量?jī)x的。目前各防腐型電磁流量計(jì)廠商都會(huì)提供自家產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的耐腐蝕材質(zhì)選擇表，在設(shè)計(jì)選型中，除了根據(jù)介質(zhì)特性先行選擇對(duì)應(yīng)的電極和襯里材質(zhì)外，也需要根據(jù)各家防腐型電磁流量計(jì)的特點(diǎn)確定其方案。同時(shí)安裝時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況采取不同的接地方式，以保證防腐型電磁流量計(jì)穩(wěn)定地工作。