摘要：
電磁流量計測量管的抗腐蝕性優(yōu)點決定了其在氯堿燒堿工序中被廣泛的應(yīng)用，而其中流量計選型的技術(shù)要點主要集中體現(xiàn)在口徑的確定、測量電極的材質(zhì)與襯里材質(zhì)、接地環(huán)或接地電極的選擇及電解工序工藝的特殊性上。
一、引言
氯堿燒堿生產(chǎn)過程中的液體介質(zhì)多為腐蝕性較強電解質(zhì)，如鹽水、鹽酸、燒堿、次氯酸鈉等；這種強腐蝕性生產(chǎn)工藝環(huán)境及電磁流量計抗腐蝕方面的優(yōu)點，決定了電磁流量計在氯堿燒堿工序中正被廣泛地應(yīng)用。為實現(xiàn)流量的準(zhǔn)確、可靠測量，節(jié)約投資成本，電磁流量計的正確選型顯得尤為重要。下面，就氯堿燒堿生產(chǎn)過程中電磁流量計設(shè)計選型及應(yīng)用方面的體會和經(jīng)驗作些總結(jié)。
電磁流量計的工作原理。
電磁流量計的測量原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律:即導(dǎo)體介質(zhì)在磁場介質(zhì)中切割磁力線運動時在其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。如圖1所示，導(dǎo)電介質(zhì)在垂直于磁場的非磁性測量管內(nèi)流動，與流動方向垂直的方向上產(chǎn)生與流量成比例的感應(yīng)電勢,電動勢的方向按“弗來明右手規(guī)則”，其感應(yīng)電勢E為:E==KBVD式中:E-感應(yīng)電動勢(與流速成正比);K一比例常數(shù);。B_磁場強度(線圈電感);V_測量管內(nèi)介質(zhì)的平均流速;4D--電極間距(測量管的內(nèi)徑)。
測量流量時，其感應(yīng)電勢通過二個與介質(zhì)直接接觸的測量電極檢測出來,并通過電纜送至轉(zhuǎn)換器進(jìn)行智能化處理,然后在+LCD.上顯示或轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號4~20mA和0~1kHz輸出。
表一氯堿燒堿工序中常用電極材料介紹
| 材料 |
代號 |
耐腐蝕性及具體使用范圍 |
不銹鋼316L |
V |
用于工業(yè)用水、生活用水、污水等弱腐蝕性的介質(zhì)及中性溶液和碳酸、醋酸等弱酸。目前，在氯堿中主要應(yīng)用于循環(huán)水、生產(chǎn)水、弱酸性的廢水、小于30℃的低濃度燒堿溶液流量的測量。 |
哈氏合金C |
Hc |
耐氧化性酸，如硝酸、鉻酸與硫酸的混合物，也耐氧化性的鹽類，對海水、堿溶液、氯化物溶液有良好的耐腐蝕性。目前，在氯堿中主要應(yīng)用于40～90℃的30%～50%燒堿溶液流量的測量。 |
鈦 |
Ti |
耐海水、各種氯化物和次氯酸鹽及多種氫氧化物的腐蝕。目前，在氯堿中主要應(yīng)用于鹽水、次氯酸鈉流量的測量。 |
鉭 |
Ta |
除了氫氟酸、燒堿以外，幾乎能耐一切化學(xué)介質(zhì)的腐蝕。目前，在氯堿中主要應(yīng)用于鹽水、次氯酸鈉、鹽酸、硫酸流量的測量。 |
三、流量計口徑的確定
電磁流量計能夠測量較寬流量(流速)范圍的流體，通常為流速0.3～10.0m/s；流量計的口徑一般等于工藝管道口徑，亦可小于或大于工藝管道口徑。流量計口徑的確定主要是根據(jù)工藝上的體積流量，結(jié)合工藝管道的尺寸，兼顧測量準(zhǔn)確性、經(jīng)濟性和耐用性方面考慮，選擇合適的流量計口徑，使通過傳感器的流體平均流速在合適的范圍內(nèi)，推薦使用的流速范圍一般為1.0～5.0m/s。在這個范圍內(nèi)，流量計測量精度高、線性好、壓損小，介質(zhì)對流量計襯里和電極的磨損也相對較小些。此外，對于含有固體懸浮顆粒的流體介質(zhì)，推薦使用的流速范圍為1.0～3.0m/s，這樣有助于避免流速過高造成固體懸浮顆粒對流量計襯里和電極的過快磨損，延長使用壽命，如鹽泥流量；而對于易結(jié)晶、黏度稍大或有沉積物的流體介質(zhì)，可適當(dāng)?shù)靥岣吡魉伲扑]使用的流速范圍為流速、流量與口徑三者關(guān)系如下式：V=354Q/D2
式中：V—————流速，m/s；Q—————流量，m3/h；D—————口徑，mm。
例如，在燒堿電解工序中，進(jìn)電解槽的鹽水流量計量程為0~50m3/h,工藝管道口徑為DN100;當(dāng)電磁流量計的口徑分別選擇DN100和DN80時，根據(jù)上述公式計算,鹽水的流速分別為1.77m/s和2.76m/s;計算結(jié)果均在推薦使用的流速范圍，但從經(jīng)濟性方面考慮，選擇DN80口徑的流量計要比選擇DN100口徑的流量計可節(jié)約1/4~1/5的投資成本，此時，應(yīng)該選用DN80口徑的流量計。小
.四、流量計測量電極、襯里材料的選型及應(yīng)用。
1、測量電極材料的選型及應(yīng)用s
電磁流量計的測量電極是與工藝;)質(zhì)直接接觸的唯一金屬材料，其作用是與導(dǎo)線連接將測量管中產(chǎn)生的微弱感應(yīng)電動勢傳輸?shù)睫D(zhuǎn)換器中的檢測單元。由于電磁流量計的電極部分處于工作磁場中，為防止磁力線在電極上集中，電極材料必須使用非導(dǎo)磁的金屬材料;并根據(jù)工況介質(zhì)對金屬材料的腐蝕速率(mm/a,即每年被腐蝕掉的金屬厚度)來確定不同的工況介質(zhì)選擇不同的金屬材料。下面通過圖表一的方式介紹在氯堿燒堿工序中常用的幾種電極材料及其使用范圍。
表二：常見襯里材料的主要性能及適用范圍
| 材料 |
主要性能 |
適用范圍 |
聚四氟乙烯 |
是化學(xué)性能最穩(wěn)定的一種塑料，能耐沸騰的鹽酸、硫酸、硝酸和王水，也能耐濃堿；耐磨性強、粘結(jié)性能差。 |
-40℃～+180℃；濃酸、堿等強腐蝕性介質(zhì)液及衛(wèi)生類介質(zhì)。不能用于負(fù)壓。 |
（PTFE或F4） |
同PTFE；耐磨性、抗負(fù)壓能力高于PTFE |
＜120℃；濃酸、堿等強腐蝕性介質(zhì)液，能用于較高負(fù)壓。 |
聚全氟乙丙烯（F46或FEP） |
其兼具PTFE和F46的性能優(yōu)點 |
-40℃～+180℃；濃酸、堿等強腐蝕性介質(zhì)液，能耐較高負(fù)壓。 |
聚全氟化烷氧基(PFA) |
耐磨耗性優(yōu)越，為天然橡膠的10倍，耐腐蝕性差 |
＜60℃；適用于含有泥沙、石礫等固體顆粒的漿液；耐腐蝕性差， |
聚氨酯橡膠(PU) |
有極好的彈性，高度的扯斷力，耐磨性能好；耐一般低濃 |
只能用于弱酸弱堿等液體。 |
氯丁橡膠(CR) |
度酸、堿、鹽介質(zhì)的腐蝕，不耐氧化介質(zhì)的腐蝕。 |
＜80℃；適用于水、污水、弱磨損性的泥漿礦漿。 |
2、測量管襯里材料的選型及應(yīng)用。
電磁流量計正常工作的基本條件之一，是測量管內(nèi)壁除電極處外，其它地方的法向電流為零。為滿足這一條件，最簡單的方法是將導(dǎo)電的金屬測量管內(nèi)壁和法蘭端面襯以絕緣襯里。通俗地講,用絕緣襯里的目的是防止感應(yīng)信號電壓被金屬管短路，可見絕緣襯里在電磁流量計應(yīng)用中的作用十分重要。由于被測導(dǎo)電介質(zhì)的流體種類繁多，它們的物理化學(xué)特性也不盡相同，不可能用一種絕緣材料的襯里來滿足所有應(yīng)用電磁流量計的測量流體介質(zhì)的物理化學(xué)特性要求;因此，在襯里材料的選型.上，應(yīng)重點考慮測量介質(zhì)對襯里的耐溫度、熱沖擊、高壓、負(fù)壓、磨損、腐蝕、粘結(jié)、附著等方面的要求。下面通過圖表二的方式介紹常見的電磁流量計測量管襯里材料的主要性能特點及適用范圍。
五、氯堿燒堿工序中接地環(huán)和接地電極的選型及應(yīng)用。
1、接地環(huán)和接地電極的作用。
電磁流量計在工作過程中檢測到的流量信號電勢極小，通常只有幾個毫伏的電勢信號:而導(dǎo)電流體在任何管道(絕緣或非絕緣)中流動時也會產(chǎn)生電勢，這個電勢不是流量信號本身，它是“干擾信號”;尤其是在導(dǎo)電性能優(yōu)良的流體中，如鹽水、酸堿溶液等，其流動過程.中產(chǎn)生的干擾信號大小甚至?xí)^流量信號本身。這個“干擾信號在流經(jīng)電磁流量計測量管時會蠱加在流量信號電勢上，從而造成轉(zhuǎn)換器測量到的流量信號失真。由于電磁流量計轉(zhuǎn)換器的輸入放大器通常為差動輸入設(shè)計，那么，其中一個“等電位的公共參考地”是必需的，這個“公共參考地”是測量的基礎(chǔ)。對于電磁流量計的測量原理來說，接地環(huán)與接地電極是流量計接地的兩種形式，其作用是一樣的，即通過接地環(huán)或接地電極與測量介質(zhì)直接接觸、經(jīng)表殼與轉(zhuǎn)換器的輸入放大器的“工作地"相連，使得放大器的“工作地”與信號源的“地”連接在一起，共同形成一個等電位的公共參考地”;以此消除“干擾信號”對流量測量的影響，確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。。
2、接地環(huán)和接地電極的選型與應(yīng)用。
2.1材料的選型+
接地環(huán)或接地電極的材料選擇，原則上應(yīng)選擇與測量電極相同材料。在選擇接地環(huán)形式接地時，從節(jié)約投資成本考慮，接地環(huán)的材料亦可選擇價格相對較低、耐腐蝕性稍弱的材料;如在測量鹽水流量中，電磁流量計測量電極的材料應(yīng)選擇鉭材Ta,但接地環(huán)可以選擇價格相對便宜的鈦材Ti。需要特別說明的是,在選擇不可維修更換的接地電極形式接地時，降低接地電極材料的耐腐蝕性會降低流量計測量管的整體使用壽命。。
2.2接地形式的選型及應(yīng)用。
作為電磁流量計接地的兩種不同形式，接地環(huán)和接地電極都可以實現(xiàn)等電位的“公共參考地”、消除干擾的目的，但兩種接地形式在使用過程中又有其各自的優(yōu)缺點。選用接地環(huán)形式可以保護(hù)襯里的翻邊不受損傷，但比較耗材，尤其是在測量鹽水、鹽酸、高溫?zé)龎A等強腐蝕性介質(zhì)時，對材質(zhì)的要求很高，多為-些如Ta、Ti、Hc-276等貴金屬，使用接地環(huán)形式接地"會大大增加投資成本。
生產(chǎn)實踐中，在介質(zhì)輸送管道為導(dǎo)電的金屬管道、且流量計襯里不需要特別保護(hù)的情況，可在靠近電磁流量計本體兩側(cè)的金屬管道或與管道焊接的配對法蘭上焊接“接地支耳”，以此實現(xiàn)可靠接地。相反，選用接地電極形式比較省材，投資成本相對較低，尤其是在氯堿燒堿工序中，多數(shù)強腐蝕性介質(zhì)的輸送管道為非導(dǎo)電性的襯塑管或絕緣塑料管，不可能通過焊接“接地支耳"的方式實現(xiàn)可靠接地，而只能選擇接地環(huán)或接地電極的形式接地，在此情形下，一般應(yīng)選用接地電極的形式接地;但由于接地電極一般都安裝固定在電磁流量計測量管的最低點，在輸送管道容易結(jié)垢的工況條件下，接地電極會因結(jié)垢被覆蓋而失去“接地”的作用，特別是流量計水平安裝時，選用接地電極應(yīng)予以慎重考慮。鑒于電解鹽水工藝的特殊性，二次鹽水精制中的電磁流量計，特別是最靠近電解槽的電磁流量計,如進(jìn)電解槽的鹽水、燒堿和鹽酸流量計，不得選用接地電極形式接地。這是因為，電解槽中的電解質(zhì)通常有3000~14700A的直流電流，通過導(dǎo)電的液體介質(zhì)容易發(fā)生漏電現(xiàn)象，“漏電”到達(dá)流量計測量管時，會流經(jīng)接地電極對地放電,使得金屬制作的接地電極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而電化學(xué)腐蝕接地電極，造成接地電極損壞，致使電磁流量計無法正常工作。。
六、結(jié)論。
綜上所述，盡管氯堿燒堿生產(chǎn)過程中的工況條件較為復(fù)雜，給電磁流量計的選型和應(yīng)用帶來了諸多困難;盡管如此，由于在儀表選型時很好地了解了工況條件并結(jié)合了現(xiàn)場的實際情況，以及在運行期間的精心操作與維護(hù)，目前，燒堿工序中在線使用的近50臺電磁流量計運行狀況良好，損壞率不超過1臺/年，確保了燒堿生產(chǎn)安全穩(wěn)定運行;并持續(xù)改進(jìn)，盡量降低投資成本。
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