摘要:為了解高分子聚合物黏性溶液對浮子流量計流量測量的影響,采用由不同材料與不同形狀浮子構成的浮子流量計分別對動力黏度從1MPa.s到2692MPa.s范圍的高分子聚合物溶液進行流量測量，根據對不同浮子流量計受黏性影響實驗的分析,獲得了高分子聚合物黏性溶液對浮子流量計測量影響的規律。在此基礎上,討論和總結了通過優化浮子流量計結構以減小高分子聚合物黏性溶液影響的機理。高聚物黏性溶液對浮子流量計測量影響。
1引言
在石油的開發和加工過程中,經常會用浮子流量計來測量黏性流體的流量。由于黏性流體產生的黏性摩擦力會改變浮子流量計內部浮子所受合力的大小,從而影響測量的正確率。為了解決這個問題,許多專家做了大量的研究,但研究的黏性介質通常是低黏流體，而針對高黏性溶液對浮子流量計流量影響的實驗研究卻鮮見于文獻中;同時在實際工程中所測量的高黏滯性流體多是高分子聚合物黏性溶液。鑒于上述原因,本文研究了寬黏度范圍高分子聚合物黏性溶液對于浮子流量計測量的影響。
2研究背景
2.1浮子流量計的工作原理
浮子流量計基本工作原理如圖1所示,在垂直的錐形管中放置一阻力件。也就是浮子。當流體自下而上流過錐管時,由于浮子的阻塞作用使其上下表面產生了壓差,從而對浮子形成一個向上的作用力，如果所測流體是黏性流體,還應該考慮浮子表面的黏性摩擦力。當升力大于浮子本身的重力時,浮子向上運動,浮子與錐形管之間的環通面積增大,流速減低,此時浮子對流體阻力作用減小。當浮子受到的合力達到平衡時，浮子就會停留在某一高度。
經典的浮子流量計流量公式為:
式中:Qv.為浮子流量計的體積流量,m3/s,a為流量系數;D0為浮子最大迎流面的直徑,m;h為浮子在錐管中流向位置,m;φ為錐形管夾角,();vf為浮子體積,m3;ρf,為浮子的材料密度,kg/m3;ρ為流體密度,kg/m3;Af為浮子垂直于流向的最大截面積,m2。
浮子流量計有很多優點:工作可靠、易于安裝和維.護,對于直讀式儀表無須電源與轉換電路,擅于測量微小流量,適用于高溫高壓條件,能測量腐蝕性氣體和液體。此外,浮子流量計有黏度補償的特點,即合理設計浮子形狀可以減小測量過程中介質黏度對浮子流量計測量的影.響,從而保證在某一黏度范圍內,浮子流量計測量誤差能夠滿足使用要求。所以,本文在研究高分子聚合物黏性溶液對浮子流量計影響規律的基礎上,總結了減小流體黏性對浮子流量計測量影響的浮子結構，并分析了該類特征結構能夠減小流體黏性對其測量影響的原理。
2.2高分子聚合物溶液黏性特征
黏性產生于流體輸運特性中的動量輸運,牛頓首先根據剪切流動的實驗結果推導出在流體內部存在剪切速率γ時,作用在與該速度梯度方向垂直的單位面積上剪切應力τ與r之間的關系式:
當式(2)中的》為常數時,符合這一規律的流體即被稱為牛頓流體;如果η不是常數，稱該流體為非牛頓流體。高分子聚合物溶液就是典型的非牛頓流體。非牛頓流體又可分為假塑性流體膨脹性流體和賓漢流體,圖2給出了牛頓流體與非牛頓流體的剪切流動曲線。
圖2中通過原點的曲線1是牛頓流體的流動曲線;曲線2表示流體黏度隨剪切率的增加而減小，稱為剪切變稀,這種流體稱為假塑性流體,幾乎絕大多數的高分子聚合物濃溶液與熔體屬于假塑性流體;曲線3表示流體的黏度隨著剪切速率的增加而增加,稱為剪切變稠.這種流體稱為膨脹性流體;曲線4表示流體在流動前存在一個屈服力,只有當剪切力大于屈服力時才出現流動,這種流體被稱之為賓漢流體。膨脹性流體與賓漢流體在高分子流體中較為少見,故本文重點研究假塑性高分子聚合物流體對浮子流量計測量的影響。需要指出的是,在剪切速率(或剪切力)非常小的極限情況下,假塑性非牛頓流體的黏度接近于常數,同時也是該假塑性非牛頓流體的最大黏度值，該值被稱為零剪切黏度或絕對黏度,用o表示。
3實驗方法與實驗設備
3.1實驗方法
本實驗以甲基纖維素(methylcelulose)的水溶液作為被測介質,該溶液是顏色透明的假塑性高分子聚合物黏性流體,實驗中通過改變甲基纖維素在水中的溶解比.例來控制黏性溶液的黏度大小。由于甲基纖維素黏性溶液密度與水非常接近(常溫下為1001kg/m3),故在變黏度實驗中不需要對甲基纖維素水溶液的流量測量結果進行密度修正。
為了檢驗浮子流量計受到高分子聚合物黏性溶液的影響程度,實驗首先通過水溶液標定各個浮子流量計的浮子流向高度與流量的關系，即在錐管的不同高度上標注對應刻度流量值,使用已標定好的浮子流量計測量零剪切黏度?0的高分子聚合物黏性溶液,由于黏性的影響,浮子流量計所測量黏性溶液的流量值與真實流量值有一定誤差,測量誤差按式(3)計算:
式中:K01為第1個實驗點浮子流量計測量零剪切黏度等于no時黏性溶液的測量誤差;e.,為第i個實驗點在同行程n次測量中浮子流量計測量零剪切黏度等于》。時黏性溶液流量的算術平均值;erw,為第i個實驗點在同行程n次測量中浮子流量計測量水流量的算術平均值;Qum為浮子流量計流量測量的上限值;K,為浮子流量計測量零剪切黏度等于n。時黏性溶液的測量誤差．
當各浮子流量計測量同一黏度的高分子聚合物溶液時,測量誤差越大說明浮子流量計受到的流體黏性影響越大;反之,說明該浮子流量計受到的流體黏性影響越小。
3.2.實驗裝置
本實驗是在流體其他特性(溫度壓力、密度)完全.相同的情況下，僅改變被測聚合物溶液的黏度,對多個黏.度點進行浮子流量計的特性實驗。實驗裝置可以采用稱重法和標準表法測量,稱重法的精度為±0.2%，標準表法測量中所采用標準表是受流體黏度影響小的羅茨流量計,標準表法的精度為地±05%,圖3是實驗用流量標準裝置示意圖。
3.3實驗中使用的浮子流量計
選用DN25mm口徑浮子流量計進行實驗,其中選用了5個形狀不同浮子組成的浮子流量計，通過物理實驗來比較不同浮子流量計受黏度影響的規律,其中個別形狀的浮子分別用2種不同材料各制造1個，以檢驗不同密度的浮子受黏性影響程度,圖4給出各種類型浮子的形狀示意圖。
4實驗結果與分析
4.1黏性溶液對不同材質浮子所構成的浮子流量計測量的影響
為了檢驗高分子聚合物黏性溶液對不同密度材質的浮子所構成的浮子流量計流量測量的影響,本實驗分別制造了鋁和不銹鋼2種材料的CF__C和DF__C型浮子,同時保證不同材料的浮子具有相同的尺寸和表面光潔度。根據式(3)得到鋁質與不銹鋼質浮子所構成的浮子流量計測量黏性溶液流量的測量誤差對比,如圖5和圖6所示。
從圖5和圖6可以看出,黏性流體對流體測量的影響是不可忽視的,其中最大黏度測量誤差接近于16%,最小測量誤差也在2%左右。在鋁質與不銹鋼質浮子所構成的浮子流量計測量聚合物黏性溶液的測量誤差比較圖中,可以很清楚地看出鋁制浮子所構成的浮子流量計的測量誤差要遠遠的高于同體積的不銹鋼質浮子構成的浮子流量計,特別是DF__C型的對比更明顯,這表明流體黏性對測量結果的影響與浮子密度有密切的關系,同一體積下,浮子密度越大,質量越大，黏性力對浮子流量計測量性能的影響越小。
4.2黏性溶液對不同形狀浮子所構成的浮子流量計測量的影響
比較圖5與圖6還可以發現,在使用同一種材質但不同形狀的浮子時,浮子流量計受到的黏性影響也不同,這說明改變浮子的形狀也可以減小黏性對浮子的影響,所以本實驗進一步測試了黏性溶液對5種不同形狀的不銹鋼質浮子所構成的浮子流量計的影響,實驗中測試了6組高黏度的甲基纖維素溶液,它們的零剪切黏度分別137MPa·s495MPa·s~1215MPa.s~1692MPa.s.1962MPa·s和2692MPa·s,根據實驗測量結果可以獲得各種形狀的浮子所構成浮子流量計的黏度修正曲線,如圖7~11所示,浮子流量計的鉆性修正曲線反映了當浮子在錐管中保持一定流向高度時，所通過的不同黏度流體的流量變化曲線。
圖7~11中可以看出黏度修正曲線隨黏度變化的基本規律,即浮子流量計在測量黏度大于水的黏性溶液時，保持錐管中浮子在一定高度,流量計所測黏性溶液的實際流量要小于水的實際流量,而且隨著黏度的增加.修正曲線中流量值繼續變小。從流體力學角度出發,一般把物體在黏性流體中運動所受的阻力分為摩擦阻力和壓差阻力,前者是表面切應力的貢獻,后者則為表面壓強的作用,表面切應力與表面壓強的大小都與黏性有關,由于浮子受到向上的升力就是摩擦力與壓差的合力,一般情況下,流體介質黏性越大,浮子受到的流向黏性力就越大,所以隨著流體黏性的增加,浮子平衡在一定高度所需要的流量就越小。
從圖7~11中可以發現,在ACF型與DFL型浮子流量計的黏度修正曲線中,流量值并非隨著黏度增加而單調減小，修正曲線在零剪切黏度小于500MPa，s區間出現抬升現象,顯示出低于水溶液黏度的低黏流體黏度修正曲線特征。
根據邊界層理論,無論是層流還是湍流,由于黏性而使物面邊界產生邊界層(渦層).當黏性流體流過浮子最.大截面后突然流動“分離”。這樣產生的分離層迅速形成1個或多個渦,這樣的渦可以滯留在物體后部。也就是說.流體流經浮子與管壁之間的環隙時.環隙速度增大，流體在截面內均勻分布,當截面沿流動方向突然增大的時候,由于分離形成了滯留在浮子最大截面后部渦流區,從而形成逆流,使浮子整體表面所受到的黏性摩擦力在流動方向減小,甚至與浮子上升方向相反，這樣就減小了黏性摩擦力的作用,部分抵消了流體黏性作用于流向方向的壓差阻力.對于ACF型和DF._L型浮子來說.ACF型浮子具有特別鋒利的邊緣和靠前的分離點,流體流過最大截面后。在浮子后部出現劇烈的旋渦,故反向于流向的黏性力很顯著:而DF.L型雖然較ACF型分離點靠后,但其后部處在渦流區的浮子表面積要大于ACF型.浮子的表面積(DF.L型為圓柱,而ACF型為圓臺).所以其在旋渦區所受反向黏性摩擦合力并不比ACF的小,故在2種類型的浮子修正曲線中,出現了在較低黏度區域的曲線抬高現象。分析ACF型、DF.L型浮子流量計測量黏度大于500MPa.:以上的黏性溶液所得黏性曲線以及其他3種類型浮子的黏性曲線,雖然在渦旋區內的:淳子摩擦阻力有減小黏性影響的效果。但浮子上下表面受黏性介質影響的壓差阻力比摩擦阻力更顯著，即摩擦阻力與壓差阻力的流向合力還是隨黏性的增加而增大;同時由于黏性增大.在同樣的入口流量下.雷諾數減小。弱化了經過分離點形成的旋渦.旋渦作用于浮子表面且反向于流向的黏性摩擦力減小,所以在大于500MPa.s的高黏度范圍,浮子流量計黏性修正曲線中的流量隨著黏度的增加而單調減小.
根據測量結果得到上述各種類型浮子所構成的流量計測量不同黏度溶液時的測量誤差,如表1所示.
從表1可以看出受黏度影響最小的是ACF型與DF.L型浮子,它們測量最大黏性溶液時測量誤差分別25.8256%和297902%;平均測量誤差分別為135734%和114269%;如果測量黏度在495MPa.s范圍的聚合物黏性溶液.2種浮子的測量誤差可以控制在5%。對于DFL型浮子,其測量誤差只有28234%。而上述ACF型與DFL型浮子能夠減黏的機理正是在討論黏性修正曲線出現抬升現象時所給出的分析,兩方面的數據都驗證了渦旋對浮子流量計的減黏作用。
同時表1也表明,盡管浮子流量計所測量的高分子聚合物溶液黏性很高,但任意一種形狀浮子所構成的浮子流量計在測量零剪切黏度為2692MPa.s范圍內的甲基纖維素溶液的測量誤差最大不超過37%。浮子流量計在測量聚合物溶液過程中的黏度不敏感性來源于假塑性聚合物溶液的剪切稀化現象和浮子流量計特有的工作原理,即當流體流經浮子與錐管之間的狹小空間時,強烈的剪切使假塑性流體溶液中的粒子發生定向、伸展變形或分散等運動,使流動阻力減少,從而使浮子流量計在測量聚合物黏性溶液流量時受到了較小的黏性影響;同時也說明采用優化浮子結構來減小黏性流體對浮子流量計測量影響的方法是可行的。
5結論
(1)浮子流量計在測量高分子聚合物黏性流體溶液時會受到液體粘性力的影響,其表現為浮子流量計的指示流量大于實際流量,而且隨著液體黏度的增加，這種影響也隨之增大。
(2)利用浮子流量計測量高分子黏性溶液時,同一體積的浮子,其密度越大,浮子流量計受到的黏性影響.越小。
(3)浮子迎流面的邊緣越鋒利分離點越靠前,受到的黏性影響就越小;由于邊界層分離產生了渦旋場,當浮.子分離點后部的表面積越大,浮子流量計受到的流體黏性影響越小.
(4)高分子聚合物溶液流經浮子與錐管之間的狹小空間時，強烈的剪切使高分子黏性溶液中的粒子發生向伸展變形或分散等運動，從而使流動阻力減少，
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