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，對流量計的耐腐蝕性要求較高。智能型防腐電磁流量計具有耐腐蝕、精度高、易于維護(hù)、節(jié)約成本等優(yōu)點，已在磷酸生產(chǎn)中大規(guī)模使用。以某濕法磷酸裝置為例，介紹了智能型防腐電磁流量計的測量原理，電極、測量管內(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，我國磷化工行業(yè)日趨壯大，目前磷酸產(chǎn)量位列***一。國內(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、氟硅酸等強腐蝕性介質(zhì)。測量這些酸液的流量儀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、提高信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性是濕法磷酸工藝中流量測量的關(guān)鍵之處。智能型防腐電磁流量計適用范圍廣、精度高、耐腐蝕、易于維護(hù)、成本較低，適用于磷化工生產(chǎn)中的流體計量。國內(nèi)某 300 kt/a 磷酸裝置中大規(guī)模使用智能型防腐電磁流量計，并取得了良好的工作效果。
2 智能型防腐電磁流量計簡介
2．1 工作原理
智能型防腐電磁流量計的測量原理如圖 1 所示。根據(jù)法拉*電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)電液體在磁場中流動會產(chǎn)生電動勢 E，它與磁感應(yīng)強度 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)電流體在磁場中產(chǎn)生的電動勢，V;
K---比例系數(shù)，在管道內(nèi)徑 D 和磁感應(yīng)強度
B 不變的情況下，K 為常數(shù)，1;
B---磁感應(yīng)強度，T;
D---測量管內(nèi)徑，m;
v---導(dǎo)電液體平均流速，m/s。
智能型防腐電磁流量計利用上述函數(shù)關(guān)系推導(dǎo)出 v = E/(KBD)，實際測得的是液體流速 v，再通過被測介質(zhì)的體積流量 Q V = πD 2 v/4，計算導(dǎo)電流體介質(zhì)的流量。
2．2 計量系統(tǒng)組成
智能型防腐電磁流量計主要由兩部分組成:流量傳感器和信號變送器，如圖 2 所示。傳感器上的勵磁線圈接受變送器傳輸來的勵磁電流產(chǎn)生磁場，輸出感應(yīng)電動勢信號;信號變送器則將感應(yīng)電動勢信號轉(zhuǎn)換為流量信號或模擬量信號送至控制系統(tǒng)。智能型防腐電磁流量計按組成方式分為一體式和分體式。智能型防腐電磁流量計穩(wěn)定工作另外一個重要條件是接地。當(dāng)流體流動穿過磁場時，以導(dǎo)電流體本身作為參考電位，在測量管一側(cè)電極產(chǎn)生正電勢，另一側(cè)產(chǎn)生負(fù)電勢，形成電勢差。但此電動勢信號一般只有幾毫伏，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。傳感器和轉(zhuǎn)換器的接地端必須與被測介質(zhì)同電位，才能構(gòu)成對稱的輸入輸出回路。

2．3 系統(tǒng)特性
智能型防腐電磁流量計的主要特點如下:①不同于差壓式、容積式流量計，智能型防腐電磁流量計測量管內(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)行修正和補償，僅僅要求測量介質(zhì)的電導(dǎo)率 σ＞5 μS/cm;③量程比寬，輸出信號和流量成線性關(guān)系;④測量精度高，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)可以測量各種腐蝕性介質(zhì)的流量。
需要注意的是，智能型防腐電磁流量計不能測量非導(dǎo)電介質(zhì)的流量，也不適用于測量含有氣體的介質(zhì)，這樣會引起測量數(shù)據(jù)的大幅波動。
3 在濕法磷酸裝置中的應(yīng)用實例
國內(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)對流量計的選型要求很高，酸液的配比、濃度、溫度、雜質(zhì)、溶解氣體以及流速等都會影響接液材質(zhì)的耐腐蝕性。
智能型防腐電磁流量計主要的接液部分是電極和測量管襯里，要根據(jù)每一種腐蝕介質(zhì)的特性以及現(xiàn)場實際工況選擇合適的電極和襯里材質(zhì)，必要時可對擬選材料進(jìn)行耐腐蝕試驗，從而延長流量計的壽命，加強測量的可靠性。
3．1 電極材質(zhì)的選擇
智能型防腐電磁流量計電極的選擇至關(guān)重要。電極應(yīng)滿足被測介質(zhì)腐蝕特性，同時不能產(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。本裝置中智能型防腐電磁流量計電極材質(zhì)的選擇見表 1。

從表 1 可以總結(jié)出:對于有襯里管道，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;對于金屬管道，電極一般選擇比管道高一等級的材料，以 316L 和哈氏合金為主。特殊情況下，若測量易結(jié)晶、結(jié)疤、易沾污電極的介質(zhì)，還可選擇刮刀式電極，防止長時間流體沖刷，在電極上產(chǎn)生污垢。
3．2 測量管襯里材質(zhì)的選擇
智能型防腐電磁流量計要根據(jù)被測流體的溫度、壓力、速度以及含固顆粒的硬度、含量和粒徑大小來決定測量管內(nèi)襯的材質(zhì)。該濕法磷酸裝置中，智能型防腐電磁流量計測量管襯里材質(zhì)的種類見表 2。

從表 2 中可以看出，本項目中測量磷酸、硫酸、含氟酸和含酸洗滌水等流量時，智能型防腐電磁流量計采用PFA 內(nèi)襯，這種氟內(nèi)襯幾乎耐用于各種強腐蝕性介質(zhì)，同時測量管內(nèi)附有不銹鋼絲網(wǎng)，增強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，長時間流體會破環(huán)樹脂或者塑料類的襯里，此處選用陶瓷內(nèi)襯，延長流量計工作壽命。普通工藝用水等介質(zhì)選用經(jīng)濟(jì)實用橡膠類襯里即可。
3．3 接地方式
根據(jù)上述智能型防腐電磁流量計的安裝要求知，智能型防腐電磁流量計需進(jìn)行液體接地才能正常工作。流量計可通過使用無內(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。對于不同材質(zhì)的管道，智能型防腐電磁流量計的接地方式也不一樣。
3．3．1 安裝在金屬管道上
智能型防腐電磁流量計安裝在金屬管道上，安裝時將金屬管道與智能型防腐電磁流量計相連接，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)電液體作為差動電勢信號的基準(zhǔn)點與轉(zhuǎn)換器的信號連接起來，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，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，本裝置中智能型防腐電磁流量計的電極材質(zhì)主要使用鉑 － 銥合金，若在其他場合或被測流體介質(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)省費用，本項目中濕法磷酸裝置中智能型防腐電磁流量計接地采用三電極方式，即在傳感器測量管與測量電極成垂直的*低點，另外加一個電極(和測量電極材質(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)用到智能型防腐電磁流量計上。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，使測量電路在液體的電勢浮動，只有當(dāng)流經(jīng)流量傳感器時，導(dǎo)電液體的流速產(chǎn)生感應(yīng)電壓。這種轉(zhuǎn)換器信號的特殊處理允許流量計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*三電極的成本。
4 結(jié)束語
只要選擇合適的電極材質(zhì)和測量管襯里材質(zhì)，智能型防腐電磁流量計就可以適應(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)，使用智能型防腐電磁流量計進(jìn)行流量測量是計量儀的*選。目前各智能型防腐電磁流量計廠商都會提供自家產(chǎn)品對應(yīng)的耐腐蝕材質(zhì)選擇表，在設(shè)計選型中，除了根據(jù)介質(zhì)特性先行選擇對應(yīng)的電極和襯里材質(zhì)外，也需要根據(jù)各家智能型防腐電磁流量計的特點確定其方案。同時安裝時要根據(jù)實際情況采取不同的接地方式，以保證智能型防腐電磁流量計穩(wěn)定地工作。

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