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摘要:針對目前市場對計量高壓氣體渦輪流量計的大量需求，設(shè)計了一種新型高壓氣體渦輪流量計的結(jié)構(gòu)方案。在常壓氣體渦輪流量計研究的基礎(chǔ)上，對殼體的材料與結(jié)構(gòu)、主軸承的供油系統(tǒng)及其軸向緩沖結(jié)構(gòu)進行研究。采用理論分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及試驗驗證，研制了適用于高壓環(huán)境的氣體渦輪流量計。通過耐壓試驗臺裝置模擬管道介質(zhì)壓力，對流量計供油系統(tǒng)及主承壓殼體進行可靠性測試;根據(jù)測試試驗數(shù)據(jù)，提出關(guān)于推力與活塞面積、介質(zhì)接觸面積以及介質(zhì)壓力之間所存在的經(jīng)驗公式;通過高壓環(huán)道裝置，在不同壓力、不同流量下，對整機進行示值誤差性能測試及分析，以優(yōu)化軸向緩沖結(jié)構(gòu)。測試結(jié)果表明，該新型高壓氣體渦輪流量計能安全、準確，可長期應(yīng)用于高壓介質(zhì)計量領(lǐng)域。
0引言
　　隨著國家西氣東輸、川氣東送等管道的建成，大量的高壓、大口徑天然氣流量計應(yīng)用于管道沿線的分輸計量站［1］。在煤改氣的大環(huán)境下，其必將刺激市場對氣體流量計的大量需求。氣體渦輪流量計是目前國內(nèi)少數(shù)能在高壓下計量的流量計。本文將對其如何在高壓工況條件下安全、可靠運行進行分析，主要針對承壓部件(殼體)結(jié)構(gòu)理論計算、主軸承供油功能以及高壓損時如何避免或減小軸向力對軸承的軸向沖擊進行結(jié)構(gòu)研究及試驗驗證，以此深入積累氣體渦輪流量計在高壓氣體介質(zhì)中運行的經(jīng)驗，為今后產(chǎn)品的改進與研發(fā)提供理論支持。
1環(huán)境適應(yīng)性研究
1.1殼體結(jié)構(gòu)和材料
　　流量計作為一種具有爆炸危險性的承壓類計量器具，廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測與控制、城市燃氣檢測或計量等領(lǐng)域。在使用過程中，其材料既承受環(huán)境或介質(zhì)的接觸腐蝕，又承受復(fù)雜的應(yīng)力載荷。在腐蝕和載荷的共同作用下，流量計殼體材料容易發(fā)生損傷和失效，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞、泄漏或爆炸等惡性事故。其常見的失效模式有強度失效、剛度失效、失穩(wěn)失效和泄漏失效［2］。本小節(jié)僅針對強度失效這一現(xiàn)象進行分析。以TBQM-DN300焊接殼體為例，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　在高壓介質(zhì)的工況環(huán)境下，對主承壓零件———殼體的材質(zhì)選型以及強度校核應(yīng)進行理論計算分析及校核。其壁厚的計算公式依據(jù)標準《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》(GB50316-2000)［3］。當直管計算厚度ts小于直管外徑D0的1/6時，承受內(nèi)壓直管的計算厚度不應(yīng)小于式(1)的計算值。設(shè)計厚度tsd應(yīng)按式(3)計算。

　　式中:ts為直管計算厚度，mm;P為設(shè)計壓力，MPa;D0為直管外徑，mm;［σ］t為在設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa;Ej為焊接接頭系數(shù);tsd為直管設(shè)計厚度，mm;C為厚度附加量之和，mm;C1為厚度減薄附加量，mm;C2為腐蝕或腐蝕附加量，mm;Y為計算系數(shù)。
　　設(shè)計溫度根據(jù)流量計使用溫度選取，一般為－20～+80℃;設(shè)計壓力P根據(jù)ANSI600法蘭公稱壓力，選取為11MPa;鋼管外徑及公稱壁厚分別為377mm與22mm，其余參數(shù)按《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》與《壓力管道規(guī)范-工業(yè)管道第2部分:材料》標準選取。將以上相關(guān)參數(shù)按式(1)計算。厚度附加量C1與腐蝕附加量C2取值按《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》與《鋼制對焊管件規(guī)范》標準選取，并代入式(3)。由此可得直管厚度校核計算參數(shù)，如表1所示。
圖表1直管厚度校核計算參數(shù)表

　　由表1可知，鋼管的公稱壁厚大于設(shè)計壁厚，故所選鋼管的壁厚符合要求。因許用應(yīng)力已考慮到安全系數(shù)，故建議公稱壁厚選擇可按設(shè)計厚度的1.1倍選擇即可。不難看出，流量計殼體在選材時，應(yīng)滿足殼體的高壓工作條件，并需考慮內(nèi)部介質(zhì)腐蝕及載荷沖擊等失效形式，同時結(jié)合產(chǎn)品成本等相關(guān)因素。綜上所述，本文流量計殼體采用Q345材質(zhì)，最小壁厚為22mm。
1.2供油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化
　　渦輪流量計屬于速度式流量計量儀器。其通過采集渦輪旋轉(zhuǎn)頻率并結(jié)合溫度、壓力傳感器相關(guān)參數(shù)，計量流過流量計的標況體積量。其旋轉(zhuǎn)部件一般選用深溝球滾珠軸承。其正常運行時需要潤滑，否則干摩擦?xí)�很快損壞軸承。本小節(jié)所研究的是如何克服在高壓介質(zhì)工況條件下產(chǎn)生的反作用力對潤滑油的進入造成的不良影響。
　　假設(shè)軸承腔體內(nèi)部的油路結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中:��2為潤滑油與介質(zhì)接觸的噴嘴直徑，前噴嘴與軸向成60°夾角。
圖2軸承腔體油路結(jié)構(gòu)圖

　　由圖2可知，其流量計外部需配套油泵組件及外部外管，由單向閥、活塞、手柄、油杯等組成。假設(shè)活塞直徑為12mm，對流量計內(nèi)部按照氣密性試驗要求進行加壓并測試，同時在單向閥與活塞的潤滑油腔室中檢測其潤滑油液體壓力，數(shù)據(jù)記錄如表2所示。
圖表2壓力數(shù)據(jù)表（12mm活塞）

　　從表2數(shù)據(jù)可知，供油壓差與介質(zhì)壓力的比值為0.059～0.061，平均值為0.06。而潤滑油和氣體介質(zhì)接觸噴嘴面積S1與供油活塞的面積S2比值相近。按圖2噴嘴幾何尺寸，并結(jié)合活塞直徑，計算面積之比:

　　油杯供油阻力來自氣體介質(zhì)壓力的反作用力、密封圈摩擦以及沿程阻力、壓縮彈簧所產(chǎn)生的反作用力等。其中，最為明顯的是氣體介質(zhì)壓力的反作用力。其在活塞處的受力情況為:
F=P2S2=(S1+S2)P1(5)
　　P1來自法蘭公稱壓力等級，其按設(shè)計要求進行選取。若需降低氣體介質(zhì)壓力對供油的阻力，可對S1、S2的相關(guān)參數(shù)進行調(diào)整。如將供油活塞的外徑按8mm設(shè)計，相關(guān)數(shù)據(jù)記錄如表3所示。
圖表3壓力數(shù)據(jù)表(8mm活塞）

　　從表3數(shù)據(jù)可知，供油壓差與氣體介質(zhì)壓力的比值在0.134～0.135范圍內(nèi)，平均值為0.134。而潤滑油和氣體介質(zhì)接觸面積S1與供油活塞的面積比值相近。按圖2噴嘴幾何尺寸，并結(jié)合活塞直徑，計算面積之比:
式6

　　由此可初步驗證經(jīng)驗公式(3)的正確性。與此同時，當氣體介質(zhì)壓力為9.45MPa時，其活塞受力與其外徑息息相關(guān)�；钊�外徑尺寸分別為12mm與8mm時，其所承受的反作用力為1132.74N與538.98N。
2推力軸承研究試驗
　　隨著氣體介質(zhì)壓力的增加，在管道上進行計量的氣體渦輪流量計前后壓差必將增大。壓差的變化將影響葉輪的受力狀況。通常情況下，氣體介質(zhì)的壓力并不是穩(wěn)定增加或減小，頻繁變化的壓差容易使葉輪受到?jīng)_擊，從而無法計量流量［4］。
　　工業(yè)生產(chǎn)中的大型旋轉(zhuǎn)機械由徑向軸承支承，并配以推力軸承以抵消軸向力。通常在對此類機械進行研究時，注意力集中在徑向軸承的行為上，而忽視了推力軸承對系統(tǒng)橫向振動的影響［5］。
　　深溝球軸承加推力軸承的組合，可在承受很高徑向負荷的同時承受一定的軸向負荷。根據(jù)以往的經(jīng)驗，組合軸承理論上能保證葉輪在受到氣體的軸向沖擊時，由推力軸承抵消部分作用在深溝球軸承的軸向力，以保護深溝球軸承免于損壞［6］。
　　本文接下來將對氣體渦輪流量計進行氣體沖擊試驗，研究對比氣體渦輪流量計在配有推力軸承和沒有推力軸承的情況下的檢定數(shù)據(jù)，以此探索和驗證推力軸承在高壓氣體渦輪流量計應(yīng)用的可行性。
2.1檢定所用的裝置
　　本文帶壓檢定所用裝置是高壓環(huán)道氣體流量標準裝置。其以空氣為介質(zhì)，工作壓力范圍為0.1～2.0MPa，其流量范圍為1～2500m3/h，檢測口徑為DN20～DN250，不確定度為0.33%。
2.2試驗對象
　　試驗對象為2臺TBQM-G160-DN100渦輪流量計。流量范圍為20～400m3/h，壓力等級為PN16。為了便于區(qū)分，將殼體編號為17110971的渦輪流量計標記為TA，殼體編號為17110957的渦輪流量計標記為TB。其中:TA按照標準裝配工藝，不配推力軸承;TB在TA的基礎(chǔ)上加裝了一只推力軸承。TB的機芯結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3機械芯結(jié)構(gòu)圖

2.3試驗步驟
2.3.1常壓檢定
　　首先，對2臺流量計進行常壓檢定。檢定參照JJG1037-2008《渦輪流量計檢定規(guī)程》［7］，檢定的流量點為7點。
2.3.2
　　氣體沖擊試驗與高壓檢定為了研究加裝推力軸承的流量計在高壓情況下的計量特性，以及其抗氣體沖擊的能力是否達到預(yù)期的效果，本試驗將在高壓環(huán)道氣體流量標準裝置中進行。同時，為達到試驗要求，在裝置上加裝一個手動球閥，如圖4所示，以有效避免標準裝置損壞。
圖4高壓沖擊試驗裝置結(jié)構(gòu)圖

①在高壓環(huán)道氣體流量標準裝置上，對2臺流量計進行多種壓力情況下的標定，壓力分別為常壓、0.8MPa、1.6MPa。
②進行氣體沖擊試驗，而后進行檢定。本文要試驗流量計在壓力波動情況下的抗沖擊能力，但是受限于目前的技術(shù)和設(shè)備，暫時沒辦法完全按照試驗要求來配置裝置。天信儀表集團的高壓環(huán)道氣體流量標準裝置可以分別對每段管段或者不同區(qū)域進行單獨加壓，以實現(xiàn)不同壓力的氣體對渦輪流量計的沖擊。首先，將圖4中的自動閥1、2關(guān)閉，同時手動關(guān)閉手動閥;然后對單獨加壓區(qū)加壓到測試壓力值。由于被檢表正處于常壓情況下，可瞬間打開手動閥，以保證流量計瞬時壓差達到測試壓力值(即對被檢表進行軸向沖擊，以模擬因人為誤操作而形成對高壓渦輪流量計葉輪的沖擊)。
③分別對2臺渦輪流量計進行0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa、1.6MPa的壓力沖擊，在每個壓力沖擊完成后進行常壓檢定，并對比數(shù)據(jù)。
2.4試驗數(shù)據(jù)及分析
2.4.1常壓檢定數(shù)據(jù)
　　常壓檢定數(shù)據(jù)如表5所示。以其作為基準數(shù)據(jù)，便于與高壓、沖擊后測試數(shù)據(jù)進行比對分析，從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律并對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化［8］。
圖表5常壓檢定數(shù)據(jù)

表5中:TA的儀表系數(shù)為13599.17;TB的儀表系數(shù)為13488.77。
2.4.2高壓與沖擊后檢定數(shù)據(jù)
①TA在0.1MPa(常壓)、0.8MPa、1.6MPa壓力下的示值誤差曲線如圖5所示。圖5中，上限和下限折線表示合格示值誤差的臨界點，合格的流量計產(chǎn)品的示值誤差必須在上限和下限之間。
圖5示值誤差曲線

TA每次經(jīng)過高壓氣體沖擊后再進行常壓檢定的示值誤差曲線如圖6所示。
圖6不同壓力沖擊后的示值誤差曲線

　　圖6中:A為常壓檢定示值誤差曲線;B～I分別為0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa、1.6MPa壓力沖擊后的常壓檢定示值誤差曲線。與常壓下所測的數(shù)據(jù)對比，當氣體壓力大于或等于0.4MPa時，經(jīng)過氣體沖擊的氣體渦輪流量計的示值誤差曲線斜率增加，主要表現(xiàn)在小流量的示值誤差與流量計沒經(jīng)過沖擊時測的數(shù)據(jù)相差甚多，小流量示值誤差接近EN12261所規(guī)定的最大允許誤差(±2%)。而當氣體壓力為0.8MPa時，小流量示值誤差達到峰值，為－1.824%。
②編號為TB的表在0.1MPa(常壓)、0.8MPa、1.6MPa壓力下的示值誤差曲線如圖7所示。
圖7示值誤差曲線

　　對比圖7和圖5可知，在沒有高壓氣體沖擊而僅在高壓介質(zhì)下的檢定，相較于普通渦輪流量計，帶推力軸承的氣體渦輪流量計在不同壓力下的線性曲線更加穩(wěn)定。
TB每次經(jīng)過高壓氣體沖擊后再進行常壓檢定的示值誤差曲線如圖8所示。
圖8不同壓力沖擊后的示值誤差曲線

　　圖8中:A’為常壓檢定示值誤差曲線;B’～I’分別為0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa、1.6MPa壓力沖擊后的常壓檢定示值誤差曲線。
　　從圖8中可以看出，大部分的曲線都在上下限之間，曲線穩(wěn)定，且與常壓下的檢定數(shù)據(jù)相差不大。唯獨在壓力1.6MPa的氣體沖擊后，小流量的示值誤差較大，為－1.306%，但其在最大允許誤差限之內(nèi)。從數(shù)據(jù)上看，TB的抗沖擊能力優(yōu)于TA。
3結(jié)束語
　　本文對目前氣體渦輪流量計在高壓工況下的幾個問題進行了分析改進和試驗驗證。首先，根據(jù)計算及理論分析，選擇材質(zhì)以及設(shè)計壁厚。其次，設(shè)計改進的油泵結(jié)構(gòu)可在高壓狀況下更輕松地對軸承供油，保證高效穩(wěn)定，避免了高壓下無法給軸承供油的極端情況;同時，根據(jù)測試試驗數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出關(guān)于推力與活塞面積、介質(zhì)接觸面積以及介質(zhì)壓力之間所存在的經(jīng)驗公式，為后期油泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。通過上述受力情況分析并結(jié)合人體工程學(xué)對手動加油手柄進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，使其滿足高壓氣體介質(zhì)的供油功能。最后，安裝了推力軸承后的氣體渦輪流量計，在高壓下有更強的抗沖擊能力。目前，在1.6MPa壓力沖擊下，示值誤差能滿足要求。鑒于目前的試驗研究還不夠系統(tǒng)和全面，未來將進行更多的改進及試驗，使產(chǎn)品能夠承受更高的壓力沖擊，實現(xiàn)流量計量更精確、更可靠的目標。

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