摘要:針對(duì)目前市場(chǎng)對(duì)計(jì)量高壓氣體渦輪流量計(jì)的大量需求，設(shè)計(jì)了一種新型高壓氣體渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)方案。在常壓氣體渦輪流量計(jì)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)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(jìn)行研究。采用理論分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)驗(yàn)證，研制了適用于高壓環(huán)境的氣體渦輪流量計(jì)。通過耐壓試驗(yàn)臺(tái)裝置模擬管道介質(zhì)壓力，對(duì)流量計(jì)供油系統(tǒng)及主承壓殼體進(jìn)行可靠性測(cè)試;根據(jù)測(cè)試試驗(yàn)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(yàn)公式;通過高壓環(huán)道裝置，在不同壓力、不同流量下，對(duì)整機(jī)進(jìn)行示值誤差性能測(cè)試及分析，以優(yōu)化軸向緩沖結(jié)構(gòu)。測(cè)試結(jié)果表明，該新型高壓氣體渦輪流量計(jì)能安全、準(zhǔn)確，可長(zhǎng)期應(yīng)用于高壓介質(zhì)計(jì)量領(lǐng)域。
0引言
　　隨著國(guó)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(jì)應(yīng)用于管道沿線的分輸計(jì)量站［1］。在煤改氣的大環(huán)境下，其必將刺激市場(chǎng)對(duì)氣體流量計(jì)的大量需求。氣體渦輪流量計(jì)是目前國(guó)內(nèi)少數(shù)能在高壓下計(jì)量的流量計(jì)。本文將對(duì)其如何在高壓工況條件下安全、可靠運(yùn)行進(jìn)行分析，主要針對(duì)承壓部件(殼體)結(jié)構(gòu)理論計(jì)算、主軸承供油功能以及高壓損時(shí)如何避免或減小軸向力對(duì)軸承的軸向沖擊進(jìn)行結(jié)構(gòu)研究及試驗(yàn)驗(yàn)證，以此深入積累氣體渦輪流量計(jì)在高壓氣體介質(zhì)中運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，為今后產(chǎn)品的改進(jìn)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(jì)作為一種具有爆炸危險(xiǎn)性的承壓類計(jì)量器具，廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)與控制、城市燃?xì)鈾z測(cè)或計(jì)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(jì)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(qiáng)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(duì)強(qiáng)度失效這一現(xiàn)象進(jìn)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(duì)主承壓零件———?dú)んw的材質(zhì)選型以及強(qiáng)度校核應(yīng)進(jìn)行理論計(jì)算分析及校核。其壁厚的計(jì)算公式依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50316-2000)［3］。當(dāng)直管計(jì)算厚度ts小于直管外徑D0的1/6時(shí)，承受內(nèi)壓直管的計(jì)算厚度不應(yīng)小于式(1)的計(jì)算值。設(shè)計(jì)厚度tsd應(yīng)按式(3)計(jì)算。

　　式中:ts為直管計(jì)算厚度，mm;P為設(shè)計(jì)壓力，MPa;D0為直管外徑，mm;［σ］t為在設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算系數(shù)。
　　設(shè)計(jì)溫度根據(jù)流量計(jì)使用溫度選取，一般為－20～+80℃;設(shè)計(jì)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(jì)規(guī)范》與《壓力管道規(guī)范-工業(yè)管道第2部分:材料》標(biāo)準(zhǔn)選取。將以上相關(guān)參數(shù)按式(1)計(jì)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(duì)焊管件規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)選取，并代入式(3)。由此可得直管厚度校核計(jì)算參數(shù)，如表1所示。
圖表1直管厚度校核計(jì)算參數(shù)表

　　由表1可知，鋼管的公稱壁厚大于設(shè)計(jì)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(jì)厚度的1.1倍選擇即可。不難看出，流量計(jì)殼體在選材時(shí)，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(shí)結(jié)合產(chǎn)品成本等相關(guān)因素。綜上所述，本文流量計(jì)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(jì)優(yōu)化
　　渦輪流量計(jì)屬于速度式流量計(jì)量?jī)x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(jì)量流過流量計(jì)的標(biāo)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(yùn)行時(shí)需要潤(rùn)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(duì)潤(rùn)滑油的進(jìn)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(rùn)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(jì)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(duì)流量計(jì)內(nèi)部按照氣密性試驗(yàn)要求進(jìn)行加壓并測(cè)試，同時(shí)在單向閥與活塞的潤(rùn)滑油腔室中檢測(cè)其潤(rùn)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(rùn)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(jì)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(jí)，其按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行選取。若需降低氣體介質(zhì)壓力對(duì)供油的阻力，可對(duì)S1、S2的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。如將供油活塞的外徑按8mm設(shè)計(jì)，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(rùn)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(jì)算面積之比:
式6

　　由此可初步驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)公式(3)的正確性。與此同時(shí)，當(dāng)氣體介質(zhì)壓力為9.45MPa時(shí)，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(shí)，其所承受的反作用力為1132.74N與538.98N。
2推力軸承研究試驗(yàn)
　　隨著氣體介質(zhì)壓力的增加，在管道上進(jìn)行計(jì)量的氣體渦輪流量計(jì)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(jì)量流量［4］。
　　工業(yè)生產(chǎn)中的大型旋轉(zhuǎn)機(jī)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(duì)此類機(jī)械進(jìn)行研究時(shí)，注意力集中在徑向軸承的行為上，而忽視了推力軸承對(duì)系統(tǒng)橫向振動(dòng)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(fù)荷的同時(shí)承受一定的軸向負(fù)荷。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，組合軸承理論上能保證葉輪在受到氣體的軸向沖擊時(shí)，由推力軸承抵消部分作用在深溝球軸承的軸向力，以保護(hù)深溝球軸承免于損壞［6］。
　　本文接下來將對(duì)氣體渦輪流量計(jì)進(jìn)行氣體沖擊試驗(yàn)，研究對(duì)比氣體渦輪流量計(jì)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(yàn)證推力軸承在高壓氣體渦輪流量計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)口徑為DN20～DN250，不確定度為0.33%。
2.2試驗(yàn)對(duì)象
　　試驗(yàn)對(duì)象為2臺(tái)TBQM-G160-DN100渦輪流量計(jì)。流量范圍為20～400m3/h，壓力等級(jí)為PN16。為了便于區(qū)分，將殼體編號(hào)為17110971的渦輪流量計(jì)標(biāo)記為TA，殼體編號(hào)為17110957的渦輪流量計(jì)標(biāo)記為TB。其中:TA按照標(biāo)準(zhǔn)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(jī)芯結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3機(jī)械芯結(jié)構(gòu)圖

2.3試驗(yàn)步驟
2.3.1常壓檢定
　　首先，對(duì)2臺(tái)流量計(jì)進(jìn)行常壓檢定。檢定參照J(rèn)JG1037-2008《渦輪流量計(jì)檢定規(guī)程》［7］，檢定的流量點(diǎn)為7點(diǎn)。
2.3.2
　　氣體沖擊試驗(yàn)與高壓檢定為了研究加裝推力軸承的流量計(jì)在高壓情況下的計(jì)量特性，以及其抗氣體沖擊的能力是否達(dá)到預(yù)期的效果，本試驗(yàn)將在高壓環(huán)道氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中進(jìn)行。同時(shí)，為達(dá)到試驗(yàn)要求，在裝置上加裝一個(gè)手動(dòng)球閥，如圖4所示，以有效避免標(biāo)準(zhǔn)裝置損壞。
圖4高壓沖擊試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

①在高壓環(huán)道氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上，對(duì)2臺(tái)流量計(jì)進(jìn)行多種壓力情況下的標(biāo)定，壓力分別為常壓、0.8MPa、1.6MPa。
②進(jìn)行氣體沖擊試驗(yàn)，而后進(jìn)行檢定。本文要試驗(yàn)流量計(jì)在壓力波動(dòng)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(shí)沒辦法完全按照試驗(yàn)要求來配置裝置。天信儀表集團(tuán)的高壓環(huán)道氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置可以分別對(duì)每段管段或者不同區(qū)域進(jìn)行單獨(dú)加壓，以實(shí)現(xiàn)不同壓力的氣體對(duì)渦輪流量計(jì)的沖擊。首先，將圖4中的自動(dòng)閥1、2關(guān)閉，同時(shí)手動(dòng)關(guān)閉手動(dòng)閥;然后對(duì)單獨(dú)加壓區(qū)加壓到測(cè)試壓力值。由于被檢表正處于常壓情況下，可瞬間打開手動(dòng)閥，以保證流量計(jì)瞬時(shí)壓差達(dá)到測(cè)試壓力值(即對(duì)被檢表進(jìn)行軸向沖擊，以模擬因人為誤操作而形成對(duì)高壓渦輪流量計(jì)葉輪的沖擊)。
③分別對(duì)2臺(tái)渦輪流量計(jì)進(jìn)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(gè)壓力沖擊完成后進(jìn)行常壓檢定，并對(duì)比數(shù)據(jù)。
2.4試驗(yàn)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(zhǔn)數(shù)據(jù)，便于與高壓、沖擊后測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)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(diǎn)，合格的流量計(jì)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(jìn)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(xiàn)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(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)比，當(dāng)氣體壓力大于或等于0.4MPa時(shí)，經(jīng)過氣體沖擊的氣體渦輪流量計(jì)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(jì)沒經(jīng)過沖擊時(shí)測(cè)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(dāng)氣體壓力為0.8MPa時(shí)，小流量示值誤差達(dá)到峰值，為－1.824%。
②編號(hào)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(duì)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(jì)，帶推力軸承的氣體渦輪流量計(jì)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(jìn)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(xiàn)’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(dú)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(duì)目前氣體渦輪流量計(jì)在高壓工況下的幾個(gè)問題進(jìn)行了分析改進(jìn)和試驗(yàn)驗(yàn)證。首先，根據(jù)計(jì)算及理論分析，選擇材質(zhì)以及設(shè)計(jì)壁厚。其次，設(shè)計(jì)改進(jìn)的油泵結(jié)構(gòu)可在高壓狀況下更輕松地對(duì)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(shí)，根據(jù)測(cè)試試驗(yàn)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(yàn)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(duì)手動(dòng)加油手柄進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jì)，在高壓下有更強(qiáng)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(yàn)研究還不夠系統(tǒng)和全面，未來將進(jìn)行更多的改進(jìn)及試驗(yàn)，使產(chǎn)品能夠承受更高的壓力沖擊，實(shí)現(xiàn)流量計(jì)量更精確、更可靠的目標(biāo)。

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