選用氣體高壓渦輪流量計(jì) 工作原理與誤差分析
0、引言：
隨著西氣東輸、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, 其必將刺激市場對氣體流量計(jì)的大量需求。氣體渦輪流量計(jì)是目前國內(nèi)少數(shù)能在高壓下計(jì)量的流量計(jì)。本文將對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)檢測與控制、城市燃?xì)鈾z測或計(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。
圖1 TBQM-DN300焊接殼體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 TBQM-DN300 welded housing structure
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(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》 (GB 50316-2000) [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11 MPa;鋼管外徑及公稱壁厚分別為377 mm與22 mm, 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。
表1 直管厚度校核計(jì)算參數(shù)表Tab.1 Calculation parameters table of straight pipe thickness checking
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), ***小壁厚為22 mm。
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(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)需要潤滑, 否則干摩擦?xí)芸鞊p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(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Fig.2 Bearing cavity oil passage structure
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12 mm, 對流量計(jì)內(nèi)部按照氣密性試驗(yàn)要求進(jìn)行加壓并測試, 同時(shí)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。
表2 壓力數(shù)據(jù)表 (12 mm活塞) Tab.2 Pressure data (12 mm piston)
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(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, ***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:
P1來自法蘭公稱壓力等級, 其按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行選取。若需降低氣體介質(zhì)壓力對供油的阻力, 可對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8 mm設(shè)計(jì), 相關(guān)數(shù)據(jù)記錄如表3所示。
表3 壓力數(shù)據(jù)表 (8 mm活塞) Tab.3 Pressure data (8 mm piston)
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(jì)算面積之比:
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9.45 MPa時(shí), 其活塞受力與其外徑息息相關(guān)。活塞外徑尺寸分別為12 mm與8 mm時(shí), 其所承受的反作用力為1132.74 N與538.98 N。
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(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]。
本文接下來將對氣體渦輪流量計(jì)進(jìn)行氣體沖擊試驗(yàn), 研究對比氣體渦輪流量計(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0.1~2.0 MPa, 其流量范圍為1~2 500 m3/h, 檢測口徑為DN20~DN250, 不確定度為0.33%。
2.2、試驗(yàn)對象：
試驗(yàn)對象為2臺TBQM-G160-DN100渦輪流量計(jì)。流量范圍為20~400 m3/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(jì)標(biāo)記為TA, 殼體編號為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)芯結(jié)構(gòu)圖 (TB) Fig.3 Axial buffer structure (TB)
2.3、試驗(yàn)步驟：
2.3.1、常壓檢定：
首先, 對2臺流量計(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Fig.4 Structure of high-pressure impact test device
(1) 在高壓環(huán)道氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上, 對2臺流量計(jì)進(jìn)行多種壓力情況下的標(biāo)定, 壓力分別為常壓、0.8 MPa、1.6 MPa。
(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)不同壓力的氣體對渦輪流量計(jì)的沖擊。首先, 將圖4中的自動閥1、2關(guān)閉, 同時(shí)手動關(guān)閉手動閥;然后對單獨(dú)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(jì)瞬時(shí)壓差達(dá)到測試壓力值 (即對被檢表進(jìn)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(jì)葉輪的沖擊) 。
(3) 分別對2臺渦輪流量計(jì)進(jìn)行0.2 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa、1.6 MPa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、沖擊后測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析, 從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[8]。
表5 常壓檢定數(shù)據(jù)Tab.5 Atmospheric pressure verification data
表5中:TA的儀表系數(shù)為13 599.17;TB的儀表系數(shù)為13 488.77。
2.4.2、高壓與沖擊后檢定數(shù)據(jù)：
(1) TA在0.1 MPa (常壓) 、0.8 MPa、1.6 MPa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) Fig.5 Indication error curves (TA)
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 (TA) Fig.6 Indication error curves after different pressure shock (TA)
圖6中:A為常壓檢定示值誤差曲線;B~I分別為0.2 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa、1.6 MPa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(dāng)氣體壓力大于或等于0.4 MPa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)測的數(shù)據(jù)相差甚多, 小流量示值誤差接近EN12261所規(guī)定的***大允許誤差 (±2%) 。而當(dāng)氣體壓力為0.8 MPa時(shí), 小流量示值誤差達(dá)到峰值, 為-1.824%。
(2) 編號為TB的表在0.1 MPa (常壓) 、0.8 MPa、1.6 MPa壓力下的示值誤差曲線如圖7所示。
圖7 示值誤差曲線 (TB) Fig.7 Indication error curves (TB)
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(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 (TB) Fig.8 Indication error curve after different pressure shock (TB)
圖8中:A’為常壓檢定示值誤差曲線;B’~I’分別為0.2 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa、1.6 MPa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***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(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)對手動加油手柄進(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。***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1.6 MPa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、更可靠的目標(biāo)。