摘要:針對目前(qián)市場對計量高壓(yā)氣體渦輪流量計(jì) 的大量需求，設計(jì)了一種新型高壓(ya)氣體渦輪流量計(ji)的☂️結構方案。在常(chang)壓氣體渦輪流量(liàng)計研究的基🌈礎上(shàng)，對殼體的材料與(yǔ)結構、主軸承的供(gòng)油系統及其軸向(xiang)緩沖結構進行研(yan)究。采用理論♻️分析(xī)、結構設計以及試(shì)驗驗證，研制了适(shi)用于高壓環境的(de)氣體渦輪流量計(ji)。通過耐壓試驗台(tái)裝置模拟管道介(jie)質🏃壓力，對流量計(ji)供油系統及主承(cheng)壓殼體進行可靠(kào)性測試;根據測試(shì)試驗數據，提出關(guan)于推力與活塞面(miàn)🔞積、介質接觸面積(ji)以及介質壓力之(zhi)間所存在的經驗(yàn)公式;通過高壓環(huán)🔴道裝置，在不同壓(yā)力、不同流量下，對(dui)整機進行示值誤(wu)👅差性能測試及🌈分(fèn)析，以優化軸向緩(huan)沖結構。測試結果(guǒ)表明，該新型高壓(ya)氣體渦輪流量計(jì)能安全、準确，可長(zhang)期應用于高壓介(jie)質計量領域。
0引言(yán)
　　随着國家西氣東(dong)輸、川氣東送等管(guǎn)道的建成，大量🈲的(de)高壓、 大口徑天然(rán)氣流量計 應用于(yu)管道沿線的分輸(shū)計量站［1］。在煤改氣(qì)的大環☀️境下，其必(bì)将刺激市場對氣(qi)體流量計的大量(liang)需求。氣體渦輪流(liu)量計是目前國内(nèi)少數能在高壓下(xia)計量的流量計。本(ben)文将對其如何在(zài)高壓工況條件下(xia)🎯安全、可靠運行進(jin)行分析，主要針對(duì)承壓♍部件(殼體♊)結(jié)構理論計算、主軸(zhóu)承供油功能以及(ji)高壓損時如何避(bi)免或減小軸向力(lì)對軸承💋的軸向沖(chòng)擊進行結構研究(jiū)及♻️試驗驗證，以此(cǐ)深入積累 氣體渦(wo)輪流量計 在高壓(yā)氣體介質中運行(hang)的經驗，爲今後産(chǎn)品的改進㊙️與研發(fa)提供理論支持。
1環(huan)境适應性研究
1.1殼(ke)體結構和材料
　　流(liú)量計 作爲一種具(ju)有爆炸危險性的(de)承壓類計量器具(jù)，廣泛👉應用💜于工業(yè)檢測與控制、城市(shi)燃氣檢測或計量(liàng)等領域。在🍓使用過(guo)程中，其材料既承(cheng)受環境或介質的(de)接觸腐蝕，又承受(shòu)複雜的應力載荷(he)。在腐蝕和載荷的(de)共同作用下，流量(liang)計殼體材料容易(yi)發生損傷和失效(xiào)，導緻設備發生結(jie)🐆構性破壞、洩🔅漏或(huò)爆炸等✉️惡性事故(gu)。其🈚常見的失效模(mo)式有強度失效、剛(gāng)🐉度失效、失穩失效(xiào)和洩漏失效［2］。本小(xiao)節僅針對強度失(shi)效💛這一現象進行(háng)分析。以TBQM-DN300焊接殼體(tǐ)爲例，其結構如圖(tu)1所示。

　　在高壓(yā)介質的工況環境(jing)下，對主承壓零件(jian)———殼體的材質選🆚型(xing)❗以及強度校核應(ying)進行理論計算分(fen)析及👌校核。其壁厚(hòu)的計算公式依據(jù)标準《工業金屬管(guǎn)道設計規範》(GB50316-2000)［3］。當直(zhí)管計算厚度ts小于(yu)直管外徑D0的1/6時，承(chéng)受内壓直管的計(jì)算💋厚度不應小于(yu)式(1)的計算值。設🔅計(ji)厚度tsd應按式(3)計算(suàn)。

　　式中:ts爲直管計算(suàn)厚度，mm;P爲設計壓力(lì)，MPa;D0爲直管外徑，mm;［σ］t爲在(zài)✏️設計溫♻️度💔下材料(liao)的許用應力，MPa;Ej爲焊(hàn)接接頭系數🙇🏻;tsd爲直(zhi)管設計厚度，mm;C爲厚(hòu)度附加量之和，mm;C1爲(wèi)厚度減薄附加量(liang)，mm;C2爲腐蝕或腐蝕附(fù)加量，mm;Y爲計算系數(shu)。
　　設計溫度根據流(liú)量計使用溫度選(xuǎn)取，一般爲－20～+80℃;設計壓(ya)力P根據ANSI600法蘭公稱(chēng)壓力，選取爲11MPa;鋼管(guǎn)外徑及公稱壁厚(hou)分别🔅爲377mm與22mm，其餘參(can)數按《工業金屬管(guan)道設計規♻️範》與《壓(ya)力管道規範-工業(yè)管道第2部分:材料(liao)》标準選取。将以上(shang)相關參數按式(1)計(ji)算。厚度附加💔量C1與(yu)腐蝕😘附加量C2取值(zhí)按《流體輸送用不(bu)鏽鋼無縫鋼管》與(yu)《鋼制對焊管件😍規(gui)範》标準選取，并代(dài)入式(3)。由此可得直(zhí)管厚度校核計算(suàn)🌂參數，如表1所示。
圖(tu)表1直管厚度校核(hé)計算參數表

　　由表(biao)1可知，鋼管的公稱(cheng)壁厚大于設計壁(bì)厚，故所選鋼管😄的(de)壁厚符合要求。因(yin)許用應力已考慮(lǜ)到安全🈲系數，故建(jian)議公🍓稱壁厚選擇(ze)可按設計厚度的(de)1.1倍選擇即可。不難(nan)看出，流量計殼體(tǐ)在選材時，應滿足(zú)殼體的高壓工作(zuò)條件，并需考慮💋内(nèi)部介質腐蝕及載(zǎi)荷沖擊等失效形(xing)式，同時結合産品(pǐn)成本等相關因素(su)。綜上所述，本💞文流(liu)量計殼體采用Q345材(cai)質，最小壁厚爲22mm。
1.2供(gong)油系統結構設計(jì)優化
　　渦輪流量計(jì) 屬于速度式流量(liàng)計量儀器。其通過(guò)采集渦輪旋轉頻(pin)率并結合👄溫度、壓(yā)力傳感器相關參(cān)數，計量流過流量(liàng)計的标況💃🏻體積量(liàng)。其旋轉部件一般(ban)選用深溝球滾珠(zhu)軸承。其正常運行(hang)時需要潤滑，否則(ze)幹摩擦會很快損(sun)壞軸承。本小節所(suo)研🐅究的是如何克(ke)服在高壓介質工(gōng)況條件下産🐉生的(de)反作用力對潤滑(hua)油‼️的進入造成的(de)✉️不良影響。
　　假設軸(zhou)承腔體内部的油(you)路結構如圖2所示(shì)。其中:2爲潤滑油與(yu)🔴介🈲質接觸的噴嘴(zui)直徑，前噴嘴與軸(zhou)向成60°夾角。
圖2軸承(chéng)腔體油路結構圖(tú)

　　由圖2可(ke)知，其流量計外部(bu)需配套油泵組件(jiàn)及外部外管，由單(dan)向閥、活塞、手柄、油(yóu)杯等組成。假設活(huo)塞直徑爲✔️12mm，對流量(liang)計内部按照氣密(mi)性試驗要求進行(hang)加❄️壓并測試，同時(shi)🔞在單向⛷️閥與活塞(sai)的潤滑油腔室中(zhōng)📱檢測其潤滑油液(ye)體🏃‍♂️壓力，數據記錄(lù)如表2所示。
圖表2壓(ya)力數據表（12mm活塞）

　　從(cong)表2數據可知，供油(you)壓差與介質壓力(li)的比值爲0.059～0.061，平均⚽值(zhi)🔞爲0.06。而‼️潤滑油和氣(qi)體介質接觸噴嘴(zuǐ)面積S1與供油活🈲塞(sāi)的面積S2比值📱相近(jin)🌈。按圖2噴嘴幾何尺(chǐ)寸，并結合活塞直(zhi)徑，計算面積🤟之比(bi):

　　油杯供油阻力來(lai)自氣體介質壓力(li)的反作用力、密封(feng)❄️圈摩擦以及沿程(cheng)阻力、壓縮彈簧所(suǒ)産生的反作用力(li)等。其中，最爲明✍️顯(xiǎn)的🈲是氣體介質壓(ya)力的反作用力。其(qi)在活塞處的受力(li)情況🥰爲:
F=P2S2=(S1+S2)P1(5)
　　P1來自法蘭(lan)公稱壓力等級，其(qi)按設計要求進行(hang)選取。若💋需降低👈氣(qi)體介質壓力對供(gòng)油的阻力，可對S1、S2的(de)相㊙️關參數進行調(diào)整。如将供油活塞(sāi)的外徑按8mm設計，相(xiàng)關數據記錄如表(biao)3所示。
圖表3壓力數(shu)據表(8mm活塞）

　　從表3數(shù)據可知，供油壓差(chà)與氣體介質壓力(lì)的比值🧑🏽‍🤝‍🧑🏻在0.134～0.135範圍内(nèi)，平均值爲0.134。而潤滑(hua)油和氣體介質接(jiē)觸面積S1與供油活(huo)塞的面🍉積比值相(xiàng)近。按圖2噴嘴幾何(he)尺㊙️寸，并結✂️合活塞(sāi)♋直徑，計🏃‍♂️算面積之(zhi)比:
式6

　　由此可初步(bu)驗證經驗公式(3)的(de)正确性。與此同時(shí)，當🧑🏾‍🤝‍🧑🏼氣體介質❌壓力(li)爲9.45MPa時，其活塞受力(lì)與其外徑息息相(xiàng)關。活塞外🌏徑尺寸(cun)分别爲12mm與8mm時，其所(suo)承受的反作用力(li)爲1132.74N與538.98N。
2推力軸承研(yan)究試驗
　　随着氣體(tǐ)介質壓力的增加(jiā)，在管道上進行計(ji)量的氣體渦輪流(liu)量計前後壓差必(bi)将增大。壓差的變(bian)化将影響葉🏃‍♀️輪的(de)🐉受力狀況。通常情(qíng)況下，氣體介質的(de)壓力并不是穩定(ding)增加或減小，頻繁(fán)變化的壓差容易(yì)使葉輪💋受到沖擊(jī)，從而無法計量流(liú)量［4］。
　　工業生産中的(de)大型旋轉機械由(you)徑向軸承支承，并(bìng)配以推力軸🎯承以(yi)抵消軸向力。通常(cháng)在對此類機械進(jin)行研究時，注意力(li)集中🛀🏻在徑向軸承(chéng)的行爲上，而忽視(shì)了推力軸承對系(xì)統橫向振動的影(yǐng)響［5］。
　　深溝球軸承加(jiā)推力軸承的組合(hé)，可在承受很高徑(jìng)向負荷⭐的同時承(chéng)受一定的軸向負(fù)荷。根據以往的經(jīng)驗，組合軸承理論(lun)上能保證葉輪在(zài)受到氣體的軸向(xiàng)沖擊時，由推力軸(zhóu)承抵消部分作用(yòng)在深溝球❌軸承的(de)軸向力，以保護深(shēn)溝球軸承免于損(sun)壞［6］。
　　本文接下來将(jiang)對氣體渦輪流量(liang)計進行氣體沖擊(ji)試驗，研究對比氣(qi)體渦輪流量計在(zai)配有推力軸承和(hé)沒有推力軸承的(de)情況下的檢定數(shu)據，以此探索和驗(yàn)證推力軸承在高(gāo)🈲壓氣體渦輪流量(liàng)計應用的可行性(xìng)。
2.1檢定所用的裝置(zhi)
　　本文帶壓檢定所(suo)用裝置是高壓環(huán)道氣體流量标準(zhǔn)裝置。其以🧑🏾‍🤝‍🧑🏼空氣爲(wèi)介質，工作壓力範(fan)圍爲0.1～2.0MPa，其流量範圍(wei)爲1～2500m3/h，檢測口徑爲DN20～DN250，不(bú)确定度爲0.33%。
2.2試驗對(dui)象
　　試驗對象爲2台(tai)TBQM-G160-DN100渦輪流量計。流量(liang)範圍爲20～400m3/h，壓力等級(jí)爲PN16。爲了便于區分(fen)，将殼體編号爲17110971的(de)渦輪流量計标💔記(jì)爲TA，殼體🌈編号爲17110957的(de)渦輪流量計标記(ji)爲TB。其中:TA按照标準(zhǔn)裝配工藝，不配推(tuī)力軸承;TB在TA的基礎(chu)上加裝了👉一隻推(tuī)力軸承。TB的機芯結(jié)構如圖3所示。
圖3機(jī)械芯結構圖

2.3試驗(yan)步驟
2.3.1常壓檢定
　　首(shou)先，對2台流量計進(jin)行常壓檢定。檢定(dìng)參照JJG1037-2008《渦輪流✂️量計(ji)檢定規程》［7］，檢定的(de)流量點爲7點。
2.3.2
　　氣體(ti)沖擊試驗與高壓(yā)檢定爲了研究加(jia)裝推力軸承的流(liu)量計在高壓情況(kuàng)下的計量特性，以(yi)及其抗氣體沖擊(ji)的能力是否達到(dào)預期的效果，本試(shì)驗将👨‍❤️‍👨在高壓🏒環道(dao)氣體流量标準裝(zhuāng)置中進行。同時，爲(wei)達到試驗要求，在(zai)裝置上加裝一個(gè)手動球👉閥，如圖4所(suo)示，以有效避免标(biao)準裝置損壞。
圖4高(gao)壓沖擊試驗裝置(zhi)結構圖

①在高壓環道(dào)氣體流量标準裝(zhuang)置上，對2台流量計(jì)進行多種壓力情(qíng)況下的标定，壓力(lì)分别爲常壓、0.8MPa、1.6MPa。
②進行(háng)氣體沖擊試驗，而(ér)後進行檢定。本文(wen)要試驗流量計在(zai)壓力波動情況下(xià)的抗沖擊能力，但(dan)是受限于目前的(de)技術和設💋備，暫時(shí)沒辦法完全按照(zhào)試驗要求來配置(zhi)裝置。天信儀表集(ji)團的高壓環道氣(qi)體流量标準📐裝置(zhì)可以分别對每⭕段(duan)管段或👈者不同區(qu)域進行單獨♌加壓(ya)，以實現🈲不同壓力(li)的氣體對渦輪流(liu)量計的沖擊。首先(xiān)，将圖4中的自動閥(fá)1、2關閉，同時手動關(guan)閉手🌂動閥;然後對(dui)單獨加壓區加壓(ya)到測試壓力值。由(you)于被檢表正處于(yu)常壓情況下，可👌瞬(shùn)間打開手動閥，以(yi)保證流量計瞬時(shi)壓差達到測試壓(yā)力值(即對被檢表(biǎo)進行✍️軸向沖擊，以(yi)模拟因人爲誤操(cāo)作✌️而形成對高壓(ya)渦輪流量計葉輪(lun)的沖擊)。
③分别對2台(tai)渦輪流量計進行(háng)0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa、1.6MPa的壓力沖擊，在每(mei)個壓♊力沖☂️擊完成(chéng)後進行常壓檢定(dìng)，并對比數據。
2.4試驗(yàn)數據及分析
2.4.1常壓(yā)檢定數據
　　常壓檢(jiǎn)定數據如表5所示(shì)。以其作爲基準數(shù)據，便于與高壓、沖(chòng)擊🏃後測試數據進(jìn)行比對分析，從中(zhōng)發現規律并對🌈其(qí)結構進行優化［8］。
圖(tú)表5常壓檢定數據(jù)

表5中:TA的儀表系數(shu)爲13599.17;TB的儀表系數爲(wèi)13488.77。
2.4.2高壓與沖擊後檢(jiǎn)定數據
①TA在0.1MPa(常壓)、0.8MPa、1.6MPa壓(ya)力下的示值誤差(chà)曲線如圖5所示。圖(tú)5中，上限和下🔞限折(she)線表示合格示值(zhí)誤差的臨界點，合(hé)格✉️的流量計産品(pin)的示值誤差必須(xū)在上限和下限之(zhī)間。
圖5示值誤差曲(qǔ)線

TA每次經過高(gāo)壓氣體沖擊後再(zai)進行常壓檢定的(de)示值誤差曲線如(rú)圖6所示。
圖6不同壓(ya)力沖擊後的示值(zhi)誤差曲線

　　圖6中:A爲常壓檢定(dìng)示值誤差曲線;B～I分(fèn)别爲0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa、1.6MPa壓力沖擊後(hou)📞的常壓檢定示值(zhí)誤差曲線。與常壓(ya)下所測的數據對(duì)比，當🐅氣體壓力大(dà)于或等于0.4MPa時，經過(guo)氣體沖擊的氣體(ti)渦輪流量計的示(shì)值誤差曲線斜率(lǜ)增加，主要表現在(zai)小流量的☎️示值誤(wu)差與流量計沒經(jīng)過沖擊時測的數(shù)據相差甚多㊙️，小流(liu)量示值誤差接近(jìn)EN12261所💯規定的最大允(yun)許誤差(±2%)。而當氣體(tǐ)壓力爲0.8MPa時，小流量(liang)示值誤差達到峰(fēng)值，爲－1.824%。
②編号爲TB的表(biǎo)在0.1MPa(常壓)、0.8MPa、1.6MPa壓力下的(de)示值誤差曲線如(rú)圖7所示🤞。
圖7示值誤(wù)差曲線

　　對比(bi)圖7和圖5可知，在沒(méi)有高壓氣體沖擊(jī)而僅在高壓💁介質(zhì)下的檢定，相較于(yú)普通渦輪流量計(jì)，帶推力軸承的氣(qi)體渦🏃🏻‍♂️輪流量計在(zai)不同壓力下的線(xian)性曲線更加㊙️穩定(dìng)。
TB每次經過高壓氣(qì)體沖擊後再進行(hang)常壓檢定的示值(zhí)誤差曲線如圖8所(suǒ)示。
圖8不同壓力沖(chong)擊後的示值誤差(cha)曲線

　　圖8中:A’爲常壓(ya)檢定示值誤差曲(qǔ)線;B’～I’分别爲0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa、1.6MPa壓力沖(chòng)擊後的常壓檢定(dìng)示值誤差曲線。
　　從(cong)圖8中可以看出，大(da)部分的曲線都在(zai)上下限之間，曲🐉線(xian)穩定，且與常壓下(xia)的檢定數據相差(chà)不大。唯獨在壓🏃力(li)1.6MPa的氣體沖擊💛後，小(xiao)💞流量的示值誤差(cha)較大，爲－1.306%，但其在🐪最(zui)大允🔞許誤差限之(zhi)内。從數據🤞上看，TB的(de)抗沖擊能力優于(yú)TA。
3結束語
　　本文對目(mù)前氣體渦輪流量(liàng)計在高壓工況下(xia)的幾👌個🧡問⭕題💯進行(hang)了分析改進和試(shì)驗驗證。首先，根據(jù)計算及理論分析(xī)，選擇材質以及設(she)計壁厚。其次，設計(ji)🥵改進的油泵結💃🏻構(gou)可在高壓狀況下(xia)更輕松地對軸承(cheng)供油，保證高效穩(wěn)定，避免了☁️高壓下(xià)無⭐法給軸承供油(yóu)的極端情況;同時(shí)，根據測試試驗數(shu)據，推導出關于推(tui)力與活塞面積、介(jiè)質接📧觸面積以及(ji)介質壓力之間所(suǒ)存在的經驗公式(shì)，爲後期油泵系統(tong)的結構優化提供(gòng)了理論✊基礎。通過(guò)上述受力情況分(fen)析并結合人🎯體工(gong)程學對手動加油(yóu)手柄進行結構優(yōu)化設計，使其滿足(zú)高壓氣體介質的(de)供油功能。最後，安(ān)裝了推力軸承後(hou)的氣體渦輪流量(liang)計，在高壓下有更(gèng)強的抗沖擊能力(lì)。目前，在1.6MPa壓力沖擊(ji)下，示值誤👄差能滿(mǎn)足⭐要求。鑒于目前(qián)的試驗研究還不(bú)夠系統和全面，未(wei)來将✍️進行更多的(de)改進及試驗，使産(chan)品🚶‍♀️能夠承受更高(gao)的壓力沖擊，實現(xiàn)流量計量更精确(que)、更可靠的目标。

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