氣體超聲波流量計(jì)在線安裝密封裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

薛冬晨，魯紹軍，王德賓，陳 希

（北京首鋼股份有限公司，河北遷安 064404）

1 概述

流量計(jì)量是科學(xué)計(jì)量的重要組成部分，在各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，在冶金企業(yè)中的能源計(jì)量、貿(mào)易結(jié)算、過程監(jiān)控等方面都起到非常重要的作用。

和傳統(tǒng)的流量計(jì)相比，插入式氣體超聲波流量計(jì)優(yōu)點(diǎn)有：介質(zhì)中間不需過多安裝組件，不會(huì)改變流場(chǎng)分布，壓力損失??；不易受介質(zhì)溫度、粘度等特性的影響；靈敏度高，能檢測(cè)微小流速的變化；量程比大，通用性好，可雙向測(cè)量等。

其原理是通過檢測(cè)氣體流動(dòng)對(duì)超聲波的作用。發(fā)射端超聲波換能器受到電路控制系統(tǒng)的脈沖激勵(lì)后可振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，其經(jīng)過氣體介質(zhì)傳播到接收端換能器，之后經(jīng)過信號(hào)處理供給到顯示和積算系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)流量的實(shí)時(shí)測(cè)量和顯示。

氣體超聲波流量計(jì)的超聲信號(hào)是利用超聲波換能器（探頭）來發(fā)射和接收，因此換能器安裝角度、位置以及聲道的布置情況是準(zhǔn)確獲取氣體流場(chǎng)信息的關(guān)鍵因素。換能器在管段中的安裝位置對(duì)流量計(jì)測(cè)量精度有著較大影響，一方面，換能器會(huì)影響聲道實(shí)際長(zhǎng)度，從而影響時(shí)差法計(jì)算結(jié)果，導(dǎo)致流量計(jì)測(cè)量誤差：另一方面，換能器會(huì)影響流場(chǎng)形態(tài)的分布，從而影響聲道線速度的測(cè)量，導(dǎo)致流量計(jì)測(cè)量誤差。因此，換能器的精確定位對(duì)安裝效應(yīng)會(huì)從兩個(gè)方面影響流量計(jì)測(cè)量精度。

通過對(duì)流量計(jì)安裝過程的分析，計(jì)算專用流量計(jì)換能器插入深度及管道外預(yù)留長(zhǎng)度，進(jìn)行繪圖、加工專用密封裝置，實(shí)現(xiàn)氣體超聲波流量計(jì)在線安裝。

氣體超聲波流量計(jì)的安裝，特別是在正常生產(chǎn)過程中，保障安裝過程施工安全的前提下，加工密封裝置的精度、安裝施工水平高低，直接影響計(jì)量精度。這就需要有一個(gè)計(jì)算精確，專用儀表專門定制的密封裝置，來實(shí)現(xiàn)儀表的安全、準(zhǔn)確安裝。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

氣體超聲波流量計(jì)密封裝置，包括管道短節(jié)、切斷球閥、旋轉(zhuǎn)壓緊器、密封圓筒及圓筒內(nèi)隔板構(gòu)成，見圖1。其特征在于，在流量計(jì)探頭（換能器）安裝前達(dá)到良好的密封效果，在不影響生產(chǎn)的條件下進(jìn)行開孔安裝，安全可靠。

圖1 探頭及裝置結(jié)構(gòu)示意圖

（1）密封系統(tǒng)，管道短節(jié)與配套球閥相連接，直徑與球閥相同，根據(jù)探頭直徑選取。

（2）切斷球閥用于切斷介質(zhì)，與外界隔絕；在開孔過程中打開，開孔完畢后關(guān)閉，隔絕空氣，進(jìn)行密封裝置填充，最后開閥安裝換能器。

（3）旋轉(zhuǎn)壓緊器，先讓換能器穿過壓緊器，對(duì)密封圓筒進(jìn)行填充密封填料，用于壓緊填充的密封填料。

（4）密封圓筒還包括圓筒內(nèi)隔板及密封填料，用于保證換能器插入管道深度定位，并在內(nèi)部填充密封填料，保證密封效果；

（5）圓環(huán)隔板，兩缺口設(shè)計(jì)保證換能器前端能順利通過密封圓筒的最小空間，圓環(huán)隔板來定位密封填料深度。

3 密封裝置設(shè)計(jì)與安裝

氣體超聲波流量計(jì)安裝時(shí)，由于管段安裝誤差等因素引起流場(chǎng)的非理想分布，造成流量計(jì)測(cè)量精度降低，流量計(jì)的測(cè)量會(huì)受到較大干擾。工業(yè)環(huán)境中，管段流動(dòng)很難達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，所以流場(chǎng)中必然存在各種波動(dòng)。流量計(jì)生產(chǎn)及應(yīng)用中，對(duì)流場(chǎng)影響較大的還有管段直徑、管段內(nèi)壁的粗糙程度、管段安裝同軸度誤差等因素。

為了解決上述問題，本設(shè)計(jì)提出了一種超聲波流量計(jì)密封裝置，既保障了安裝過程中的施工安全，避免有毒氣體泄漏，又能保證換能器安裝位置，減小誤差，并對(duì)本裝置的制作及應(yīng)用方法進(jìn)行詳細(xì)描述。

在流量計(jì)密封裝置定制時(shí)，首先要明確安裝需求，計(jì)算流量計(jì)及裝置加工詳細(xì)數(shù)據(jù)，本裝置以DN900 焦?fàn)t煤氣流量安裝為例，流量計(jì)探頭最大直徑為32 mm，選用DN50 球閥，首先，計(jì)算插入深度，一般為管道直徑的四分之一，

保證焊接距離，短節(jié)?。篸2=70 mm;

DN50球閥長(zhǎng)度：d3=178 mm;

短節(jié)法蘭厚度：d4=25.5 mm;

管道壁厚：d5=10 mm;

密封圓筒高度為：

dm=L-d1-d2-d3-d4-d5-k=321.5 mm;

L 為換能器法蘭到最前端距離，經(jīng)測(cè)量L=850 mm，k為3個(gè)密封墊及焊縫寬度，取20 mm。由此可確保換能器插入管道深度，保證流量計(jì)計(jì)量精度。

圓環(huán)隔板開孔大小的選取，探頭最前端有圓柱形結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度為42 mm，取圓環(huán)內(nèi)徑為40 mm，在圓環(huán)內(nèi)部對(duì)稱加工兩缺口，使其長(zhǎng)度最大處達(dá)到45 mm，一方面可令探頭順利通過圓環(huán);另一方面，可以定位密封填料最前端，保證圓筒內(nèi)通過探頭的最小空間，達(dá)到密封效果。

在流量計(jì)安裝前，將短節(jié)定位并焊接至管道外壁，連接球閥及開孔器，進(jìn)行電動(dòng)或人工助力開孔，開孔完成后關(guān)閉球閥，撤下開孔器，將本裝置與球閥相連接，插入超聲波流量計(jì)換能器，在密封裝置中填入專業(yè)密封填料，球閥開閥前要填滿密封填料，壓緊后要與外界空氣隔絕后再開閥。本裝置可根據(jù)不同口徑流量計(jì)的換能器進(jìn)行定制。

應(yīng)用本裝置前，先將管道短節(jié)焊接于管道側(cè)壁，連接球閥，利用開孔器開孔施工，完成后將密封圓筒連接在球閥另一端，插入探頭使其通過圓筒內(nèi)圓環(huán)至球閥處，填充密封填料后開閥固定探頭,見圖2。

圖2 密封裝置結(jié)構(gòu)示意圖

管道短節(jié)與封閉球閥相連接，球閥的另一端與密封圓筒固定，密封圓筒內(nèi)部焊接了對(duì)稱缺口的圓環(huán)隔板，在成型前，密封圓筒是分體的兩部分，一部分一端焊接法蘭，一端焊接隔板，再與焊接法蘭的另一部分相連，成為一個(gè)內(nèi)部有圓環(huán)隔板的圓筒，最上部分為旋轉(zhuǎn)壓緊器，用于固定密封填料。圓環(huán)隔板開孔大小的選取經(jīng)測(cè)量、計(jì)算，一方面可使探頭順利通過圓環(huán)，另一方面，可以定位密封填料最前端，保證圓筒內(nèi)通過探頭的最小空間，達(dá)到密封效果。

參見圖3，其中，換能器在安裝時(shí)，先將旋轉(zhuǎn)壓緊器套至底部，再通過圓筒內(nèi)的圓環(huán)隔板，直至球閥上部，插入前測(cè)量好插入深度，保證開發(fā)后能直接伸入管道內(nèi)部。

應(yīng)用本裝置實(shí)施流量計(jì)換能器安裝時(shí)，要確?，F(xiàn)場(chǎng)及管網(wǎng)滿足施工條件，管道內(nèi)壓力滿足開孔要求，注意在加工時(shí)測(cè)算好密封效果最高的最小余量，確保不漏氣，換能器插入圓筒內(nèi)，球閥開閥前要填滿密封填料，壓緊后要與外界空氣隔絕后再開閥。本裝置可根據(jù)不同口徑流量計(jì)的換能器進(jìn)行定制。

圖3 換能器安裝示意圖

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)為氣體超聲波流量計(jì)量身定制，也可推廣至其它介質(zhì)管道的流量計(jì)在線安裝應(yīng)用，既保證了生產(chǎn)的連續(xù)性，又能減小流量計(jì)安裝過程中帶來的誤差，更重要的是有效提高了設(shè)備安裝安全性，為此類設(shè)備的在線安裝提供了有效依據(jù)，可不必完全依賴進(jìn)口設(shè)備，為此領(lǐng)域內(nèi)設(shè)備全國(guó)產(chǎn)化奠定基礎(chǔ)；并推動(dòng)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在冶金企業(yè)中的能源計(jì)量、貿(mào)易結(jié)算、過程監(jiān)控等方面都起到非常重要的作用。