摘要(yao):針對目前市(shi)場對計量高(gāo)壓氣體渦輪(lun)流量計 的大(dà)量需求，設計(jì)了一種新型(xing)高壓氣體渦(wō)輪流量♻️計的(de)🧡結構方案。在(zai)常壓氣體渦(wo)輪流量計研(yan)究的基👈礎上(shang)，對殼體的🌏材(cai)料與結構、主(zhǔ)軸承的供油(yóu)系統及其軸(zhou)向緩沖結構(gou)進行研究。采(cai)用理論分析(xi)、結構設計以(yi)及試🏃驗驗證(zheng)，研♻️制了适用(yong)于高壓環☔境(jìng)的氣體⛹🏻‍♀️渦輪(lún)流量計。通過(guò)耐壓試驗台(tai)裝置模拟管(guan)道介質壓力(li)，對流量計供(gòng)油系統及主(zhu)承壓殼體進(jìn)行可靠🤞性測(ce)試;根🚶‍♀️據測試(shì)試驗數據，提(ti)出關于推力(lì)與活塞面積(ji)、介質接觸面(mian)積🔞以及介質(zhi)壓力之間⭐所(suo)存在的經驗(yàn)公式;通過高(gāo)壓環道裝置(zhì)，在不同壓力(lì)、不同流量下(xia)，對整機進行(háng)示值誤差性(xing)能測試及㊙️分(fen)析，以優✨化軸(zhou)向緩沖結構(gou)。測試結♌果表(biǎo)明，該新型高(gāo)壓氣體🚩渦輪(lun)流量計能安(ān)全、準确，可長(zhang)期應用于高(gao)壓介質✍️計量(liang)領域。
0引言
　　随(suí)着國家西氣(qi)東輸、川氣東(dong)送等管道的(de)建成，大量的(de)高壓、 大口徑(jing)天然氣流量(liàng)計 應用于管(guǎn)道沿線的分(fen)輸計量站［1］。在(zai)煤改氣的大(da)環❓境下，其☎️必(bì)将刺激市場(chǎng)對氣體流量(liang)計的大量需(xu)求。氣體渦輪(lún)流量計是目(mu)前國内少數(shù)能在高壓下(xià)計量的流量(liang)計。本文将對(dui)😘其如何在高(gao)壓工況條件(jian)下📐安全、可靠(kao)運行進行分(fen)析，主要💃針對(duì)承壓部件(殼(ke)體)結構理論(lun)計算、主軸承(chéng)供油功能以(yi)及高壓損時(shí)如✉️何避免或(huo)減小軸向力(li)對軸承的軸(zhóu)向沖擊進行(háng)結構研究及(ji)試驗驗證，以(yǐ)此深入積累(lei) 氣體渦輪流(liu)量計 在高壓(ya)氣體介質中(zhōng)運行的經驗(yàn)，爲今後産品(pǐn)的改進與研(yan)發提供理論(lun)支持。
1環境适(shì)應性研究
1.1殼(ké)體結構和材(cai)料
　　流量計 作(zuo)爲一種具有(you)爆炸危險性(xing)的承壓類計(jì)量器具，廣泛(fan)應用于工業(ye)檢測與控制(zhi)、城市燃氣檢(jian)測或計量等(deng)領域。在使用(yong)過程🤞中，其材(cai)料既承受環(huan)境或介質的(de)接觸腐蝕，又(yòu)承受複雜的(de)應力載荷。在(zài)腐蝕和載荷(he)的共同作用(yòng)下，流量計殼(ké)體材料容易(yi)發生損傷🔞和(he)失效，導緻設(shè)備發生結構(gou)性破壞、洩漏(lòu)或爆炸等惡(è)性事故。其常(chang)見的失效模(mó)式有強度失(shi)效、剛度失🐪效(xiào)、失穩失效和(he)洩漏失效［2］。本(běn)小節僅針對(duì)強度失效這(zhè)一現象進行(hang)分析。以TBQM-DN300焊接(jiē)殼體爲例🌈，其(qi)結構如圖1所(suo)示。

　　在高壓(ya)介質的工況(kuàng)環境下，對主(zhǔ)承壓零件———殼(ké)體的材質選(xuǎn)型以及強度(dù)校核應進行(hang)理論計算分(fen)析及校核🤩。其(qí)壁🙇‍♀️厚的計算(suàn)公式依據标(biao)準《工業金屬(shu)管道設計規(guī)範》(GB50316-2000)［3］。當直管計(jì)算⁉️厚度ts小于(yu)直管😄外徑D0的(de)1/6時，承受内壓(yā)直管的計算(suan)厚度不應小(xiao)于式(1)的計算(suàn)值。設計厚度(dù)tsd應按式(3)計算(suàn)。

　　式中:ts爲直管(guan)計算厚度，mm;P爲(wèi)設計壓力，MPa;D0爲(wèi)直管外徑，mm;［σ］t爲(wei)在設🥵計溫度(du)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻下材料的許(xu)用應力，MPa;Ej爲焊(han)接接頭系數(shu);tsd爲直管設計(ji)厚度，mm;C爲厚度(dù)附加量之和(he)，mm;C1爲厚度減薄(báo)附加量🐕，mm;C2爲腐(fǔ)蝕或腐蝕附(fù)加量，mm;Y爲計算(suan)系數。
　　設計溫(wen)度根據流量(liang)計使用溫度(dù)選取，一般爲(wèi)－20～+80℃;設計🧡壓力P根(gen)據👨‍❤️‍👨ANSI600法蘭公稱(chēng)壓力，選取爲(wei)11MPa;鋼管外徑及(jí)公稱壁厚分(fen)别爲377mm與✊22mm，其餘(yú)參數按《工業(yè)金屬管道設(she)計規範》與《壓(ya)♊力管道規範(fàn)-工業管道第(di)2部分:材料》标(biao)準選取。将以(yi)上⁉️相關參數(shù)按式(1)計算。厚(hou)度附加量C1與(yǔ)腐蝕⭐附加量(liang)C2取值按《流體(tǐ)輸送用不鏽(xiu)鋼無縫鋼管(guǎn)》與《鋼制對焊(han)管件規🐕範》标(biao)準選取，并代(dai)入式(3)。由此可(ke)得直🔆管厚度(du)校核計算參(cān)數，如表1所示(shi)。
圖表1直管厚(hou)度校核計算(suàn)參數表

　　由表(biǎo)1可知，鋼管的(de)公稱壁厚大(da)于設計壁厚(hòu)，故所選鋼管(guan)的壁厚符合(he)要求。因許用(yong)應力已考慮(lǜ)到安全系數(shù)♋，故建☂️議公稱(chēng)壁厚選擇可(ke)按設計厚度(dù)的1.1倍選擇即(ji)可。不難看出(chū)，流量計殼體(ti)🏃🏻在選材時，應(yīng)滿足殼體的(de)高壓工作條(tiáo)件💯，并需考慮(lü)内部介質腐(fǔ)蝕及載荷沖(chòng)擊等失效形(xíng)式，同時結合(hé)産品成🈚本等(deng)相關因素。綜(zōng)上所述，本文(wen)流量計殼體(ti)👉采用Q345材質，最(zui)小壁厚爲22mm。
1.2供(gong)油系統結構(gou)設計優化
　　渦(wo)輪流量計 屬(shǔ)于速度式流(liu)量計量儀器(qì)。其通過采集(ji)渦輪旋轉頻(pin)率并結合溫(wēn)度、壓力傳感(gan)器相關參數(shu)，計量流過🏒流(liu)量計的标況(kuàng)體積量。其旋(xuán)轉部件一般(ban)選用深溝球(qiú)滾珠軸承。其(qi)正常運行時(shí)需要潤滑，否(fou)則幹摩擦會(hui)很快損壞軸(zhou)承。本小節所(suǒ)研究的是如(ru)何克服在高(gāo)壓介質工況(kuàng)條件下産生(sheng)的反作用力(li)對潤滑油的(de)進入造成⛱️的(de)不良影響。
　　假(jiǎ)設軸承腔體(tǐ)内部的油路(lu)結構如圖2所(suo)示。其中:2爲潤(run)‼️滑油與介質(zhi)接觸的噴嘴(zuǐ)直徑，前噴嘴(zui)與軸向成60°夾(jia)角🔅。
圖2軸承腔(qiāng)體油路結構(gou)圖

　　由(yóu)圖2可知，其流(liu)量計外部需(xu)配套油泵組(zu)件及外部外(wài)管，由單向👄閥(fa)、活塞、手柄、油(you)杯等組成。假(jia)設活塞直徑(jing)爲12mm，對流量計(ji)⭕内部按照氣(qi)密性試驗要(yào)求進行加壓(ya)并測試，同時(shi)在單向☀️閥與(yǔ)活塞的潤滑(hua)油腔室中檢(jian)測其潤🌍滑油(you)液體壓力，數(shu)據記錄如表(biao)2所示。
圖表2壓(ya)力數據表（12mm活(huó)塞）

　　從表2數據(ju)可知，供油壓(yā)差與介質壓(ya)力的比值爲(wèi)0.059～0.061，平均🌐值🏃🏻爲0.06。而(er)潤滑油和氣(qi)體介質接觸(chù)噴嘴面積S1與(yu)供油活塞的(de)面積🧡S2比值相(xiang)近。按圖2噴嘴(zui)幾何尺寸，并(bing)結✨合活塞直(zhí)徑，計算面積(ji)之比:

　　油杯供(gong)油阻力來自(zi)氣體介質壓(ya)力的反作用(yòng)力、密封圈摩(mo)擦以及沿程(chéng)阻力、壓縮彈(dàn)簧所産生的(de)反作用力等(děng)。其中，最♍爲明(ming)顯的是氣體(ti)介質壓力的(de)反作用力。其(qí)在活塞處的(de)受力情況爲(wei):
F=P2S2=(S1+S2)P1(5)
　　P1來自法蘭公(gong)稱壓力等級(ji)，其按設計要(yao)求進行選取(qu)。若💋需♊降低☔氣(qì)體介質壓力(li)對供油的阻(zu)力，可對S1、S2的相(xiàng)關參數進行(hang)調整。如将供(gong)油活塞的外(wai)徑按8mm設計，相(xiang)關數據記錄(lù)如表3所示⛱️。
圖(tu)表3壓力數據(jù)表(8mm活塞）

　　從表(biao)3數據可知，供(gòng)油壓差與氣(qì)體介質壓力(lì)的比值在0.134～0.135範(fàn)圍内，平均值(zhí)爲0.134。而潤滑油(yóu)和氣體介質(zhi)接觸面✂️積S1與(yu)供油活塞🌐的(de)面積比值相(xiang)近。按圖2噴嘴(zui)幾何尺寸，并(bìng)結合活塞🈲直(zhí)徑，計算面積(jī)之比:
式6

　　由此(ci)可初步驗證(zheng)經驗公式(3)的(de)正确性。與此(cǐ)同時，當氣體(ti)介質壓📞力爲(wèi)9.45MPa時，其活塞受(shòu)力與其外徑(jìng)息息相關。活(huo)塞外徑尺寸(cun)分别爲12mm與8mm時(shí)，其所承受的(de)反作用💔力爲(wei)1132.74N與538.98N。
2推力軸承(cheng)研究試驗
　　随(sui)着氣體介質(zhì)壓力的增加(jiā)，在管道上進(jin)行計量的🧡氣(qi)👅體渦輪🚶流量(liang)計前後壓差(chà)必将增大。壓(ya)差的變化将(jiāng)影㊙️響葉輪的(de)受力😘狀況。通(tōng)常情況下，氣(qì)體介質的壓(yā)力并不是穩(wen)㊙️定增加或減(jian)小，頻繁變化(huà)的壓差容易(yi)使葉輪受到(dào)沖擊，從而無(wú)法計量流量(liàng)［4］。
　　工業生産中(zhong)的大型旋轉(zhuǎn)機械由徑向(xiàng)軸承支承，并(bìng)配以推力軸(zhóu)承以抵消軸(zhóu)向力。通常在(zài)對此類機械(xiè)進行研究時(shi)，注意力集中(zhong)在徑向軸承(chéng)的行爲上，而(er)忽視了推力(lì)軸㊙️承對系統(tǒng)橫向💰振動的(de)影響［5］。
　　深溝球(qiu)軸承加推力(lì)軸承的組合(hé)，可在承受很(hen)高徑向負荷(he)的同時承受(shòu)一定的軸向(xiang)負荷。根據以(yǐ)往的經驗，組(zu)合軸承理論(lùn)上能保證葉(ye)輪在受到氣(qì)體的軸向沖(chong)擊時，由推力(li)軸承抵消部(bu)分作用在深(shēn)溝球軸承的(de)軸向力，以保(bǎo)護深溝球🙇🏻軸(zhou)承免于損壞(huài)［6］。
　　本文接下來(lái)将對氣體渦(wō)輪流量計進(jin)行氣體沖擊(ji)試驗，研究對(duì)💃比氣體渦輪(lún)流量計在配(pèi)有推力軸承(chéng)和沒有推力(lì)軸✂️承的情況(kuàng)下的檢定數(shù)據，以此探索(suǒ)和驗證推力(li)軸承在高壓(ya)氣體渦輪流(liu)量計應用的(de)可行性。
2.1檢定(dìng)所用的裝置(zhì)
　　本文帶壓檢(jian)定所用裝置(zhì)是高壓環道(dào)氣體流量标(biao)準裝置。其以(yi)空氣爲介質(zhi)，工作壓力範(fàn)圍爲0.1～2.0MPa，其流量(liang)範圍爲1～2500m3/h，檢測(cè)口徑爲DN20～DN250，不确(què)定度爲0.33%。
2.2試驗(yàn)對象
　　試驗對(duì)象爲2台TBQM-G160-DN100渦輪(lún)流量計。流量(liang)範圍爲20～400m3/h，壓力(lì)等級爲PN16。爲了(le)便于區分，将(jiāng)殼體編号爲(wèi)17110971的渦輪流量(liàng)計标記爲TA，殼(ke)體編号爲17110957的(de)渦輪流量計(jì)标記爲TB。其中(zhong):TA按照标準裝(zhuāng)配工藝，不配(pei)推力軸承;TB在(zai)TA的基礎上加(jia)裝了一隻推(tuī)力❤️軸承。TB的機(jī)芯結構如圖(tú)3所示。
圖3機械(xiè)芯結構圖

2.3試驗(yan)步驟
2.3.1常壓檢(jiǎn)定
　　首先，對2台(tai)流量計進行(hang)常壓檢定。檢(jian)定參照JJG1037-2008《渦輪(lún)流量計檢定(ding)規程》［7］，檢定的(de)流量點爲7點(dian)。
2.3.2
　　氣體沖擊試(shi)驗與高壓檢(jian)定爲了研究(jiū)加裝推力軸(zhóu)承的流量計(ji)🌈在高壓情況(kuang)下的計量特(tè)性，以及其抗(kang)氣體沖擊的(de)能力是否達(dá)到預期的效(xiao)果，本試驗将(jiang)在高壓環道(dao)氣體流量标(biao)準裝⛹🏻‍♀️置中進(jin)💚行。同時，爲達(da)到試驗要求(qiu)，在裝置上加(jiā)裝一📧個手動(dong)球閥，如圖4所(suo)示，以有效避(bì)免标準裝置(zhì)損壞。
圖4高壓(ya)沖擊試驗裝(zhuāng)置結構圖

①在(zài)高壓環道氣(qì)體流量标準(zhun)裝置上，對2台(tai)流量計進行(háng)多種壓力情(qing)況下的标定(ding)，壓力分别爲(wèi)常壓、0.8MPa、1.6MPa。
②進行氣(qì)體沖擊試驗(yan)，而後進行檢(jiǎn)定。本文要試(shi)驗流量計在(zài)💜壓力波動情(qing)況下的抗沖(chong)擊能力，但是(shì)受限于目前(qián)的技術和設(she)備，暫時沒辦(bàn)法完全按照(zhao)試驗要求來(lai)配置裝置。天(tian)信🤞儀表集✊團(tuán)的高壓環道(dao)氣體流量标(biao)準裝置可以(yǐ)分别對每段(duan)管段或者不(bú)同區域進行(háng)單獨加壓，以(yi)實現不同壓(ya)力的氣體對(duì)渦輪流量計(ji)的沖擊。首先(xian)，将圖4中的自(zi)動閥1、2關閉，同(tóng)時手👈動關閉(bì)手🚩動閥;然後(hòu)對單獨加壓(ya)區🛀加壓到測(cè)試壓🔴力值。由(yóu)于被檢表正(zhèng)處于常壓情(qing)況下，可瞬間(jian)打開手動閥(fá)，以保證流量(liàng)計瞬時壓差(cha)達到測試壓(yā)力值(即對被(bei)檢表進行軸(zhou)向沖擊，以模(mo)拟因人爲誤(wù)操作而形成(chéng)對高壓渦輪(lún)流量計葉輪(lún)的沖擊)。
③分别(bie)對2台渦輪流(liu)量計進行0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa、1.6MPa的(de)壓力沖擊，在(zai)每個壓力沖(chong)擊完成後進(jìn)行常壓檢定(ding)，并對比數據(ju)。
2.4試驗數據及(jí)分析
2.4.1常壓檢(jian)定數據
　　常壓(yā)檢定數據如(rú)表5所示。以其(qí)作爲基準數(shu)據，便于與高(gao)壓、沖擊後測(ce)試數據進行(háng)比對分析，從(cóng)中發現🈲規律(lü)并對其結構(gou)進🈚行優化［8］。
圖(tu)表5常壓檢定(ding)數據

表5中:TA的(de)儀表系數爲(wèi)13599.17;TB的儀表系數(shù)爲13488.77。
2.4.2高壓與沖(chòng)擊後檢定數(shù)據
①TA在0.1MPa(常壓)、0.8MPa、1.6MPa壓(ya)力下的示值(zhi)誤差曲線如(rú)圖5所示。圖5中(zhong)，上限和下限(xian)🔞折線表示合(hé)格示值誤差(cha)的臨界點，合(he)格的流🤞量計(jì)産品的示值(zhi)誤差必須在(zai)上限和下限(xiàn)之間。
圖5示值(zhi)誤差曲線

TA每(měi)次經過高壓(yā)氣體沖擊後(hou)再進行常壓(ya)檢定的示值(zhí)誤差曲線如(ru)圖6所示。
圖6不(bu)同壓力沖擊(jī)後的示值誤(wu)差曲線

　　圖6中:A爲(wèi)常壓檢定示(shì)值誤差曲線(xian);B～I分别爲0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa、1.6MPa壓力(lì)沖擊後的常(chang)🔴壓檢定示值(zhí)誤差曲線。與(yǔ)常壓下所測(cè)的數🧑🏽‍🤝‍🧑🏻據對比(bǐ)，當氣體💃🏻壓力(li)大于或等于(yú)0.4MPa時，經過氣體(tǐ)沖擊💜的氣體(ti)渦輪流量計(jì)的示值誤差(cha)曲線斜率增(zeng)加，主要表現(xiàn)在🔅小流量的(de)示值誤差與(yǔ)流量計沒經(jing)過沖💞擊時測(ce)的數據相差(chà)甚多，小流量(liang)示值誤差接(jie)近EN12261所規定的(de)最大允許誤(wu)差(±2%)。而當氣體(tǐ)壓力爲0.8MPa時，小(xiao)流量示值誤(wu)差☔達到峰值(zhí)，爲－1.824%。
②編号爲TB的(de)表在0.1MPa(常壓)、0.8MPa、1.6MPa壓(ya)力下的示值(zhí)誤差曲線如(ru)圖7所示。
圖7示(shì)值誤差曲線(xian)

　　對比圖7和(hé)圖5可知，在沒(méi)有高壓氣體(ti)沖擊而僅在(zai)高壓介質下(xià)💰的檢定，相較(jiao)于普通渦輪(lun)流量計，帶推(tui)力軸承的氣(qì)♻️體渦輪流👉量(liàng)計在不同壓(ya)力下的線性(xing)曲線更加💔穩(wen)定。
TB每次經過(guo)高壓氣體沖(chong)擊後再進行(háng)常壓檢定的(de)示💞值誤差曲(qu)線如圖8所示(shì)。
圖8不同壓力(li)沖擊後的示(shì)值誤差曲線(xiàn)

　　圖8中:A’爲常壓(yā)檢定示值誤(wu)差曲線;B’～I’分别(bié)爲0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa、1.6MPa壓力沖擊(ji)後的常🧑🏽‍🤝‍🧑🏻壓🍓檢(jiǎn)定示值誤差(chà)曲線。
　　從圖8中(zhōng)可以看出，大(da)部分的曲線(xiàn)都在上下限(xiàn)之間，曲線☂️穩(wen)定，且與常壓(yā)下的檢定數(shu)據相差不大(da)。唯獨在壓力(li)1.6MPa的氣體沖擊(ji)後，小流量的(de)示值誤差較(jiào)大，爲－1.306%，但其在(zài)最大允許誤(wu)差限之内。從(cong)數據上看，TB的(de)抗沖擊能力(lì)優于TA。
3結束語(yu)
　　本文對目前(qian)氣體渦輪流(liú)量計在高壓(ya)工況下的幾(jǐ)個問題進行(hang)了分析改進(jin)和試驗驗證(zhèng)。首先，根據計(jì)算及理論♉分(fèn)析，選擇材質(zhi)以及設計壁(bi)厚。其次，設計(jì)改進的油泵(beng)結構可在高(gao)壓狀況下更(gèng)輕松地對軸(zhou)🐇承供油，保證(zheng)高效穩🐉定，避(bì)免了高壓下(xià)無法給軸承(cheng)供油的極端(duān)情況;同時，根(gen)據測試試驗(yan)數據，推導出(chu)🐇關于推力與(yǔ)🙇‍♀️活塞面積、介(jie)質接觸面積(ji)以及介質壓(yā)👈力之間所☔存(cún)在的經驗公(gōng)式，爲後期油(you)泵系統的結(jie)構優化提供(gòng)了理論基礎(chǔ)。通過上述受(shòu)力情況分析(xi)并結合人體(ti)工程學對手(shǒu)動加⚽油手柄(bǐng)進行結構優(you)化設計，使其(qí)滿足✨高壓氣(qì)✂️體介質的供(gong)油功能。最後(hòu)，安裝了推力(lì)軸承後的氣(qi)體渦輪流量(liang)計，在高壓下(xià)有更強的抗(kang)沖擊能力。目(mù)🏃🏻‍♂️前，在1.6MPa壓力沖(chong)擊下，示值誤(wù)差能滿足要(yao)求。鑒于目前(qian)的試驗😘研究(jiu)還💃不夠系統(tǒng)和全面，未來(lai)将進行更多(duō)的改進及試(shì)驗，使産品能(neng)夠承受更高(gao)的壓力沖擊(jī)，實現流量計(ji)量更精确、更(gèng)🌍可靠✉️的目标(biao)。

以上内容來(lái)源于網絡，如(ru)有侵權請聯(lian)系即删除!