杨国芬 章宦辉 叶友意 苏苗候 华威 侯畔畔

摘要：针对目前市场对计量高压气体流量计的大量需求，提出了新型高压气体涡轮流量计的结构方案，相较于常压气体涡轮流量计，对壳体的材料与结构，主轴承的供油系统及其轴向缓冲结构进行研究，经过理论分析、结构设计与试验验证，设计出了能适应高压环境的气体涡轮流量计。实践表明，新型高压气体涡轮流量计能安全、准确、长效应用于高压介质计量领域中。

关键词：高压；气体涡轮流量计；壳体；供油；轴向缓冲；

Abstract:Aimingat the large demand for high-pressure gas flowmeters in Chinese market, a  new type of high–pressure resistance turbine gas flowmeter structure proposal is proposed.                          

Compared with normal-pressure gas turbine flowmeters, the material and structure of the housing, oil supply system of main bearing and the axial buffer structure is studied. After theoretical analysis, structural design and experimental verifications, a gas turbine flowmeter that can adapt to high pressure environment is designed. Practice shows that the new high-pressure resistance turbine gas flow meter can be used safely, accurately and on a long-term basis in the field of high pressure gas measurement.

Keyword：High-pressure; Gas turbine flowmeter; Body; Oil supply; Axial buffer;

1 前言

随着国家西气东输、川气东送等管道建成，在管道沿线的分输计量站上会有大量的高压、大口径天然气流量计的应用[1]。并且在煤改气的大环境下，必将刺激市场对气体流量计的大量需求。而气体涡轮流量计作为目前国内少数几种能在高压下计量的流量计之一，本文将对其如何能在高压工况条件下安全可靠运行进行分析，主要是针对承压部件（壳体）结构理论计算、主轴承供油功能以及高压损时如何避免或减小轴向力对轴承的轴向冲击进行结构研究及试验验证，以此深入积累气体涡轮流量计在高压气体介质中运行经验，为之后产品的改进与研发提供理论支持。 

2 环境适应性研究

2.1壳体结构和材料

流量计作为一种具有爆炸危险性的承压类的计量器具，其广泛应用于工业检测与控制，城市燃气检测或计量等领域。在使用过程中，其材料既承受环境或介质的接触腐蚀，又承受复杂的应力载荷。在腐蚀和载荷的共同作用下，流量计壳体材料容易发生损伤和失效，导致设备发生结构性破坏、泄露或爆炸等恶性事故。其常见的失效模式有强度失效、刚度失效、失稳失效和泄漏失效，而本小节仅针对强度失效这一现象进行分析。以TBQM-DN300焊接壳体为例，其简图如下： 

图1 TBQM-DN300焊接壳体结构图

在高压介质的工况环境下，对主承压零件——壳体的材质选型以及强度校核应进行理论计算分析及校核，其壁厚的计算公式是依据标准《工业金属管道设计规范》（GB50316-2000）中式6.2，当直管计算厚度ts小于管子外径D0的1/6时，承受内压直管的计算厚度不应小于式（1）计算的值。设计厚度tsd应按式（3）计算。

式中 ts—直管计算厚度（mm）；

P—设计压力（MPa）；

D0—管子外径（mm）；

[σ]t—在设计温度下材料的许用应力（MPa）；

Ej—焊接接头系数；

tsd—直管设计厚度（mm）；

C—厚度附加量之和（mm）；

C1—厚度减薄附加量（mm）；

C2—腐蚀或腐蚀附加量（mm）；

Y—计算系数。

式中设计温度按流量计使用温度，一般取-20℃～80℃，其余参数按标准《工业金属管道设计规范》与《压力管道规范-工业管道 第2部分：材料》中规定选取，按式（1）计算其结果如表一所示： 

表一 

其中厚度附加量C1与腐蚀附加量C2取值按《流体输送用不锈钢无缝钢管》与《钢制对焊管件规范》标准执行，按式（3）计算其结果如表二所示：

表二

钢管的公称壁厚大于设计壁厚，故所选钢管的壁厚符合要求。因许用应力已考虑到安全系数，故此建议公称壁厚选择可按设计厚度的1.1倍选择即可；不难看出，流量计壳体在选材时，应满足壳体的高压工作条件，并需考虑内部介质腐蚀及载荷冲击等失效形式，同时结合产品成本等相关因素。综上所述，本文流量计壳体采用Q345材质，最小壁厚为22mm。

2.2供油系统结构设计优化

涡轮流量计是属于速度式流量计量仪器，其通过采集涡轮旋转频率并结合温度、压力传感器相关参数而计量流过流量计的标况体积量。其旋转部件一般选取深沟球滚珠轴承，是确保其正常运行时需要润滑的，不然干摩擦会很快损坏轴承。而本小节所研究的是如何克服在高压介质的工况条件下产生的反作用力对润滑油的进入引起的不良影响。假设轴承腔体内部油路及工艺参数如图2所示：

图2 轴承腔体油路结构示意图

其流量计外部需配套油泵组件及外部外管，其由单向阀、活塞、手柄、油杯等组成；假设活塞直径为12mm，对流量计内部按照气密性试验要求进行加压并测试，同时在单向阀与活塞的润滑油腔室中检测其液压压力数值，详见表三：

表三 各种压力的介质下供油液压压力

从以上数据可知供油压差与气体介质压力的比值在0.059016～0.060976范围内，其平均值为0.059979；而润滑油和气体介质接触面积S1同供油活塞的面积S2比值恰似相当接近

其中P1是来自法兰公称压力等级，其按设计要求进行选取；若需降低气体介质压力对供油的阻力，可对S1、S2的相关参数进行调整，如将供油活塞的外径按8mm设计，其供油液压压力实测如下表：油杯供油阻力来自气体介质压力的反作用力、密封圈摩擦以及沿程阻力、压缩弹簧所产生的反作用力等；其中最为明显的是气体介质压力的反作用力

表四 各种压力的介质下供油液压压力

从以上数据可知供油压差与气体介质压力的比值在0.134003～0.134846范围内，其平均值为0.134385；而润滑油和气体介质接触面积S1同供油活塞的面积比值恰似相当接近

3 推力轴承研究试验由此可初步验证经验公式（3）的正确性；以此同时在气体介质压力为9.45MPa时，其活塞受力与其外径息息相关；活塞外径尺寸12mm与8mm分别承受1132.74N与538.98N的反作用力。

随着气体介质压力的增加，在管道上进行计量的气体涡轮流量计前后压差必将增大。压差的变化将影响叶轮的受力状况，通常情况下，气体介质的压力还不是稳定增加或减小，频繁变化的压差容易使叶轮受到冲击，使之损坏而无法计量流量。如何有效地避免此状况的发生也是各个厂商迫切想解决的目标。

工业生产中的一大类大型旋转机械是由径向轴承支承并配以推力轴承以抵消轴向力的。通常在对此类机械进行研究时，注意力集中在径向轴承的行为上，而忽视推力轴承对系统横向振动的影响[2]。

深沟球轴承加推力轴承的组合，可在承受很高径向负荷同时承受一定的轴向负荷。根据以往的经验，组合轴承理论上能保证叶轮在受到气体的轴向冲击时，推力轴承能够抵消掉一部分作用在深沟球轴承的轴向力，保护深沟球轴承不至于损坏。

本文接下来将对气体涡轮流量计进行气体冲击试验，研究对比气体涡轮流量计在有配推力轴承和没有推力轴承的情况下的检定数据，以此来探索和验证装有推力轴承涡轮表其抗冲击能力。

3.1检定所用的装置

高压环道气体流量标准装置（如图3所示），该装置以空气为介质，可调整在压力工作压力范围为（0.1-2.0）MPa，其流量范围为（1-2500）m3/h，检测口径为DN20-DN250，，不确定度为0.33%。

图3  高压环道气体流量标准装置（主环道）

3.2试验对象

2台TBQM-G160-DN100涡轮流量计，流量范围为（20～400）m3/h，压力等级为PN16，为了便于区分，壳体编号为17110971的涡轮流量计标记为TA，壳体编号为17110957的涡轮流量计标记为记TB。其中TA表按照标准装配工艺，不配推力轴承；TB表在TA的基础上加装了一只推力轴承。TB表机芯结构示意图如下图所示：

图4 TBQM-G160-DN100涡轮流量计机芯加装推力轴承结构示意简图

3.3试验步骤

3.3.1常压检定

首先对两台流量计进行常压检定，参照JJG1037--2008《涡轮流量计检定规程》进行检定，检定的流量点为7点。

3.3.2气体冲击试验与高压检定

为了探索加装了推力轴承后流量计在高压情况下的计量特性，以及其抗气体冲击的能力是否达到预期的效果。本试验将在高压环道气体流量标准装置中进行，同时，我们会在装置上加装一个手动球阀来达到试验的要求，如图5所示，这样的阀门设计可以有效避免标准装置损坏。

图5高压冲击试验装置结构示意图

1) 首先，在高压环道气体流量标准装置上对两台流量计进行多种压力情况下的标定，压力分别为常压、0.8MPa、1.6MPa；

2) 其次，进行气体冲击试验，而后再进行检定。由于本文要做流量计在压力波动情况下的抗冲击能力，但是受限于目前的技术和设备，暂时没办法完全按照试验要求来配置装置。我司的高压环道气体流量标准装置可以分别对每段管段或者不同区域进行单独加压，我们可以利用该功能来实现不同压力的气体对涡轮流量计冲击的目的。试验装置结构如图5，如先将图中的自动阀1,2关闭，并手动关闭手动阀，再对单独加压区加压到0.8MPa，同时被检表正处于常压情况下，然后打开手动阀，此时气体马上会对被检表进行冲击，这样模拟就能达到气体冲击涡轮流量计叶轮的效果；

3) 分别对两台涡轮流量计进行0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa、1.6MPa压力下的冲击，在每个压力冲击完成后进行常压检定，对比数据。

3.4数据整理分析

3.4.1常压检定数据如表五

表五

其中：TA表的仪表系数为13599.17，TB表的仪表系数为13488.77。

3.4.2高压检定数据与冲击试验后检定数据

（1）编号为TA的表在0.1MPa（常压）、0.8MPa、1.6MPa压力下的示值误差曲线如下图，图中的上限和下限折线表示合格示值误差的临界点，合格的流量计产品的示值误差必须要在上限和下限之间。

图6

图7

其中：

A-常压检定示值误差曲线；

B-0.2MPa压力冲击后常压检定示值误差曲线；

C-0.4MPa压力冲击后常压检定示值误差曲线；

D-0.6MPa压力冲击后常压检定示值误差曲线；

E-0.8MPa压力冲击后常压检定示值误差曲线；

F-1.0MPa压力冲击后常压检定示值误差曲线；

G-1.2MPa压力冲击后常压检定示值误差曲线；

H-1.4MPa压力冲击后常压检定示值误差曲线；

I-1.6MPa压力冲击后常压检定示值误差曲线。

图7为TA表每次经过高压气体冲击后再进行常压检定的示值误差曲线，如图所示，与常压下所测的数据对比，当气体压力大于或等于0.4MPa时，经过气体冲击的气体涡轮流量计的示值误差曲线斜率增加，主要表现在小流量的示值误差与流量计没经过冲击时测的数据相差甚多，下限快到了规定的临界点。在0.8MPa时，小流量示值误差最大，达到了-1.824。

（2）编号为TB的表在0.1MPa（常压）、0.8MPa、1.6MPa压力下的示值误差曲线如图8。

图8

图9

其中： 

A’-常压检定示值误差曲线

B’-0.2MPa压力冲击后常压检定示值误差曲线

C’-0.4MPa压力冲击后常压检定示值误差曲线

D’-0.6MPa压力冲击后常压检定示值误差曲线

E’-0.8MPa压力冲击后常压检定示值误差曲线

F’-1.0MPa压力冲击后常压检定示值误差曲线

G’-1.2MPa压力冲击后常压检定示值误差曲线

H’-1.4MPa压力冲击后常压检定示值误差曲线

I’-1.6MPa压力冲击后常压检定示值误差曲线

对比图8和图6可得，在没有高压气体冲击而仅仅是在高压介质下的检定，相较于普通涡轮流量计，带推力轴承的气体涡轮流量计在不同压力下的线性曲线更加的稳定。

图9为TB表每次经过高压气体冲击后再进行常压检定的示值误差曲线，从图中看出，大部分的曲线都在上下限之间，曲线稳定，且对比在常压下的检定数据也没有相差很多，唯独在压力1.6MPa的气体冲击后，小流量的示值误差较大，为-1.306%，在最大允许误差限之内。从数据上看，TB表抗冲击能力比没装推力轴承的TA表要强不少。

4 结论

本文对目前气体涡轮流量计在高压工况下的几个问题，进行了分析改进，并进行试验验证，得出结论如下：

（1） 根据计算及理论分析，为了使DN300气体涡轮流量计壳体的承压能力达到11MPa，将采用Q345材质的，且壁厚不小于22mm。

（2） 设计改进的油泵结构可以使我们在高压状况下更轻松的对轴承供油，保证高效稳定，避免了高压下无法给轴承供油的极端情况。

（3） 安装了推力轴承后的气体涡轮流量计，在高压下有更强的抗冲击能力，目前能做到在1.6MPa压力冲击下示值误差仍能满足要求。鉴于目前的试验研究还不够系统和全面，未来我们将做更多的改进及试验，使产品能够承受更高的压力冲击，实现流量计量更精确更可靠的目标。

参考文献

[1] 杨国芬, 曾韩谦等.气体涡轮流量计在不同压力下的计量性能研究[J].《工业计量》 , 2017 (1) :46-50.

[2] 姜培林,虞烈.推力轴承对轴承－转子系统的耦合作用研究[J].《应用力学学报》,1996(04).

[3] 杨彤 . 气体涡街流量计和涡轮流量计仪表系数实验研究 ［D］． 天津: 天津大学，2008.

[4] 杨有涛，王子钢 . 涡轮流量计 ［M］． 北京: 中国质检出版社，2011.

[5] 李传经，陈云麒，王继忠 . 天然气流量仪表在高压下的标定 ［Ｒ］． 全国流量计量学术交流会，2008.

（通信）作者：杨国芬（出生1987），男，学士，工程师，主要从事流量计量仪器仪表设计开发、数学建模以及数字化加工方向的研究。E-mail：yanggf@tancy.com。