氣體超聲波流量計在線安裝密封裝置的設計與應用

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

流量計量是科學計量的重要組成部分，在各個領域中得到了廣泛的應用，在冶金企業中的能源計量、貿易結算、過程監控等方面都起到非常重要的作用。

和傳統的流量計相比，插入式氣體超聲波流量計優點有：介質中間不需過多安裝組件，不會改變流場分布，壓力損失小；不易受介質溫度、粘度等特性的影響；靈敏度高，能檢測微小流速的變化；量程比大，通用性好，可雙向測量等。

其原理是通過檢測氣體流動對超聲波的作用。發射端超聲波換能器受到電路控制系統的脈沖激勵后可振動產生超聲波，其經過氣體介質傳播到接收端換能器，之后經過信號處理供給到顯示和積算系統，實現流量的實時測量和顯示。

氣體超聲波流量計的超聲信號是利用超聲波換能器（探頭）來發射和接收，因此換能器安裝角度、位置以及聲道的布置情況是準確獲取氣體流場信息的關鍵因素。換能器在管段中的安裝位置對流量計測量精度有著較大影響，一方面，換能器會影響聲道實際長度，從而影響時差法計算結果，導致流量計測量誤差：另一方面，換能器會影響流場形態的分布，從而影響聲道線速度的測量，導致流量計測量誤差。因此，換能器的精確定位對安裝效應會從兩個方面影響流量計測量精度。

通過對流量計安裝過程的分析，計算專用流量計換能器插入深度及管道外預留長度，進行繪圖、加工專用密封裝置，實現氣體超聲波流量計在線安裝。

氣體超聲波流量計的安裝，特別是在正常生產過程中，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，直接影響計量精度。這就需要有一個計算精確，專用儀表專門定制的密封裝置，來實現儀表的安全、準確安裝。

2 系統構成

氣體超聲波流量計密封裝置，包括管道短節、切斷球閥、旋轉壓緊器、密封圓筒及圓筒內隔板構成，見圖1。其特征在于，在流量計探頭（換能器）安裝前達到良好的密封效果，在不影響生產的條件下進行開孔安裝，安全可靠。

圖1 探頭及裝置結構示意圖

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

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

（3）旋轉壓緊器，先讓換能器穿過壓緊器，對密封圓筒進行填充密封填料，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，并在內部填充密封填料，保證密封效果；

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

3 密封裝置設計與安裝

氣體超聲波流量計安裝時，由于管段安裝誤差等因素引起流場的非理想分布，造成流量計測量精度降低，流量計的測量會受到較大干擾。工業環境中，管段流動很難達到穩定狀態，所以流場中必然存在各種波動。流量計生產及應用中，對流場影響較大的還有管段直徑、管段內壁的粗糙程度、管段安裝同軸度誤差等因素。

為了解決上述問題，本設計提出了一種超聲波流量計密封裝置，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，并對本裝置的制作及應用方法進行詳細描述。

在流量計密封裝置定制時，首先要明確安裝需求，計算流量計及裝置加工詳細數據，本裝置以DN900 焦爐煤氣流量安裝為例，流量計探頭最大直徑為32 mm，選用DN50 球閥，首先，計算插入深度，一般為管道直徑的四分之一，

保證焊接距離，短節取：d2=70 mm;

DN50球閥長度：d3=178 mm;

短節法蘭厚度：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，經測量L=850 mm，k為3個密封墊及焊縫寬度，取20 mm。由此可確保換能器插入管道深度，保證流量計計量精度。

圓環隔板開孔大小的選取，探頭最前端有圓柱形結構，長度為42 mm，取圓環內徑為40 mm，在圓環內部對稱加工兩缺口，使其長度最大處達到45 mm，一方面可令探頭順利通過圓環;另一方面，可以定位密封填料最前端，保證圓筒內通過探頭的最小空間，達到密封效果。

在流量計安裝前，將短節定位并焊接至管道外壁，連接球閥及開孔器，進行電動或人工助力開孔，開孔完成后關閉球閥，撤下開孔器，將本裝置與球閥相連接，插入超聲波流量計換能器，在密封裝置中填入專業密封填料，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。本裝置可根據不同口徑流量計的換能器進行定制。

應用本裝置前，先將管道短節焊接于管道側壁，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圓環至球閥處，填充密封填料后開閥固定探頭,見圖2。

圖2 密封裝置結構示意圖

管道短節與封閉球閥相連接，球閥的另一端與密封圓筒固定，密封圓筒內部焊接了對稱缺口的圓環隔板，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，成為一個內部有圓環隔板的圓筒，最上部分為旋轉壓緊器，用于固定密封填料。圓環隔板開孔大小的選取經測量、計算，一方面可使探頭順利通過圓環，另一方面，可以定位密封填料最前端，保證圓筒內通過探頭的最小空間，達到密封效果。

參見圖3，其中，換能器在安裝時，先將旋轉壓緊器套至底部，再通過圓筒內的圓環隔板，直至球閥上部，插入前測量好插入深度，保證開發后能直接伸入管道內部。

應用本裝置實施流量計換能器安裝時，要確保現場及管網滿足施工條件，管道內壓力滿足開孔要求，注意在加工時測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，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。本裝置可根據不同口徑流量計的換能器進行定制。

圖3 換能器安裝示意圖

4 結論

本設計為氣體超聲波流量計量身定制，也可推廣至其它介質管道的流量計在線安裝應用，既保證了生產的連續性，又能減小流量計安裝過程中帶來的誤差，更重要的是有效提高了設備安裝安全性，為此類設備的在線安裝提供了有效依據，可不必完全依賴進口設備，為此領域內設備全國產化奠定基礎；并推動了國民經濟的發展，在冶金企業中的能源計量、貿易結算、過程監控等方面都起到非常重要的作用。