高温流体的流量测量

高温流体的流量测量

作者：（日）川田裕郎 小宫勤一 山崎 弘郎

整理：革命党de人

谈到高温流体时，还不能给该高温范围的意思明确的下一定义。目前，对于工业测量仪器来说，不同的种类，都自己规定了各自相应的高温范围。例如：温度计以1500～2000℃的范围为高温范围，对于调节阀、开关阀等阀类，谈到高温时，系指400～500℃以上的温度。流量计也按原理结构方式的不同而规定不同的高温范围。现在实用的工业温度上限对节流机构的差压流量计是540℃左右，容积式流量计是200℃左右，面积式流量计是400℃左右。

对于需要进行测量、但在测量上有些问题的具有代表性的高温流体，我们列举以下三种。作为导热媒质或能源的高温气体、高温蒸汽，高速增殖反应堆用的、强导热煤质——液态金属钠等；钢铁工业中的铁水、钢水。就是这三种流体，出于精度和使用材料的不同，在测流量时要求的要点也分别不同，叙述一般的共同点是困难的。因此，此章中仅以高温气体、高温蒸气所使用的节流流量计的实用问题和以测量液态金属的电磁流量计为中心来叙述高温流体的流量测量。

对于铁水、钢水还有两种测流量的方法：一种是应用高频集肤效应的流槽截面积测量的方式；另一种是电磁流量计的方式。这两种方式都可用于连续炼钢设备。为了能进行直接的、非接触形式的测量，也进行了多方面的研究和探讨，但是,实际上一般是通过把流量换算为液柱高或重量进行批量处理。因此，此章中不加叙述。另外，在测量液体金属钠的流量时，试验了在配管外安装检测器的超声波方式，不久将能实用化,  此处同样不加叙述。

用节流机构测量高温流体的流量

各种装置中的应用例子

使用高温流体的部门以电力、钢铁、化学工业为主，范围非常广，它们要处理多种类型的流体。在进行液体、水蒸气、气体等流量的测量时，人们从不同原理结构的多种类型的流量计中,首先研究了节流机构的差压流量计是否适用，而实际上应用也最多。这是因为它结构简单,而且有丰富的数据和实际使用经验。结果，节流装置作为过程检测仪表,其可信度比任何其他仪表都受人重视。

企业用发电和各厂用的发电装置以高效率化和大容量化为目标，将锅炉的蒸气温度和压力提高到临界温度和压力。这种蒸气为高温、高压的过热蒸气，其温度达568℃，压力达240公斤力／厘米²。从锅炉流向汽轮机的高压蒸气的流量一般用喷嘴等节流装置来测量。

在炼钢、炼铁中，将燃烧空气的温度提高再吹入高炉、转炉、烧结炉等炉内。这些燃烧空气的流量可用文丘利管等节流装置测量。另外，从这些炉中排出的气体也属于高温范围，可采用文丘利管测量该流量。

由于排出的气体为高温气体，它具有腐蚀性且含有灰尘，在选用材料时，要考虑这些特点和使用条件，选用合乎使用目的的、耐腐蚀性的材料。

在化学、石油化学工业中，例如：制氢装置、利用水蒸气改质法的改质炉，其反应管内的温度也加800-900℃左右。石油精制的接触改质装置．温度为420～580℃，压力为15—50公斤力／厘米²。这些装置中的炉内温度虽是高温，但因是测量和控制进入炉内之前的流量，所以．不用测量那么高温的流体。

以上只不过是举出了几例。要测量的高温流体还很多，不胜枚举。

考虑用节流装置测高温流体的流量时，与选择阀类材料一样，在重视温度的同时尤其要重视压力。

选择了适当的材料，就可以测量高温范围的流量。但从材料强度上来看，拉伸强度、屈服点都随温度的上升而下降，大约达到400℃以上时，就出现蠕变现象，因此，可将此温度看作是节流装置中的最高温度。下面叙述在该范围使用时必须注意的事项。

结构

    关于节流装置的构造已作了详细说明，这里只叙述应特别注意的事项。

    图3. 2  有代表性的结构

在高温流体中，由于排液管的逆流，压力取出口的结构会受到热冲击现破坏现象，因此，美国机械工程师学会的标准中推荐了套筒方式。其结构如图3.1所示，允许湿度在800^。F(427℃)以上。当温度低于标准温度时，可采用无套筒的结构。

在高温高压范围内，节流装置的主体部分的结构很少采用法兰夹进的方式，一般采用与连接管突配焊接结构。

作为有代表性的例子，我们将孔板、ISAl932喷嘴、流量喷嘴示于图3.2。

高温材料的选择

选择与高温流体接触的材料时，和选择配管、法兰、阀类等材料一样，要以压力—温度标准(Pressure—temperature rating)为标准。

所谓压力—温度标准系指在各个公称压力下相应的各种材料的流体的温度变化以及流体温度和该温度下最高使用压力的关系，日本工业标准中规定的各种材料的压力—温度标准示于图3.3。

如果从压力—温度标准来考虑，大约在340℃以下的范围内，合金钢的压力—温度标准同碳钢一样。但是，超过此温度后，温度影响就显著。

            图3.3日本工业标准中钢材的压力—温度标准 

此现象是与出现蠕变现象相对应的。随着温度上升，高温下使用的金属材料的强度，不论是拉伸强度和屈服点都急剧下降，随之出现蠕变现象。温度再高就造成蠕变破坏。因此，在使用温度下材料的容许应力的取法是重要的。当然，用于计算强度的容许应力，必须采用最高使用温度下的数值。钢铁材料的各个温度下的容许拉伸应力示于图3.4。此图是根据火力发电用技术标准、将具有代表性的钢材加以图示化。该标准中没有表示出的钢材，必须将以下几点中的最小值作为容许应力使用。

1.         该温度下的拉伸强度的1／4(＝0.25)。

2.         该温度下的屈服点的1／1.6(=0.625)。

3.         在1000个小时内，产生0.01％蠕变的应力平均值。

4.         在100000个小时内产生的裂断应力的最小值r的0.8倍或平均值的0.6倍的值

 

1.         高温用的材料必须考虑下述所要求的特性：

2.         高温时的强度要好：关于用在最高温度下的条件，如上所述，拉伸应力、蠕变和裂断强度要在规定的压力—温度标准内。

3.         耐氧化性、耐腐蚀性要好：高温材料如果暴露在高温气体、高温蒸汽中。其耐氧化性、耐腐蚀性要好，不能因氧化损耗和氢的浸透而产生脆性、不能因碱性的粒间浸透而产生碱脆性等腐蚀。

4.         高强时、金属组织的稳定性要高：如果它长时间暴露在高温中，要注意可能出现碳化物的球状化和石墨化、析出和相变以及再结晶化等组织变化现象。碳钢、镍合金钢等如果长期暴露在4000℃温度中，碳化物相要石墨化。同样碳钼、锰铭钒、锰钢纸等合金钢，如果长时间暴露在468℃的温度下，也要考虑碳化物相的石墨化问题。

5.         加工性能要好，特别焊接性能要好

除上述之外，还应考虑节流装置各部分材料的匹配问题。必须注意。由于温度的不同，各种材料的热膨胀也不同，如图3.5所示.,由此图可知，在温度上升和下降的过程中，千万不要选择存在膨胀系数差的材料进行组合。

焊接

碳钢、合金钢含碳量越过0.35％以上时，不得彩焊接结构。这是由于焊接热而产生骤热、骤冷、淬火效应显著。由于焊接部分的收缩应力，焊接处容易产生龟裂。因此，设计焊接结构时．必须加以注意。

不仅是焊接设计问题，为了获得具有可靠的焊接性能，必须有切实的焊接施工方法。另外，其焊接部分心须具有充分的强度。

例如：焊接式喷嘴是测量锅炉过热蒸气流量的、有代表性的节流装置，其配管口径为150毫米(外径)以上时，必须根据火力发电技术标准和电工物件标准的焊接技术标准(根据日本通产省省令、公告等规定)，向所辖管厅办理申请手续后设计制作。

在这种情况下，焊接部分的施工要让具有下述焊接技术的焊接技术人员进行，才可以确保其可靠性和工作质量。

1.         经财团法人火力发电协会考试合格的焊接技术员。

2.         符合锅炉和压力容器安全规则（日本劳动省）规定特殊接技术员和普通锅炉焊接技术员以及符合钢船结构规定(日本通信省)的焊接技术员。

3.         根据日本工业标准—Z—3801，经日本焊接协会(JWA)考试合格的技术员。

这些有资格的焊接技术员要每年检查一次技术能力。

检查焊接结果的好坏，可用非破坏性检查法来进行，用表3.I那样的方法来确认。在这种情况下，要事先明确采用哪种方法、检查哪个部位、判定标程如何。

在上述的火力发电用技术标准和日本工业标准中对判定标准作了规定。

   表3.1  非破坏检查方法

用电磁流量计测量熔融态金属流量

引言

用电磁流量计测量熔融态金属流量可以说是典型的高温流量测量的例子。在这种情况下，选择电磁流量计的基本原则归纳起来有以下两点：

1.         原理明确。在输出上很少混进非流量信号，而且产生非流量信号的因素可以控制。

2.         结构非常简单。不用维修，可靠性高。

第一项指出了在原理上不存在妨碍流动的因素，实际上不仅可以忽视压力损失，而且，输出信号从理论上得到了明确。也就是说，输出信号只依赖于磁场的强度和配管的几何尺寸，如掌握了现已确定的技术，测量上的重点就是要彻底控制磁场。也就是说，被测流体的物性参数对输出几乎不产生什么影响：其他原理结构的流量计也是如此。但这种情况，特别是流量计的实流校准需要很大的费用。由于实用上存在困难，因此，非常希望免掉这一项还能完成工作。通过实测输出的理论分析，小口径的流量计已搞清楚了。如果口径增大，会产生磁场端部效应，随之产生电动势，增加磁场的反作用．输出和流量之间的线性被破坏，给理论上的处理增加了困难。但是，上述理论还可直接应用。

另外，它的结构有以下三个部件：(1)本身构成流路、具有绝缘管机能的不锈钢管；(2)在该管壁上，在与管中心对称的两个位置用焊接方法安装的导线(3)形成磁场的磁场装置。所以结构简单。并且在使用磁场装置和永久磁铁时，不用任何外部辅助能源就可得到输出信号。

通过以上所述可以得出结论：即使是测量镕融态金属，也是用与配管相同的材料形成流量计的流路。所以，高温流设计基本上没有什么特殊的注意参项。因此该种流量计就是高温熔融态金属的处理和电磁流量计的理论、结构两项事项的相加。其研究成果的详细内容汇集在日本机械学会的调查报告中，这里只叙述特殊的事项。

结构

试制的测量液态金属用的电磁流量计的结构，主要按磁场发生装置的不同而不同根据用途大致分以下四种。

1.         炉内通道用永久磁铁式。

2.         过程用永久磁铁式。

3.         过程用大口径直流鞍型线圈式。

4.         炉内用涡电流差动流速式。

在图3．6的(a)、(b)、(c)、(d)中示出了与四种用途相对应的结构图，第(I)和第(4)种用于炉内，包括磁场装置的整个流量计暴露在高温下。与此相反，第(2)和第(3)种用于炉外，磁场装置只限于较低的温度。下面简单说明这四种磁场装置。

在(1)的场合由永久磁铁(与管路成同心圆)和极片形成匀强磁场。磁铁用铝镍钴合金，极片用纯铁。因为在500℃左右的高温下使用，所以应该在形成磁回路后，降低磁感应随温度变化而出现的非可逆变化，在高温下进行热干燥的热处理。

在(2)的组合，磁铁本身的温度可以接近于室温，因此，不需要上述的特殊处理。但是，为了减少漏磁，发挥磁铁的性能，可用组合磁铁来构成。

与(2)相反第(3)种需要外部电源等。有时还需要磁通修正装置，但磁结构的限制少，设计的自由度大。

第(4)种和过去的原理结构不同，它是相据差动变压器研制的，其目的是用于检测检测部附近的流速

关于液态金属用电磁流量计的理论，详细记载在舍克利夫的著作中。在实用中，输出E用下式表示：

E=K1*K2*K3BDV

这里，B为磁感应（韦伯/厘米2）；D韦管内径（厘米）；V韦流体平均流速（米/秒）；K1为管壁输出短路效应修正系数；K2为磁场端部流体短路修正系数；K3为管膨胀修正系数。

不管那种场合，原理上管路材料都是非磁性的，电导率比流体低。所以，使用与配管相同的或较薄的奥氏不锈钢管。为了很好的使金属与液体接触，除了要仔细的处理内表面外，焊接、检查等也要和第3.2节一样的进行。取出信号的导线，用在炉内时，可是用MI电缆，用在炉外时，可使用普通钢线。但是，从减少因热电动势而引起的误差的角度来讲，要求芯线和管路是同样材料。

图3．6液体金属用电隘流最计的结构