气体超声波流量计在线安装密封装置的设计与应用

薛冬晨，鲁绍军，王德宾，陈 希

（北京首钢股份有限公司，河北迁安 064404）

1 概述

流量计量是科学计量的重要组成部分，在各个领域中得到了广泛的应用，在冶金企业中的能源计量、贸易结算、过程监控等方面都起到非常重要的作用。

和传统的流量计相比，插入式气体超声波流量计优点有：介质中间不需过多安装组件，不会改变流场分布，压力损失小；不易受介质温度、粘度等特性的影响；灵敏度高，能检测微小流速的变化；量程比大，通用性好，可双向测量等。

其原理是通过检测气体流动对超声波的作用。发射端超声波换能器受到电路控制系统的脉冲激励后可振动产生超声波，其经过气体介质传播到接收端换能器，之后经过信号处理供给到显示和积算系统，实现流量的实时测量和显示。

气体超声波流量计的超声信号是利用超声波换能器（探头）来发射和接收，因此换能器安装角度、位置以及声道的布置情况是准确获取气体流场信息的关键因素。换能器在管段中的安装位置对流量计测量精度有着较大影响，一方面，换能器会影响声道实际长度，从而影响时差法计算结果，导致流量计测量误差：另一方面，换能器会影响流场形态的分布，从而影响声道线速度的测量，导致流量计测量误差。因此，换能器的精确定位对安装效应会从两个方面影响流量计测量精度。

通过对流量计安装过程的分析，计算专用流量计换能器插入深度及管道外预留长度，进行绘图、加工专用密封装置，实现气体超声波流量计在线安装。

气体超声波流量计的安装，特别是在正常生产过程中，保障安装过程施工安全的前提下，加工密封装置的精度、安装施工水平高低，直接影响计量精度。这就需要有一个计算精确，专用仪表专门定制的密封装置，来实现仪表的安全、准确安装。

2 系统构成

气体超声波流量计密封装置，包括管道短节、切断球阀、旋转压紧器、密封圆筒及圆筒内隔板构成，见图1。其特征在于，在流量计探头（换能器）安装前达到良好的密封效果，在不影响生产的条件下进行开孔安装，安全可靠。

图1 探头及装置结构示意图

（1）密封系统，管道短节与配套球阀相连接，直径与球阀相同，根据探头直径选取。

（2）切断球阀用于切断介质，与外界隔绝；在开孔过程中打开，开孔完毕后关闭，隔绝空气，进行密封装置填充，最后开阀安装换能器。

（3）旋转压紧器，先让换能器穿过压紧器，对密封圆筒进行填充密封填料，用于压紧填充的密封填料。

（4）密封圆筒还包括圆筒内隔板及密封填料，用于保证换能器插入管道深度定位，并在内部填充密封填料，保证密封效果；

（5）圆环隔板，两缺口设计保证换能器前端能顺利通过密封圆筒的最小空间，圆环隔板来定位密封填料深度。

3 密封装置设计与安装

气体超声波流量计安装时，由于管段安装误差等因素引起流场的非理想分布，造成流量计测量精度降低，流量计的测量会受到较大干扰。工业环境中，管段流动很难达到稳定状态，所以流场中必然存在各种波动。流量计生产及应用中，对流场影响较大的还有管段直径、管段内壁的粗糙程度、管段安装同轴度误差等因素。

为了解决上述问题，本设计提出了一种超声波流量计密封装置，既保障了安装过程中的施工安全，避免有毒气体泄漏，又能保证换能器安装位置，减小误差，并对本装置的制作及应用方法进行详细描述。

在流量计密封装置定制时，首先要明确安装需求，计算流量计及装置加工详细数据，本装置以DN900 焦炉煤气流量安装为例，流量计探头最大直径为32 mm，选用DN50 球阀，首先，计算插入深度，一般为管道直径的四分之一，

保证焊接距离，短节取：d2=70 mm;

DN50球阀长度：d3=178 mm;

短节法兰厚度：d4=25.5 mm;

管道壁厚：d5=10 mm;

密封圆筒高度为：

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

L 为换能器法兰到最前端距离，经测量L=850 mm，k为3个密封垫及焊缝宽度，取20 mm。由此可确保换能器插入管道深度，保证流量计计量精度。

圆环隔板开孔大小的选取，探头最前端有圆柱形结构，长度为42 mm，取圆环内径为40 mm，在圆环内部对称加工两缺口，使其长度最大处达到45 mm，一方面可令探头顺利通过圆环;另一方面，可以定位密封填料最前端，保证圆筒内通过探头的最小空间，达到密封效果。

在流量计安装前，将短节定位并焊接至管道外壁，连接球阀及开孔器，进行电动或人工助力开孔，开孔完成后关闭球阀，撤下开孔器，将本装置与球阀相连接，插入超声波流量计换能器，在密封装置中填入专业密封填料，球阀开阀前要填满密封填料，压紧后要与外界空气隔绝后再开阀。本装置可根据不同口径流量计的换能器进行定制。

应用本装置前，先将管道短节焊接于管道侧壁，连接球阀，利用开孔器开孔施工，完成后将密封圆筒连接在球阀另一端，插入探头使其通过圆筒内圆环至球阀处，填充密封填料后开阀固定探头,见图2。

图2 密封装置结构示意图

管道短节与封闭球阀相连接，球阀的另一端与密封圆筒固定，密封圆筒内部焊接了对称缺口的圆环隔板，在成型前，密封圆筒是分体的两部分，一部分一端焊接法兰，一端焊接隔板，再与焊接法兰的另一部分相连，成为一个内部有圆环隔板的圆筒，最上部分为旋转压紧器，用于固定密封填料。圆环隔板开孔大小的选取经测量、计算，一方面可使探头顺利通过圆环，另一方面，可以定位密封填料最前端，保证圆筒内通过探头的最小空间，达到密封效果。

参见图3，其中，换能器在安装时，先将旋转压紧器套至底部，再通过圆筒内的圆环隔板，直至球阀上部，插入前测量好插入深度，保证开发后能直接伸入管道内部。

应用本装置实施流量计换能器安装时，要确保现场及管网满足施工条件，管道内压力满足开孔要求，注意在加工时测算好密封效果最高的最小余量，确保不漏气，换能器插入圆筒内，球阀开阀前要填满密封填料，压紧后要与外界空气隔绝后再开阀。本装置可根据不同口径流量计的换能器进行定制。

图3 换能器安装示意图

4 结论

本设计为气体超声波流量计量身定制，也可推广至其它介质管道的流量计在线安装应用，既保证了生产的连续性，又能减小流量计安装过程中带来的误差，更重要的是有效提高了设备安装安全性，为此类设备的在线安装提供了有效依据，可不必完全依赖进口设备，为此领域内设备全国产化奠定基础；并推动了国民经济的发展，在冶金企业中的能源计量、贸易结算、过程监控等方面都起到非常重要的作用。