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高溫流體的流量測量

節流機構測量高溫材料的選擇鋼材的拉伸強度電磁流量計測量熔融態金屬流量

高溫流體的流量測量

作者:(日)川田裕郎 小宮勤一 山崎 弘郎
整理:革命黨de人

談到高溫流體時,還不能給該高溫范圍的意思明確的下一定義。目前,對于工業測量儀器來說,不同的種類,都自己規定了各自相應的高溫范圍。例如:溫度計15002000℃的范圍為高溫范圍,對于調節閥、開關閥等閥類,談到高溫時,系指400500℃以上的溫度。流量計也按原理結構方式的不同而規定不同的高溫范圍?,F在實用的工業溫度上限對節流機構的差壓流量計是540℃左右,容積式流量計是200℃左右,面積式流量計是400℃左右。

對于需要進行測量、但在測量上有些問題的具有代表性的高溫流體,我們列舉以下三種。作為導熱媒質或能源的高溫氣體、高溫蒸汽,高速增殖反應堆用的、強導熱煤質——液態金屬鈉等;鋼鐵工業中的鐵水、鋼水。就是這三種流體,出于精度和使用材料的不同,在測流量時要求的要點也分別不同,敘述一般的共同點是困難的。因此,此章中僅以高溫氣體、高溫蒸氣所使用的節流流量計的實用問題和以測量液態金屬的電磁流量計為中心來敘述高溫流體的流量測量。

對于鐵水、鋼水還有兩種測流量的方法:一種是應用高頻集膚效應的流槽截面積測量的方式;另一種是電磁流量計的方式。這兩種方式都可用于連續煉鋼設備。為了能進行直接的、非接觸形式的測量,也進行了多方面的研究和探討,但是,實際上一般是通過把流量換算為液柱高或重量進行批量處理。因此,此章中不加敘述。另外,在測量液體金屬鈉的流量時,試驗了在配管外安裝檢測器的超聲波方式,不久將能實用化此處同樣不加敘述。

用節流機構測量高溫流體的流量

各種裝置中的應用例子

使用高溫流體的部門以電力、鋼鐵、化學工業為主,范圍非常廣,它們要處理多種類型的流體。在進行液體、水蒸氣、氣體等流量的測量時,人們從不同原理結構的多種類型的流量計中,首先研究了節流機構的差壓流量計是否適用,而實際上應用也最多。這是因為它結構簡單,而且有豐富的數據和實際使用經驗。結果,節流裝置作為過程檢測儀表,其可信度比任何其他儀表都受人重視。

企業用發電和各廠用的發電裝置以高效率化和大容量化為目標,將鍋爐的蒸氣溫度和壓力提高到臨界溫度和壓力。這種蒸氣為高溫、高壓的過熱蒸氣,其溫度達568℃,壓力達240公斤力/厘米2。從鍋爐流向汽輪機的高壓蒸氣的流量一般用噴嘴等節流裝置來測量。

在煉鋼、煉鐵中,將燃燒空氣的溫度提高再吹入高爐、轉爐、燒結爐等爐內。這些燃燒空氣的流量可用文丘利管等節流裝置測量。另外,從這些爐中排出的氣體也屬于高溫范圍,可采用文丘利管測量該流量。

由于排出的氣體為高溫氣體,它具有腐蝕性且含有灰塵,在選用材料時,要考慮這些特點和使用條件,選用合乎使用目的的、耐腐蝕性的材料。

在化學、石油化學工業中,例如:制氫裝置、利用水蒸氣改質法的改質爐,其反應管內的溫度也加800-900℃左右。石油精制的接觸改質裝置.溫度為420580℃,壓力為1550公斤力/厘米2。這些裝置中的爐內溫度雖是高溫,但因是測量和控制進入爐內之前的流量,所以.不用測量那么高溫的流體。

以上只不過是舉出了幾例。要測量的高溫流體還很多,不勝枚舉。

考慮用節流裝置測高溫流體的流量時,與選擇閥類材料一樣,在重視溫度的同時尤其要重視壓力。

選擇了適當的材料,就可以測量高溫范圍的流量。但從材料強度上來看,拉伸強度、屈服點都隨溫度的上升而下降,大約達到400℃以上時,就出現蠕變現象,因此,可將此溫度看作是節流裝置中的最高溫度。下面敘述在該范圍使用時必須注意的事項。

結構

    關于節流裝置的構造已作了詳細說明,這里只敘述應特別注意的事項。

    3. 2  有代表性的結構

在高溫流體中,由于排液管的逆流,壓力取出口的結構會受到熱沖擊現破壞現象,因此,美國機械工程師學會的標準中推薦了套筒方式。其結構如圖3.1所示,允許濕度在800。F(427)以上。當溫度低于標準溫度時,可采用無套筒的結構。

在高溫高壓范圍內,節流裝置的主體部分的結構很少采用法蘭夾進的方式,一般采用與連接管突配焊接結構。

作為有代表性的例子,我們將孔板、ISAl932噴嘴、流量噴嘴示于圖3.2。

高溫材料的選擇

選擇與高溫流體接觸的材料時,和選擇配管、法蘭、閥類等材料一樣,要以壓力—溫度標準(Pressuretemperature rating)為標準。

所謂壓力—溫度標準系指在各個公稱壓力下相應的各種材料的流體的溫度變化以及流體溫度和該溫度下最高使用壓力的關系,日本工業標準中規定的各種材料的壓力—溫度標準示于圖3.3。

如果從壓力—溫度標準來考慮,大約在340℃以下的范圍內,合金鋼的壓力—溫度標準同碳鋼一樣。但是,超過此溫度后,溫度影響就顯著。

            3.3日本工業標準中鋼材的壓力—溫度標準 

此現象是與出現蠕變現象相對應的。隨著溫度上升,高溫下使用的金屬材料的強度,不論是拉伸強度和屈服點都急劇下降,隨之出現蠕變現象。溫度再高就造成蠕變破壞。因此,在使用溫度下材料的容許應力的取法是重要的。當然,用于計算強度的容許應力,必須采用最高使用溫度下的數值。鋼鐵材料的各個溫度下的容許拉伸應力示于圖3.4。此圖是根據火力發電用技術標準、將具有代表性的鋼材加以圖示化。該標準中沒有表示出的鋼材,必須將以下幾點中的最小值作為容許應力使用。

1.         該溫度下的拉伸強度的14(0.25)。

2.         該溫度下的屈服點的11.6(=0.625)。

3.         1000個小時內,產生0.01%蠕變的應力平均值。

4.         100000個小時內產生的裂斷應力的最小值r0.8倍或平均值的0.6倍的值

 

1.         高溫用的材料必須考慮下述所要求的特性:

2.         高溫時的強度要好:關于用在最高溫度下的條件,如上所述,拉伸應力、蠕變和裂斷強度要在規定的壓力—溫度標準內。

3.         耐氧化性、耐腐蝕性要好:高溫材料如果暴露在高溫氣體、高溫蒸汽中。其耐氧化性、耐腐蝕性要好,不能因氧化損耗和氫的浸透而產生脆性、不能因堿性的粒間浸透而產生堿脆性等腐蝕。

4.         高強時、金屬組織的穩定性要高:如果它長時間暴露在高溫中,要注意可能出現碳化物的球狀化和石墨化、析出和相變以及再結晶化等組織變化現象。碳鋼、鎳合金鋼等如果長期暴露在4000℃溫度中,碳化物相要石墨化。同樣碳鉬、錳銘釩、錳鋼紙等合金鋼,如果長時間暴露在468℃的溫度下,也要考慮碳化物相的石墨化問題。

5.         加工性能要好,特別焊接性能要好

除上述之外,還應考慮節流裝置各部分材料的匹配問題。必須注意。由于溫度的不同,各種材料的熱膨脹也不同,如圖3.5所示.,由此圖可知,在溫度上升和下降的過程中,千萬不要選擇存在膨脹系數差的材料進行組合。

焊接

碳鋼、合金鋼含碳量越過0.35%以上時,不得彩焊接結構。這是由于焊接熱而產生驟熱、驟冷、淬火效應顯著。由于焊接部分的收縮應力,焊接處容易產生龜裂。因此,設計焊接結構時.必須加以注意。

不僅是焊接設計問題,為了獲得具有可靠的焊接性能,必須有切實的焊接施工方法。另外,其焊接部分心須具有充分的強度。

例如:焊接式噴嘴是測量鍋爐過熱蒸氣流量的、有代表性的節流裝置,其配管口徑為150毫米(外徑)以上時,必須根據火力發電技術標準和電工物件標準的焊接技術標準(根據日本通產省省令、公告等規定),向所轄管廳辦理申請手續后設計制作。

在這種情況下,焊接部分的施工要讓具有下述焊接技術的焊接技術人員進行,才可以確保其可靠性和工作質量。

1.         經財團法人火力發電協會考試合格的焊接技術員。

2.         符合鍋爐和壓力容器安全規則(日本勞動?。┮幎ㄌ厥饨蛹夹g員和普通鍋爐焊接技術員以及符合鋼船結構規定(日本通信省)的焊接技術員。

3.         根據日本工業標準—Z3801,經日本焊接協會(JWA)考試合格的技術員。

這些有資格的焊接技術員要每年檢查一次技術能力。

檢查焊接結果的好壞,可用非破壞性檢查法來進行,用表3.I那樣的方法來確認。在這種情況下,要事先明確采用哪種方法、檢查哪個部位、判定標程如何。

在上述的火力發電用技術標準和日本工業標準中對判定標準作了規定。

   3.1  非破壞檢查方法

用電磁流量計測量熔融態金屬流量

引言

用電磁流量計測量熔融態金屬流量可以說是典型的高溫流量測量的例子。在這種情況下,選擇電磁流量計的基本原則歸納起來有以下兩點:

1.         原理明確。在輸出上很少混進非流量信號,而且產生非流量信號的因素可以控制。

2.         結構非常簡單。不用維修,可靠性高。

第一項指出了在原理上不存在妨礙流動的因素,實際上不僅可以忽視壓力損失,而且,輸出信號從理論上得到了明確。也就是說,輸出信號只依賴于磁場的強度和配管的幾何尺寸,如掌握了現已確定的技術,測量上的重點就是要徹底控制磁場。也就是說,被測流體的物性參數對輸出幾乎不產生什么影響:其他原理結構的流量計也是如此。但這種情況,特別是流量計的實流校準需要很大的費用。由于實用上存在困難,因此,非常希望免掉這一項還能完成工作。通過實測輸出的理論分析,小口徑的流量計已搞清楚了。如果口徑增大,會產生磁場端部效應,隨之產生電動勢,增加磁場的反作用.輸出和流量之間的線性被破壞,給理論上的處理增加了困難。但是,上述理論還可直接應用。

另外,它的結構有以下三個部件:(1)本身構成流路、具有絕緣管機能的不銹鋼管;(2)在該管壁上,在與管中心對稱的兩個位置用焊接方法安裝的導線(3)形成磁場的磁場裝置。所以結構簡單。并且在使用磁場裝置和永久磁鐵時,不用任何外部輔助能源就可得到輸出信號。

通過以上所述可以得出結論:即使是測量镕融態金屬,也是用與配管相同的材料形成流量計的流路。所以,高溫流設計基本上沒有什么特殊的注意參項。因此該種流量計就是高溫熔融態金屬的處理和電磁流量計的理論、結構兩項事項的相加。其研究成果的詳細內容匯集在日本機械學會的調查報告中,這里只敘述特殊的事項。

結構

試制的測量液態金屬用的電磁流量計的結構,主要按磁場發生裝置的不同而不同根據用途大致分以下四種。

1.         爐內通道用永久磁鐵式。

2.         過程用永久磁鐵式。

3.         過程用大口徑直流鞍型線圈式。

4.         爐內用渦電流差動流速式。

在圖36(a)、(b)、(c)、(d)中示出了與四種用途相對應的結構圖,第(I)和第(4)種用于爐內,包括磁場裝置的整個流量計暴露在高溫下。與此相反,第(2)和第(3)種用于爐外,磁場裝置只限于較低的溫度。下面簡單說明這四種磁場裝置。

(1)的場合由永久磁鐵(與管路成同心圓)和極片形成勻強磁場。磁鐵用鋁鎳鈷合金,極片用純鐵。因為在500左右的高溫下使用,所以應該在形成磁回路后,降低磁感應隨溫度變化而出現的非可逆變化,在高溫下進行熱干燥的熱處理。

(2)的組合,磁鐵本身的溫度可以接近于室溫,因此,不需要上述的特殊處理。但是,為了減少漏磁,發揮磁鐵的性能,可用組合磁鐵來構成。

(2)相反第(3)種需要外部電源等。有時還需要磁通修正裝置,但磁結構的限制少,設計的自由度大。

(4)種和過去的原理結構不同,它是相據差動變壓器研制的,其目的是用于檢測檢測部附近的流速

關于液態金屬用電磁流量計的理論,詳細記載在舍克利夫的著作中。在實用中,輸出E用下式表示:

E=K1*K2*K3BDV

這里,B為磁感應(韋伯/厘米2);D韋管內徑(厘米);V韋流體平均流速(米/秒);K1為管壁輸出短路效應修正系數;K2為磁場端部流體短路修正系數;K3為管膨脹修正系數。

不管那種場合,原理上管路材料都是非磁性的,電導率比流體低。所以,使用與配管相同的或較薄的奧氏不銹鋼管。為了很好的使金屬與液體接觸,除了要仔細的處理內表面外,焊接、檢查等也要和第3.2節一樣的進行。取出信號的導線,用在爐內時,可是用MI電纜,用在爐外時,可使用普通鋼線。但是,從減少因熱電動勢而引起的誤差的角度來講,要求芯線和管路是同樣材料。

36液體金屬用電隘流最計的結構

 

 

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