高溫流體的流量測量
談到高溫流體時(shí)，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(yè)測量儀器來說，不同的種類，都自己規(guī)定了各自相應(yīng)的高溫范圍。例如：溫度計(jì)以1500～2000℃的范圍為高溫范圍，對于調(diào)節(jié)閥、開關(guān)閥等閥類，談到高溫時(shí)，系指400～500℃以上的溫度。流量計(jì)也按原理結(jié)構(gòu)方式的不同而規(guī)定不同的高溫范圍?，F(xiàn)在實(shí)用的工業(yè)溫度上限對節(jié)流機(jī)構(gòu)的差壓流量計(jì)是540℃左右，容積式流量計(jì)是200℃左右，面積式流量計(jì)是400℃左右。
對于需要進(jìn)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(dǎo)熱媒質(zhì)或能源的高溫氣體、高溫蒸汽，高速增殖反應(yīng)堆用的、強(qiáng)導(dǎo)熱煤質(zhì)——液態(tài)金屬鈉等；鋼鐵工業(yè)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(shí)要求的要點(diǎn)也分別不同，敘述一般的共同點(diǎn)是困難的。因此，此章中僅以高溫氣體、高溫蒸氣所使用的節(jié)流流量計(jì)的實(shí)用問題和以測量液態(tài)金屬的電磁流量計(jì)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(yīng)用高頻集膚效應(yīng)的流槽截面積測量的方式；另一種是電磁流量計(jì)的方式。這兩種方式都可用于連續(xù)煉鋼設(shè)備。為了能進(jìn)行直接的、非接觸形式的測量，也進(jìn)行了多方面的研究和探討，但是,實(shí)際上一般是通過把流量換算為液柱高或重量進(jìn)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(shí)，試驗(yàn)了在配管外安裝檢測器的超聲波方式，不久將能實(shí)用化,? 此處同樣不加敘述。
用節(jié)流機(jī)構(gòu)測量高溫流體的流量
各種裝置中的應(yīng)用例子
使用高溫流體的部門以電力、鋼鐵、化學(xué)工業(yè)為主，范圍非常廣，它們要處理多種類型的流體。在進(jìn)行液體、水蒸氣、氣體等流量的測量時(shí)，人們從不同原理結(jié)構(gòu)的多種類型的流量計(jì)中,首先研究了節(jié)流機(jī)構(gòu)的差壓流量計(jì)是否適用，而實(shí)際上應(yīng)用也zui多。這是因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡單,而且有豐富的數(shù)據(jù)和實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)。結(jié)果，節(jié)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(yè)用發(fā)電和各廠用的發(fā)電裝置以率化和大容量化為目標(biāo)，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(dá)568℃，壓力達(dá)240公斤力／厘米2。從鍋爐流向汽輪機(jī)的高壓蒸氣的流量一般用噴嘴等節(jié)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(zhuǎn)爐、燒結(jié)爐等爐內(nèi)。這些燃燒空氣的流量可用文丘利管等節(jié)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(shí)，要考慮這些特點(diǎn)和使用條件，選用合乎使用目的的、耐腐蝕性的材料。
在化學(xué)、石油化學(xué)工業(yè)中，例如：制氫裝置、利用水蒸氣改質(zhì)法的改質(zhì)爐，其反應(yīng)管內(nèi)的溫度也加800-900℃左右。石油精制的接觸改質(zhì)裝置．溫度為420～580℃，壓力為15—50公斤力／厘米2。這些裝置中的爐內(nèi)溫度雖是高溫，但因是測量和控制進(jìn)入爐內(nèi)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(jié)流裝置測高溫流體的流量時(shí)，與選擇閥類材料一樣，在重視溫度的同時(shí)尤其要重視壓力。
選擇了適當(dāng)?shù)牟牧?，就可以測量高溫范圍的流量。但從材料強(qiáng)度上來看，拉伸強(qiáng)度、屈服點(diǎn)都隨溫度的上升而下降，大約達(dá)到400℃以上時(shí)，就出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象，因此，可將此溫度看作是節(jié)流裝置中的zui高溫度。下面敘述在該范圍使用時(shí)必須注意的事項(xiàng)。
結(jié)構(gòu)
關(guān)于節(jié)流裝置的構(gòu)造已作了詳細(xì)說明，這里只敘述應(yīng)特別注意的事項(xiàng)。
圖3. 2 有代表性的結(jié)構(gòu)
在高溫流體中，由于排液管的逆流，壓力取出口的結(jié)構(gòu)會(huì)受到熱沖擊現(xiàn)破壞現(xiàn)象，因此，美國機(jī)械工程師學(xué)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)中推薦了套筒方式。其結(jié)構(gòu)如圖3.1所示，允許濕度在800。F（427℃）以上。當(dāng)溫度低于標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)，可采用無套筒的結(jié)構(gòu)。
在高溫高壓范圍內(nèi)，節(jié)流裝置的主體部分的結(jié)構(gòu)很少采用法蘭夾進(jìn)的方式，一般采用與連接管突配焊接結(jié)構(gòu)。
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(shí)，和選擇配管、法蘭、閥類等材料一樣，要以壓力—溫度標(biāo)準(zhǔn)（Pressure—temperature rating）為標(biāo)準(zhǔn)。
所謂壓力—溫度標(biāo)準(zhǔn)系指在各個(gè)公稱壓力下相應(yīng)的各種材料的流體的溫度變化以及流體溫度和該溫度下zui高使用壓力的關(guān)系，日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的各種材料的壓力—溫度標(biāo)準(zhǔn)示于圖3.3。
如果從壓力—溫度標(biāo)準(zhǔn)來考慮，大約在340℃以下的范圍內(nèi)，合金鋼的壓力—溫度標(biāo)準(zhǔn)同碳鋼一樣。但是，超過此溫度后，溫度影響就顯著。
圖3.3日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中鋼材的壓力—溫度標(biāo)準(zhǔn)
此現(xiàn)象是與出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象相對應(yīng)的。隨著溫度上升，高溫下使用的金屬材料的強(qiáng)度，不論是拉伸強(qiáng)度和屈服點(diǎn)都急劇下降，隨之出現(xiàn)蠕變現(xiàn)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(yīng)力的取法是重要的。當(dāng)然，用于計(jì)算強(qiáng)度的容許應(yīng)力，必須采用zui高使用溫度下的數(shù)值。鋼鐵材料的各個(gè)溫度下的容許拉伸應(yīng)力示于圖3.4。此圖是根據(jù)火力發(fā)電用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、將具有代表性的鋼材加以圖示化。該標(biāo)準(zhǔn)中沒有表示出的鋼材，必須將以下幾點(diǎn)中的zui小值作為容許應(yīng)力使用。
1. 該溫度下的拉伸強(qiáng)度的1／4（＝0.25）。
2. 該溫度下的屈服點(diǎn)的1／1.6（=0.625）。
3. 在1000個(gè)小時(shí)內(nèi)，產(chǎn)生0.01％蠕變的應(yīng)力平均值。
4. 在100000個(gè)小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生的裂斷應(yīng)力的zui小值r的0.8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(shí)的強(qiáng)度要好：關(guān)于用在zui高溫度下的條件，如上所述，拉伸應(yīng)力、蠕變和裂斷強(qiáng)度要在規(guī)定的壓力—溫度標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。
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(chǎn)生脆性、不能因堿性的粒間浸透而產(chǎn)生堿脆性等腐蝕。
4. 高強(qiáng)時(shí)、金屬組織的穩(wěn)定性要高：如果它長時(shí)間暴露在高溫中，要注意可能出現(xiàn)碳化物的球狀化和石墨化、析出和相變以及再結(jié)晶化等組織變化現(xiàn)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(shí)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(yīng)考慮節(jié)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(shù)差的材料進(jìn)行組合。
焊接
碳鋼、合金鋼含碳量越過0.35％以上時(shí)，不得彩焊接結(jié)構(gòu)。這是由于焊接熱而產(chǎn)生驟熱、驟冷、淬火效應(yīng)顯著。由于焊接部分的收縮應(yīng)力，焊接處容易產(chǎn)生龜裂。因此，設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí)．必須加以注意。
不僅是焊接設(shè)計(jì)問題，為了獲得具有可靠的焊接性能，必須有切實(shí)的焊接施工方法。另外，其焊接部分心須具有充分的強(qiáng)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(jié)流裝置，其配管口徑為150毫米（外徑）以上時(shí)，必須根據(jù)火力發(fā)電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和電工物件標(biāo)準(zhǔn)的焊接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（根據(jù)日本通產(chǎn)省省令、公告等規(guī)定），向所轄管廳辦理申請手續(xù)后設(shè)計(jì)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(shù)的焊接技術(shù)人員進(jìn)行，才可以確保其可靠性和工作質(zhì)量。
1. 經(jīng)財(cái)團(tuán)法人火力發(fā)電協(xié)會(huì)考試合格的焊接技術(shù)員。
2. 符合鍋爐和壓力容器安全規(guī)則（日本勞動(dòng)?。┮?guī)定特殊接技術(shù)員和普通鍋爐焊接技術(shù)員以及符合鋼船結(jié)構(gòu)規(guī)定（日本通信省）的焊接技術(shù)員。
3. 根據(jù)日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—Z—3801，經(jīng)日本焊接協(xié)會(huì)（JWA）考試合格的技術(shù)員。
這些有資格的焊接技術(shù)員要每年檢查一次技術(shù)能力。
檢查焊接結(jié)果的好壞，可用非破壞性檢查法來進(jìn)行，用表3.I那樣的方法來確認(rèn)。在這種情況下，要事先明確采用哪種方法、檢查哪個(gè)部位、判定標(biāo)程如何。
在上述的火力發(fā)電用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對判定標(biāo)準(zhǔn)作了規(guī)定。
表3.1 非破壞檢查方法
用電磁流量計(jì)測量熔融態(tài)金屬流量
引言
用電磁流量計(jì)測量熔融態(tài)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(jì)的基本原則歸納起來有以下兩點(diǎn)：
1. 原理明確。在輸出上很少混進(jìn)非流量信號，而且產(chǎn)生非流量信號的因素可以控制。
2. 結(jié)構(gòu)非常簡單。不用維修，可靠性高。
*項(xiàng)指出了在原理上不存在妨礙流動(dòng)的因素，實(shí)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(qiáng)度和配管的幾何尺寸，如掌握了現(xiàn)已確定的技術(shù)，測量上的重點(diǎn)就是要*控制磁場。也就是說，被測流體的物性參數(shù)對輸出幾乎不產(chǎn)生什么影響：其他原理結(jié)構(gòu)的流量計(jì)也是如此。但這種情況，特別是流量計(jì)的實(shí)流校準(zhǔn)需要很大的費(fèi)用。由于實(shí)用上存在困難，因此，非常希望免掉這一項(xiàng)還能完成工作。通過實(shí)測輸出的理論分析，小口徑的流量計(jì)已搞清楚了。如果口徑增大，會(huì)產(chǎn)生磁場端部效應(yīng)，隨之產(chǎn)生電動(dòng)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(yīng)用。
另外，它的結(jié)構(gòu)有以下三個(gè)部件：（1）本身構(gòu)成流路、具有絕緣管機(jī)能的不銹鋼管；（2）在該管壁上，在與管中心對稱的兩個(gè)位置用焊接方法安裝的導(dǎo)線（3）形成磁場的磁場裝置。所以結(jié)構(gòu)簡單。并且在使用磁場裝置和*磁鐵時(shí)，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(jié)論：即使是測量镕融態(tài)金屬，也是用與配管相同的材料形成流量計(jì)的流路。所以，高溫流設(shè)計(jì)基本上沒有什么特殊的注意參項(xiàng)。因此該種流量計(jì)就是高溫熔融態(tài)金屬的處理和電磁流量計(jì)的理論、結(jié)構(gòu)兩項(xiàng)事項(xiàng)的相加。其研究成果的詳細(xì)內(nèi)容匯集在日本機(jī)械學(xué)會(huì)的調(diào)查報(bào)告中，這里只敘述特殊的事項(xiàng)。
結(jié)構(gòu)
試制的測量液態(tài)金屬用的電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)，主要按磁場發(fā)生裝置的不同而不同根據(jù)用途大致分以下四種。
1. 爐內(nèi)通道用*磁鐵式。
2. 過程用*磁鐵式。
3. 過程用大口徑直流鞍型線圈式。
4. 爐內(nèi)用渦電流差動(dòng)流速式。
在圖3．6的（a）、（b）、（c）、（d）中示出了與四種用途相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)圖，第（I）和第（4）種用于爐內(nèi)，包括磁場裝置的整個(gè)流量計(jì)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。
在（1）的場合由*磁鐵（與管路成同心圓）和極片形成勻強(qiáng)磁場。磁鐵用鋁鎳鈷合金，極片用純鐵。因?yàn)樵?00℃左右的高溫下使用，所以應(yīng)該在形成磁回路后，降低磁感應(yīng)隨溫度變化而出現(xiàn)的非可逆變化，在高溫下進(jìn)行熱干燥的熱處理。
在（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(fā)揮磁鐵的性能，可用組合磁鐵來構(gòu)成。
與（2）相反第（3）種需要外部電源等。有時(shí)還需要磁通修正裝置，但磁結(jié)構(gòu)的限制少，設(shè)計(jì)的自由度大。
第（4）種和過去的原理結(jié)構(gòu)不同，它是相據(jù)差動(dòng)變壓器研制的，其目的是用于檢測檢測部附近的流速
關(guān)于液態(tài)金屬用電磁流量計(jì)的理論，詳細(xì)記載在舍克利夫的著作中。在實(shí)用中，輸出E用下式表示：
E=K1＊K2＊K3BDV
這里，B為磁感應(yīng)（韋伯/厘米2）；D韋管內(nèi)徑（厘米）；V韋流體平均流速（米/秒）；K1為管壁輸出短路效應(yīng)修正系數(shù)；K2為磁場端部流體短路修正系數(shù)；K3為管膨脹修正系數(shù)。
不管那種場合，原理上管路材料都是非磁性的，電導(dǎo)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(xì)的處理內(nèi)表面外，焊接、檢查等也要和第3.2節(jié)一樣的進(jìn)行。取出信號的導(dǎo)線，用在爐內(nèi)時(shí)，可是用MI電纜，用在爐外時(shí)，可使用普通鋼線。但是，從減少因熱電動(dòng)勢而引起的誤差的角度來講，要求芯線和管路是同樣材料。
圖3．6液體金屬用電隘流zui計(jì)的結(jié)構(gòu)
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