摘要:電站鍋爐管道流量計(jì)是鍋爐上重要的元件組合裝置，曾經(jīng)一直處于監(jiān)管空白階段。本文首先介紹了流量計(jì)的原理及常見結(jié)構(gòu)。鍋爐管道上的流量計(jì)主要是差壓式流量計(jì)，按照結(jié)構(gòu)的不同可分為:焊接式、法蘭式、一體式和插入式。然后介紹在檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)流量計(jì)存在的安全隱患，如結(jié)構(gòu)問題、焊接材料錯(cuò)用及流量計(jì)材質(zhì)錯(cuò)用等。最后對(duì)流量計(jì)的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)選擇、安裝及監(jiān)管和檢驗(yàn)方面進(jìn)行探討分析。
針對(duì)近幾年電站鍋爐范圍內(nèi)管道出現(xiàn)的問題，尤其湖北當(dāng)陽發(fā)生的主蒸汽管道流量計(jì)焊縫爆裂事故，開展電站鍋爐范圍內(nèi)管道隱患專項(xiàng)排查工作其中著重提到了對(duì)于流量計(jì)的相關(guān)要求及補(bǔ)充檢驗(yàn)檢測(cè)等。在此之前流量計(jì)的監(jiān)管在各個(gè)環(huán)節(jié)基本處于空白階段，在515號(hào)文之后，參與開展了多家熱電企業(yè)的鍋爐范圍內(nèi)管道流量計(jì)的檢驗(yàn)工作，下面針對(duì)鍋爐流量計(jì)存在的一系列問題進(jìn)行探討和分析。
1電站鍋爐常用流量計(jì)的原理及結(jié)構(gòu)
電站鍋爐范圍內(nèi)管道常用的流量計(jì)為差壓式流量計(jì)，其原理和結(jié)構(gòu)如下。
1.1差壓式流量計(jì)原理
差壓式流量計(jì)工作原理是基于封閉管道中流體質(zhì)量守恒(連續(xù)性方程)和能量守恒(伯努利方程)兩個(gè)定律。根據(jù)GB/T2624.1--2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測(cè)量滿管流體流量第1部分:一般原理和要求》中的規(guī)定:以一次裝置(如孔板、噴嘴、文丘里管)安裝在充滿流體的管線中為依據(jù)確立的。裝人一次裝置后裝置的上游側(cè)與喉部或下游側(cè)之間產(chǎn)生一個(gè)靜壓差。根據(jù)該壓差的實(shí)測(cè)值和流體流動(dòng)的特性以及裝置的使用環(huán)境，并假設(shè)該裝置與經(jīng)過校準(zhǔn)的一個(gè)裝置幾何相似且使用條件相同就可以確定流量。簡單而言就是根據(jù)流量與壓差的關(guān)系，通過測(cè)定壓差,從而計(jì)算出流量，關(guān)系式如下:
式中:
qm一質(zhì)量流量;
C一流出系數(shù);
β一直徑比;
Ɛ一膨脹系數(shù);
d--節(jié)流孔或喉部直徑;
△p一壓差;
ρ一流體密度。
1.2流量計(jì)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)
按照一次裝置的不同，可將流量計(jì)分為孔板流量計(jì)、噴嘴流量計(jì)和文丘里管流量計(jì)。根據(jù)連接結(jié)構(gòu)的不同可分為法蘭式流量計(jì)、焊接式流量計(jì)和一體式流量計(jì)。法蘭式流量計(jì)常為孔板流量計(jì);焊接式流量計(jì)又分為焊接孔板和焊接噴嘴流量計(jì);一體式流量計(jì)常為長頸噴嘴流量計(jì)。結(jié)構(gòu)分別見圖(1)~圖(3)法蘭式流量計(jì)常用于主給水管道和低參數(shù)鍋爐的主蒸汽管道，焊接式流量計(jì)常用于高壓主給水和主蒸汽管道，一體式流量計(jì)主要用于高壓主蒸汽管道”。
除以上常見流量計(jì)結(jié)構(gòu)外，近幾年發(fā)展起來的還有一種插人式流量計(jì)，又稱均速管流量計(jì)，對(duì)在用鍋爐的檢驗(yàn)過程中，此種結(jié)構(gòu)流量計(jì)較為少見。插人式流量計(jì)是依據(jù)皮托管測(cè)量原理測(cè)量均速管高、低壓端的壓力差，從而達(dá)到測(cè)量流量的目的，本質(zhì)上也屬于差壓式流量計(jì)，與圓柱繞流原理關(guān)系密切2，見圖4。此種結(jié)構(gòu)相比前幾種流量計(jì)安裝簡便、壓損小，且無對(duì)接焊口，但也存在輸出壓差低、容易堵塞、還沒有標(biāo)準(zhǔn)化等一些不足，目前正處于發(fā)展過程中。
2鍋爐流量計(jì)存在的問題
2.1結(jié)構(gòu)問題
對(duì)流量計(jì)(殼體)的結(jié)構(gòu)要求，原則_上應(yīng)由整段無縫鋼管制成，不得存在異種鋼焊接的環(huán)縫。特殊情況需要使用兩截管段用環(huán)縫焊接流量計(jì)(殼體)的，應(yīng)經(jīng)鍋爐設(shè)計(jì)文件鑒定機(jī)構(gòu)書面同意。法蘭式流量計(jì)和焊接式流量計(jì)均有兩截管段制成，對(duì)于焊接式流量計(jì)在制造環(huán)節(jié)多出一道焊口，在515號(hào)文之前，既未進(jìn)行過監(jiān)督檢驗(yàn)，也無鍋爐設(shè)計(jì)文件鑒定機(jī)構(gòu)出具的書面同意資料，而且有文獻(xiàn)表面4焊接式流量計(jì)殼體與孔板焊接的根部位置存在較大的應(yīng)力，因此焊接式流量計(jì)此種結(jié)構(gòu)存在一定的安全隱患。
2.2流量計(jì)焊材錯(cuò)用
流量計(jì)的安裝一般在鍋爐沖管結(jié)束后進(jìn)行，而鍋爐及四大管道的檢驗(yàn)檢測(cè)都已在吹管前結(jié)束，因此對(duì)在用流量計(jì)的補(bǔ)充檢驗(yàn)檢測(cè)應(yīng)包含流量計(jì)與主蒸汽管道的安裝焊口。515號(hào)文要求對(duì)在用電站鍋爐流量計(jì)合金鋼材質(zhì)對(duì)接接頭進(jìn)行100%化學(xué)成分光譜分析和硬度檢測(cè)。在一次主蒸汽管道檢驗(yàn)工作中，發(fā)現(xiàn)流量計(jì)與主蒸汽管道連接的兩個(gè)環(huán)焊縫現(xiàn)場光譜分析顯示含Cr約20%，含Ni約10%，屬于奧氏體焊材。管材和流量計(jì)材質(zhì)均為12Cr1MoVG，管材規(guī)格為φ219x7mm;工作溫度450℃，工作壓力3.82MPa。
奧氏體不銹鋼的線膨脹系數(shù)比12Cr1MoVG高30%~50%，在高溫條件下存在顯著的熱應(yīng)力;奧氏體鋼的彈性模量較12Cr1MoVG小5%左右、屈服應(yīng)力低20%~30%，易于產(chǎn)生彈塑性變形，增加奧氏體區(qū)城的應(yīng)變。采用數(shù)值模擬的方法模擬流量計(jì)與主蒸汽管道連接處焊接接頭的應(yīng)力水平，如圖5顯示450C時(shí)焊接接頭的熱應(yīng)力(MISES等效應(yīng)力，單位Pa)。可見焊縫及其近鄰區(qū)域普遍存在較大的熱應(yīng)力,且焊縫金屬的全部以及母材.上沿坡口寬約2mm的帶狀區(qū)城均產(chǎn)生了屈服。又考慮到焊縫金屬和母材的化學(xué)成分差異較大，在高溫條件下碳的遷移會(huì)形成擴(kuò)散遷移層(脆化層和軟化層)I5],增加焊接接頭開裂的風(fēng)險(xiǎn)。基于此，對(duì)此流量計(jì)提出了更換或修理的建議。
2.3流量計(jì)材質(zhì)與主蒸汽管道材質(zhì)不同
在檢驗(yàn)的過程中經(jīng)常遇到流量計(jì)材質(zhì)與主蒸汽管道材質(zhì)不同的情況，主要分為以下三種:1)流量計(jì)為碳鋼(20G),主蒸汽管道為低合金鋼，如15CrMoG/12Cr1MoVG;2)流量計(jì)為低合金鋼，主蒸汽管道為碳鋼;3)流量計(jì)與主蒸汽管道均為低合金鋼，但材質(zhì)不同，如流量計(jì)為15CrMoG，主蒸汽管道為12Cr1MoVG，或反之。
流量計(jì)殼體不允許存在異種鋼焊接環(huán)縫，但是對(duì)于流量計(jì)與主蒸汽管道連接焊縫未做具體要求。基于在檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題，流量計(jì)與主蒸汽管道連接焊縫往往更容易出現(xiàn)問題，因此應(yīng)該做同等要求。針對(duì)前面說的第一-種情況，20G在管道.上允許使用溫度≤430℃，低合金鋼主蒸汽管道的使用溫度一般都超過450℃，流量計(jì)材質(zhì)存在超溫運(yùn)行的危險(xiǎn)，因此這種情況，流量計(jì)應(yīng)予以更換。針對(duì)第二種情況，主蒸汽管道為碳鋼，流量計(jì)為低合金鋼，流量計(jì)不存在超溫運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，雖同為異種鋼焊接，但是碳鋼和低合金鋼彈性模量相差不大，線膨脹系數(shù)基本相同，由此帶來的熱應(yīng)力不大，建議加強(qiáng)監(jiān)控。對(duì)于第三種情況，同屬低合金鋼，不屬于異種鋼焊接接頭，因此.是符合要求的。
3分析與探討
3.1流量計(jì)結(jié)構(gòu)選擇
流量計(jì)在制造、選型和安裝過程沒有相應(yīng)的監(jiān)督和約束，因此導(dǎo)致出現(xiàn)了一系列問題。鍋爐范圍內(nèi)管道，主給水和主蒸汽管道上一般都裝有流量計(jì)，對(duì)于母管制運(yùn)行的鍋爐，鍋爐至母管、母管至汽機(jī)管道上分別裝有流量計(jì)。流量計(jì)安裝的位置不同，工作環(huán)境也有差別。對(duì)于主給水管道，雖工作壓力高，但是工作溫度低，一般的流量計(jì)均可滿足要求。而對(duì)于主蒸汽管道，由前文的討論可知，在結(jié)構(gòu)上，一體式流量計(jì)和插人式流量計(jì)均滿足515號(hào)文流量計(jì)殼體整段無縫鋼管制成的要求，法蘭式和焊接式均為兩段式。在檢驗(yàn)的過程中應(yīng)對(duì)存在結(jié)構(gòu)不合理的流量計(jì)應(yīng)當(dāng)立即更換滿足通知規(guī)定的，但是對(duì)于不合理結(jié)構(gòu)未給予明確說明。從安裝角度來說，插人式流量計(jì)不存在安裝環(huán)焊縫，更易于保證流量計(jì)的安全運(yùn)行。
3.2流量計(jì)材質(zhì)選擇與安裝
從前文所述的在檢驗(yàn)中所遇到的問題可知,流量計(jì)在主蒸汽管道的安裝過程中，會(huì)出現(xiàn)焊接材料錯(cuò)用和流量計(jì)與管道連接存在異種鋼焊接接頭情況。這都是由于流量計(jì)曾經(jīng)疏于監(jiān)管，使用單位或者安裝單位自行安裝或者更換所導(dǎo)致。因此在流量計(jì)的選擇方面，要選擇材質(zhì)與主蒸汽管道材質(zhì)相同的流量計(jì)，避免出現(xiàn)異種鋼焊接接頭。且在流量計(jì)安裝后，應(yīng)對(duì)安裝焊口進(jìn)行相應(yīng)檢驗(yàn)檢測(cè)，如射線檢測(cè)、光譜復(fù)檢等，以防止焊接接頭出現(xiàn)焊材錯(cuò)用、未焊透.夾渣等質(zhì)量問題。
3.3流量計(jì)的監(jiān)管與檢驗(yàn)
新發(fā)布的TSG07--2019《特種設(shè)備生產(chǎn)和充裝單位許可規(guī)則》將流量計(jì)(殼體)正式納人行政許可，明確了流量計(jì)(殼體)的行政許可歸類一壓力管道元件。但是流量計(jì)(殼體)的制造尚無相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在鍋爐范圍內(nèi)使用的流量計(jì)應(yīng)滿足鍋爐標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材料、設(shè)計(jì)、制造和強(qiáng)度的要求。
在安裝環(huán)節(jié),新裝的流量計(jì)除要經(jīng)過制造監(jiān)檢外，在安裝監(jiān)檢的過程中，也應(yīng)涵蓋對(duì)安裝焊口的抽查,以確保流量計(jì)的安裝質(zhì)量。對(duì)于已經(jīng)在用的流量計(jì),除對(duì)流量計(jì)制造焊接接頭進(jìn)行補(bǔ)充檢驗(yàn)檢測(cè)外，對(duì)流量計(jì)與主蒸汽管道管道連接焊縫也應(yīng)做同等要求。同時(shí)針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的流量計(jì)也應(yīng)采取不同的檢測(cè)手段,如焊接式流量計(jì)中間焊縫的檢測(cè)，由于傳統(tǒng)超聲檢測(cè)的局限性”，可采用如TOFD.相控陣等多檢測(cè)手段相結(jié)合的方式。
4結(jié)束語
流量計(jì)是鍋爐上不可或缺的元件組合裝置，流量計(jì)形式多樣、結(jié)構(gòu)各有不同，流量計(jì)從制造、安裝和使用環(huán)節(jié)尚未形成系統(tǒng)的監(jiān)管。在以后的工作中，對(duì)流量計(jì)應(yīng)給予足夠的重視，保證鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
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