摘要:電站鍋爐管道流量計是鍋爐上重要的元件組合裝置，曾經一直處于監管空白階段。本文首先介紹了流量計的原理及常見結構。鍋爐管道上的流量計主要是差壓式流量計，按照結構的不同可分為:焊接式、法蘭式、一體式和插入式。然后介紹在檢驗過程中發現流量計存在的安全隱患，如結構問題、焊接材料錯用及流量計材質錯用等。最后對流量計的結構、材質選擇、安裝及監管和檢驗方面進行探討分析。
針對近幾年電站鍋爐范圍內管道出現的問題，尤其湖北當陽發生的主蒸汽管道流量計焊縫爆裂事故，開展電站鍋爐范圍內管道隱患專項排查工作其中著重提到了對于流量計的相關要求及補充檢驗檢測等。在此之前流量計的監管在各個環節基本處于空白階段，在515號文之后，參與開展了多家熱電企業的鍋爐范圍內管道流量計的檢驗工作，下面針對鍋爐流量計存在的一系列問題進行探討和分析。
1電站鍋爐常用流量計的原理及結構
電站鍋爐范圍內管道常用的流量計為差壓式流量計，其原理和結構如下。
1.1差壓式流量計原理
差壓式流量計工作原理是基于封閉管道中流體質量守恒(連續性方程)和能量守恒(伯努利方程)兩個定律。根據GB/T2624.1--2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量第1部分:一般原理和要求》中的規定: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確立的。裝人一次裝置后裝置的上游側與喉部或下游側之間產生一個靜壓差。根據該壓差的實測值和流體流動的特性以及裝置的使用環境，并假設該裝置與經過校準的一個裝置幾何相似且使用條件相同就可以確定流量。簡單而言就是根據流量與壓差的關系，通過測定壓差,從而計算出流量，關系式如下:
式中:
qm一質量流量;
C一流出系數;
β一直徑比;
Ɛ一膨脹系數;
d--節流孔或喉部直徑;
△p一壓差;
ρ一流體密度。
1.2流量計結構與特點
按照一次裝置的不同，可將流量計分為孔板流量計、噴嘴流量計和文丘里管流量計。根據連接結構的不同可分為法蘭式流量計、焊接式流量計和一體式流量計。法蘭式流量計常為孔板流量計;焊接式流量計又分為焊接孔板和焊接噴嘴流量計;一體式流量計常為長頸噴嘴流量計。結構分別見圖(1)~圖(3)法蘭式流量計常用于主給水管道和低參數鍋爐的主蒸汽管道，焊接式流量計常用于高壓主給水和主蒸汽管道，一體式流量計主要用于高壓主蒸汽管道”。
除以上常見流量計結構外，近幾年發展起來的還有一種插人式流量計，又稱均速管流量計，對在用鍋爐的檢驗過程中，此種結構流量計較為少見。插人式流量計是依據皮托管測量原理測量均速管高、低壓端的壓力差，從而達到測量流量的目的，本質上也屬于差壓式流量計，與圓柱繞流原理關系密切2，見圖4。此種結構相比前幾種流量計安裝簡便、壓損小，且無對接焊口，但也存在輸出壓差低、容易堵塞、還沒有標準化等一些不足，目前正處于發展過程中。
2鍋爐流量計存在的問題
2.1結構問題
對流量計(殼體)的結構要求，原則_上應由整段無縫鋼管制成，不得存在異種鋼焊接的環縫。特殊情況需要使用兩截管段用環縫焊接流量計(殼體)的，應經鍋爐設計文件鑒定機構書面同意。法蘭式流量計和焊接式流量計均有兩截管段制成，對于焊接式流量計在制造環節多出一道焊口，在515號文之前，既未進行過監督檢驗，也無鍋爐設計文件鑒定機構出具的書面同意資料，而且有文獻表面4焊接式流量計殼體與孔板焊接的根部位置存在較大的應力，因此焊接式流量計此種結構存在一定的安全隱患。
2.2流量計焊材錯用
流量計的安裝一般在鍋爐沖管結束后進行，而鍋爐及四大管道的檢驗檢測都已在吹管前結束，因此對在用流量計的補充檢驗檢測應包含流量計與主蒸汽管道的安裝焊口。515號文要求對在用電站鍋爐流量計合金鋼材質對接接頭進行100%化學成分光譜分析和硬度檢測。在一次主蒸汽管道檢驗工作中，發現流量計與主蒸汽管道連接的兩個環焊縫現場光譜分析顯示含Cr約20%，含Ni約10%，屬于奧氏體焊材。管材和流量計材質均為12Cr1MoVG，管材規格為φ219x7mm;工作溫度450℃，工作壓力3.82MPa。
奧氏體不銹鋼的線膨脹系數比12Cr1MoVG高30%~50%，在高溫條件下存在顯著的熱應力;奧氏體鋼的彈性模量較12Cr1MoVG小5%左右、屈服應力低20%~30%，易于產生彈塑性變形，增加奧氏體區城的應變。采用數值模擬的方法模擬流量計與主蒸汽管道連接處焊接接頭的應力水平，如圖5顯示450C時焊接接頭的熱應力(MISES等效應力，單位Pa)。可見焊縫及其近鄰區域普遍存在較大的熱應力,且焊縫金屬的全部以及母材.上沿坡口寬約2mm的帶狀區城均產生了屈服。又考慮到焊縫金屬和母材的化學成分差異較大，在高溫條件下碳的遷移會形成擴散遷移層(脆化層和軟化層)I5],增加焊接接頭開裂的風險。基于此，對此流量計提出了更換或修理的建議。
2.3流量計材質與主蒸汽管道材質不同
在檢驗的過程中經常遇到流量計材質與主蒸汽管道材質不同的情況，主要分為以下三種:1)流量計為碳鋼(20G),主蒸汽管道為低合金鋼，如15CrMoG/12Cr1MoVG;2)流量計為低合金鋼，主蒸汽管道為碳鋼;3)流量計與主蒸汽管道均為低合金鋼，但材質不同，如流量計為15CrMoG，主蒸汽管道為12Cr1MoVG，或反之。
流量計殼體不允許存在異種鋼焊接環縫，但是對于流量計與主蒸汽管道連接焊縫未做具體要求。基于在檢驗中發現的問題，流量計與主蒸汽管道連接焊縫往往更容易出現問題，因此應該做同等要求。針對前面說的第一-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℃，流量計材質存在超溫運行的危險，因此這種情況，流量計應予以更換。針對第二種情況，主蒸汽管道為碳鋼，流量計為低合金鋼，流量計不存在超溫運行的風險，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，線膨脹系數基本相同，由此帶來的熱應力不大，建議加強監控。對于第三種情況，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流量計結構選擇
流量計在制造、選型和安裝過程沒有相應的監督和約束，因此導致出現了一系列問題。鍋爐范圍內管道，主給水和主蒸汽管道上一般都裝有流量計，對于母管制運行的鍋爐，鍋爐至母管、母管至汽機管道上分別裝有流量計。流量計安裝的位置不同，工作環境也有差別。對于主給水管道，雖工作壓力高，但是工作溫度低，一般的流量計均可滿足要求。而對于主蒸汽管道，由前文的討論可知，在結構上，一體式流量計和插人式流量計均滿足515號文流量計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。在檢驗的過程中應對存在結構不合理的流量計應當立即更換滿足通知規定的，但是對于不合理結構未給予明確說明。從安裝角度來說，插人式流量計不存在安裝環焊縫，更易于保證流量計的安全運行。
3.2流量計材質選擇與安裝
從前文所述的在檢驗中所遇到的問題可知,流量計在主蒸汽管道的安裝過程中，會出現焊接材料錯用和流量計與管道連接存在異種鋼焊接接頭情況。這都是由于流量計曾經疏于監管，使用單位或者安裝單位自行安裝或者更換所導致。因此在流量計的選擇方面，要選擇材質與主蒸汽管道材質相同的流量計，避免出現異種鋼焊接接頭。且在流量計安裝后，應對安裝焊口進行相應檢驗檢測，如射線檢測、光譜復檢等，以防止焊接接頭出現焊材錯用、未焊透.夾渣等質量問題。
3.3流量計的監管與檢驗
新發布的TSG07--2019《特種設備生產和充裝單位許可規則》將流量計(殼體)正式納人行政許可，明確了流量計(殼體)的行政許可歸類一壓力管道元件。但是流量計(殼體)的制造尚無相應的國家標準或者行業標準，在鍋爐范圍內使用的流量計應滿足鍋爐標準對材料、設計、制造和強度的要求。
在安裝環節,新裝的流量計除要經過制造監檢外，在安裝監檢的過程中，也應涵蓋對安裝焊口的抽查,以確保流量計的安裝質量。對于已經在用的流量計,除對流量計制造焊接接頭進行補充檢驗檢測外，對流量計與主蒸汽管道管道連接焊縫也應做同等要求。同時針對不同結構的流量計也應采取不同的檢測手段,如焊接式流量計中間焊縫的檢測，由于傳統超聲檢測的局限性”，可采用如TOFD.相控陣等多檢測手段相結合的方式。
4結束語
流量計是鍋爐上不可或缺的元件組合裝置，流量計形式多樣、結構各有不同，流量計從制造、安裝和使用環節尚未形成系統的監管。在以后的工作中，對流量計應給予足夠的重視，保證鍋爐的安全穩定運行。
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