[導讀] 通過對離子膜燒堿生產線工況條件分析，提出了在浮子流量計結構中增加阻尼裝置等措施。實踐表明，采用阻尼裝置的金屬管浮子流量計，完全能夠實現在氣液混合雙相介質工況條件下的離子膜燒堿生產線的流量測量。
1 問題的提出
近年來，我國化工行業中采用離子膜法制堿工藝發展很快，前幾年該裝置大多為全套進口，包括在線的各種儀表。現在從設備到儀表逐漸國產化，這樣既能保證質量，同時可以節約大量外匯。
西北某大型化工廠在建成試生產階段就發現安裝在陰、陽兩極管道上的兩臺浮子流量計工作不正常，指針總在擺動，無法讀數；輸出電流信號也不穩定，難以實現預期的工藝流程調節與控制目標等，以至影響了正常投產。
經現場觀察和分析認為：陰極、陽極兩條管道中被測量的介質均為既不均勻、比例又不固定的氣、液雙相介質；而流量計則是常規型浮子流量計。
浮子流量計的工作原理之一是浮力定律，也就是與被測介質的密度有關，密度不穩定時浮子就會跳動。由于本工況液體伴有不定氣體量的情況，產生脈動流，導致了流量計的上述現象。
目前各種常規流量計都不適用于氣、液雙相介質，而工藝過程的鹽液及堿液流量必須加以測量和控制，即必須安裝流量計。因此，選用一種可用的流量計或對現有的某種流量計進行改進設計以滿足此特定工況測量要求就成為下步工作。
2 確定方案
實施方案的選擇與確定至少要滿足以下3點：
（1）流量計的接液零部件必須能承受陰、陽兩極管道中含氯氣鹽液及堿液的強烈氧化和腐蝕；
（2）安裝連接尺寸盡量與原流量計相同，以減少工作量；
（3）流量計自身能有效地緩沖和減少由隨機產生氣體帶來的劇烈波動，達到可視為穩定值的讀數，并且輸出電流信號波動滿足調節系統的要求。
按上述要求對電磁流量計、渦輪流量計、渦街流量計、浮子流量計與差壓式流量計等進行分析、比較后認為只有對金屬管浮子流量計進行必要的改進才是可行的和最佳的方案。因此開封儀表廠在其原有產品基礎上特殊設計了一種金屬管浮子流量計。
3 特殊設計的實施
該浮子流量計應實施3項改進設計。
3.1 耐腐蝕材料選擇和防腐措施
查閱金屬材料手冊并結合現場其它設備材料的應用實際，陽極管道中的介質為含氯氣的鹽液，傳感器中所有與介質接觸的零件均采用鈦（Ti）材制造，兩法蘭密封面及殼體與導管組件密封面均進行涂鈀處理。
整個傳感器具有良好的抗氧化及耐腐蝕性能。而陰極管道中的介質為堿液和氫氣及氯氣等，傳感器中所有與介質接觸的零件均采用不銹鋼（SUS316L）材質制造，整個傳感器具有良好的耐腐蝕性能。經兩年多的使用證明是可行的。
3.2 連接尺寸與安裝方式
由于用戶的原有流量計為水平安裝，這與常規浮子流量計垂直安裝、流體自下而上的流向完全不同，因此必須將其設計成（水）平進（水）平出結構，由于已有管道的開檔尺寸足夠長，于是設計成如圖1所示的浮子流量計。
3.3 最大限度地保證工作條件下流量計的穩定
就流量計自身而言，克服波動（不論是外部還是內部原因所致）的常用而有效的措施是加裝阻尼器。阻尼器一般分為機械式和電（磁）式，顯然對浮子流量計應首先考慮選用前者。
3.4 阻尼器的選擇
按阻尼介質不同又分為液體阻尼器和氣體阻尼器。
圖1 特殊設計平進平出阻尼型金屬霄浮子流量計
由于本應用對象中已產生和存在著氣體且浮子波動幅度不十分劇烈，所以可采用活塞式氣體阻尼器。另外，就阻尼器的結構位置而言可置于傳感器上也可置于轉換器上，但由于后者須對轉換器內部結構做相當大的改動，工作量、試驗量都很大。因此，確定選用前者，參見圖1。應當說明，帶有液體阻尼器的浮子流量計已有過設計和應用的報道，但尚無采用氣體阻尼器的金屬管浮子流量計信息。
3.5 阻尼器的設計
設計阻尼器必須了解和確定下列數據：
波動幅度與頻率：經在現場幾小時觀測統計未裝阻尼器的流量計的波動幅度約為15%~25%，（±7.5%~±12%）；頻率約為180~350次/min。
（1）要求阻尼效果：波動幅度應不大于±2%；頻率約不大于50~90次/min。當然，由于沒有適當的儀器進行定量檢測，所以阻尼的最終效果是否達到預期目標，一定程度上還應通過實際應用由現場技術和操作人員判斷和認定。
（2）依照上述實際工況和阻尼目標，兼顧該浮子流量計結構尺寸、鈦材管料規格等，求出阻尼系數之后，初步確定阻尼器結構及尺寸如圖2所示。而決定阻尼效果的阻尼室與阻尼體之間間隙的最佳尺寸必須經現場試驗后才能確定。
圖2 阻尼器結構及尺寸
3.6 試驗室試驗驗證
為了初步驗證這一阻尼器的效果，以阻尼管內徑實測尺寸為準，精制了4組不同外徑尺寸的阻尼頭，使兩者的配合間隙分別為0.8mm、0.6mm、0.4mm和0.2mm，分次裝入特殊設計的浮子流量計進行試驗。為造成浮子跳動并盡量少對水流量裝置做較大變動，試驗系統如圖3所示。
圖3 浮子流量計波動試驗裝置系統不意圖
浮子的跳動由緊靠彎頭的球閥快開、快關與水流經彎頭的急劇流場變化造成，實際跳動情況借助于流量計的指針、度盤觀察，也可由轉換器的輸出電流信號借助指針式電流表觀測。
試驗時流量計上端自然存有空氣做為阻尼介質。試驗方法是：初始流量置于約50%最大流量處，這時指針仍略有擺動但有滿意讀數（系流場不穩所致，可視為穩定），然后迅速開啟（或關閉）球閥，使指針約達80%（或20%）最大流量處并記下時間，等待指針雖擺動仍有可滿意讀數為止，再記下時間，即可得知阻尼時間。經多次試驗統計結果大致如表1所示：
表1
間隙（mm）
0.8
0.6
0.4
0.2
阻尼時間（s）
5-6
4-5
2-4
3-5
從上述試驗結果可以看出后兩組間隙的阻尼器效果較好。但必竟現場實際工況與試驗室條件有較大差別，因此還必須進行現場試驗。
4 現場試驗與應用效果
2002年6月對特殊設計的浮子流量計及特制的間隙為0.3mm的阻尼體安裝于現場取代原流量計進行多次試驗，結果是間隙為0.3mm和0.4mm阻尼器效果最佳，原來流量計指針擺動幅度為10%~20%的同樣條件換裝特殊設計的流量計后，其指針擺動基本不超過6%（±3%），操作人員認為滿意，可以接受，這一設計達到了預期效果。經使用一直很穩定，這就初步解決了氣、液兩相流流量測量的難題。
因此可以認為：這種帶有阻尼器并由特種材質制造的浮子流量計是一種解決類似雙相流流量測量的可行方法之一，完全可以用于離子膜燒堿工藝過程中。