引言

      國外船廠對船舶管路系統流量的合理分配有著長時間的研究應用歷程，我國在一些高新船舶的重要管路系統才進行流量的合理分配。以江南造船廠所建船舶來說，公務科考船建造要求高，它們的軸系滑油系統、軸系海水冷卻系統和輔機海水冷卻系統一直以來都需要使用超聲波流量計測量管路流量，并根據系泊試驗方法調節流量調節閥分配各用戶流量，調試報驗周期約20天。

 

      另外，某些高新產品海水冷卻系統管路腐蝕嚴重，經過研究分析，除了管路材質原因外，還可能與海水系統流量過大有關。管路流量過大造成管路內層沖刷，加快了腐蝕。目前，該高新產品軸舵系、空調和特裝設備等海水冷卻系統需要測量系統管路流量，合理分配到各用戶。

 

1超聲波流量計原理

      現船用超聲波流量計多為DTC1258超聲波流量計，它是采用低電壓寬脈沖發射技術設計的一種通用時差型超聲波液體流量計，適用于工業環境下連續測量不含高濃度懸浮粒子或氣體的均質液體的流量，包括污水、海水、酸堿液、柴油、滑油、原油、酒精等。流量計采用時差方式的測量原理，利用傳感器發出的超聲波在流動著的流體中傳播，順流方向聲音傳播速度會增大，逆流方向則減小，在同一傳播距離就有不同的傳播時間，根據傳輸時間之差與被測流體流速之間的關系測出流體流速。可進行非接觸式測量，但測量精度要求非常高。

 

      流體的流速在管內的不同位置不同，其管中央的流速要比靠近管壁的流速快。流體在管道中的流速分布可以用流速截面分布表示。通過對流量計的設置，考慮流速的截面分布影響，從而計算出平均流速，再根據管道的截面積得出流體的體積流量.

式中：V為流體速度，M為超聲波反射次數，D為管徑，θ為超聲波信號和流體之間的夾角，Tup為下游傳感器發射到上游的時間，Tdown為上游傳感器發射信號到下游的時間。

2流體流動形態對流量測量的影響分析

      船舶管路安裝布置錯綜復雜，管路存在彎頭、接頭和閥門等擾動源，泵附近管路流體流速波動較大，造成這些地方流體流動不穩定，存在層流形態，影響超聲波流量計對管路流量的測量。

 

      假設需要測出的管路截面積平均流速為v'，超聲波流量計實際測得的平均速度為v，v'和v的比值稱為速度修正系數，以K表示：K=v'/v，速度修正系數K是管道中流體雷諾系數ReD的函數。在ReD≤2300的層流條件下，K=4/3；在ReD≥5000的紊流條件下，K=(1.119±0.011)LogReD。

      圖2表明，流速修正系數K在層流過渡到紊流的過程中產生較大偏移。K值受到流速分布變化的影響，在船舶管路彎頭、接頭、泵和閥門等擾動源附件位置安裝傳感器時，流速分布會偏離或畸變，K值變化較大。因此，傳感器的安裝應遠離擾動源，且有足夠長的直管段。流速分布應是管道軸對稱的充分紊流條件。

 

      另外，如果傳感器發射和接收平面中心與管道中心軸偏離，也會使速度修正系數K降低。

 

3傳感器在船舶管路上的安裝

3.1安裝類型

      傳感器安裝方式共有4種，分別是V法、Z法、N法和W法，其中適合船舶管路的安裝方法主要是V法和Z法。V法適用于100~300mm小管徑；Z法適用于300mm以上管徑或鑄鐵管。如果V法測量不到信號或信號質量差也選用Z法。

1）V法

      一般情況下，V法是標準安裝方法，其具有使用方便、測量準確的特點。安裝傳感器時，2個傳感器水平對齊，與船舶管路軸線水平一致。

2）Z 法

      船舶管路類型較多，有些管路由于流體中含有懸浮物，管內壁容易結垢，有些管路內襯里太厚或者管徑較大，導致V 法安裝的流量計信號弱，儀表不能正常工作，此時需要選用 Z 法安裝。因為 Z 法安裝時，超聲波在管道中單射程傳輸，沒有折射，信號衰減小。

3.2 傳感器安裝固定

      超聲波流量計信號強時，傳感器可通過傳感器自帶磁鋼吸附在管道上；超聲波流量計信號弱時，可使用配套的扎鏈進行緊固，船上可直接使用扎帶緊固，拆卸方便。

 

4 流量測量準確性的影響因素及調試方法

4.1 管道參數是否正確設置

      管道材質、尺寸（外徑、壁厚和襯里厚度等）和被測流體（種類、溫度等）是決定超聲波流量計精度的主要參數。

4.2 接線是否接觸良好

      超聲波流量計變送器與傳感器之間采用 U 形槽通訊線連接，在連接線時注意 U 形槽位置，運行后檢查接收信號強度和信號質量。

4.3 耦合劑是否涂抹充分

      在傳感器的中心部分和管壁涂上足夠的耦合劑（船舶管路現用工業凡士林），將耦合劑進行擠壓，保證傳感器和管壁之間無氣泡存在，然后把傳感器緊貼在管壁上捆好。

4.4 傳感器方向是否錯誤

      2 個傳感器分別連接變送器上游 UP 端口和下游 DOWN端口，所以安裝傳感器前需要確認該管路流體流向，然后安裝上游傳感器和下游傳感器。

4.5 安裝方法是否正確

      在安裝傳感器之前，必須把管外預安裝區域清理干凈，除去銹跡、油漆，選擇出管材致密部分進行傳感器安裝。2個傳感器應安裝在管道管軸的水平方向上，并保證它們的安裝方向應為同向平行。

4.6 傳感器安裝距離是否符合

      傳感器安裝距離是在正確設置管道參數后，變送器根據傳感器安裝方式（V 型或 Z 型）給出的傳感器安裝距離，可以根據傳感器上刻度尺調節，也可以用卷尺測量后調節，注意 2 個傳感器的中心位置。

4.7 管道是否滿管

      在安裝過程中，避免在傳感器和管壁之間存在氣泡和砂礫。對于水平管，傳感器應安裝在管道界面的水平軸（3 點 或 9 點鐘位置），避免管內不能滿管和管內上部可能存在氣泡情況的發生。

5 流量分配合理化方案

      本文以某型船海水冷卻系統為研究對象，提出該船型海水冷卻系統流量調試的合理化方案。該船海水冷卻系統有100 m3/h 變頻海水泵 2 臺，18 m3/h 海水泵 1 臺，有淡水冷卻器、主推進電機空冷器、軸系滑油冷卻器、艉管密封和輔機集中冷卻系統 5 大用戶，每個用戶管路上均有流量調節閥（電動節流閥或手動節流閥）。如圖 5 所示。推進電機工況不同，每個用戶的冷卻海水流量和海水泵選擇不同。根據用戶管路流量需求值，調節流量調節閥的開度值和海水泵頻率。但是用戶較多，單一用戶管路上流量調節閥開度變化，會使其他用戶管路上流量均發生變化，而且變化關系不是純線性關系。其變化關系與用戶管路尺寸、流量調節閥的開度值和系統壓力等密切相關。

        船舶管路系統流量分配過程，主要是流量調節閥開度的調節過程。所以，流量分配合理的關鍵：一是使用超聲波流量計測量各用戶管路流量要準確。按照上述超聲波流量計原理和安裝調試方法，減小各影響因素的影響，提高流量測量的準確性；二是流量調節閥開度的調節要合理。采用“先大后小，先粗后細”的原則調節開度，“先大后小”：先調節大流量用戶管路流量調節閥開度以滿足其需求流量，再調節小流量用戶管路流量調節閥開度。“先粗后細”：先粗調流量調節閥開度，保證各用戶管路流量接近需求標準值 [2]。然后微調閥開度，多次調節，直至滿足所有管路需要流量。

6 結語

        在船舶建造中，利用超聲波流量計測量和調試船舶管路系統流量，可滿足不同設備用戶的流量需求，保證重要管路系統和末端設備安全、可靠地運行。本文以某型船為例，總結了超聲波流量計在船舶管路上的安裝調試方法，提出了系統流量分配的合理化方案。在后續建造的船舶調試過程中將進一步優化，提高船舶管路系統調試的效率。