引言

      国外船厂对船舶管路系统流量的合理分配有着长时间的研究应用历程，我国在一些高新船舶的重要管路系统才进行流量的合理分配。以江南造船厂所建船舶来说，公务科考船建造要求高，它们的轴系滑油系统、轴系海水冷却系统和辅机海水冷却系统一直以来都需要使用超声波流量计测量管路流量，并根据系泊试验方法调节流量调节阀分配各用户流量，调试报验周期约20天。

 

      另外，某些高新产品海水冷却系统管路腐蚀严重，经过研究分析，除了管路材质原因外，还可能与海水系统流量过大有关。管路流量过大造成管路内层冲刷，加快了腐蚀。目前，该高新产品轴舵系、空调和特装设备等海水冷却系统需要测量系统管路流量，合理分配到各用户。

 

1超声波流量计原理

      现船用超声波流量计多为DTC1258超声波流量计，它是采用低电压宽脉冲发射技术设计的一种通用时差型超声波液体流量计，适用于工业环境下连续测量不含高浓度悬浮粒子或气体的均质液体的流量，包括污水、海水、酸碱液、柴油、滑油、原油、酒精等。流量计采用时差方式的测量原理，利用传感器发出的超声波在流动着的流体中传播，顺流方向声音传播速度会增大，逆流方向则减小，在同一传播距离就有不同的传播时间，根据传输时间之差与被测流体流速之间的关系测出流体流速。可进行非接触式测量，但测量精度要求非常高。

 

      流体的流速在管内的不同位置不同，其管中央的流速要比靠近管壁的流速快。流体在管道中的流速分布可以用流速截面分布表示。通过对流量计的设置，考虑流速的截面分布影响，从而计算出平均流速，再根据管道的截面积得出流体的体积流量.

式中：V为流体速度，M为超声波反射次数，D为管径，θ为超声波信号和流体之间的夹角，Tup为下游传感器发射到上游的时间，Tdown为上游传感器发射信号到下游的时间。

2流体流动形态对流量测量的影响分析

      船舶管路安装布置错综复杂，管路存在弯头、接头和阀门等扰动源，泵附近管路流体流速波动较大，造成这些地方流体流动不稳定，存在层流形态，影响超声波流量计对管路流量的测量。

 

      假设需要测出的管路截面积平均流速为v'，超声波流量计实际测得的平均速度为v，v'和v的比值称为速度修正系数，以K表示：K=v'/v，速度修正系数K是管道中流体雷诺系数ReD的函数。在ReD≤2300的层流条件下，K=4/3；在ReD≥5000的紊流条件下，K=(1.119±0.011)LogReD。

      图2表明，流速修正系数K在层流过渡到紊流的过程中产生较大偏移。K值受到流速分布变化的影响，在船舶管路弯头、接头、泵和阀门等扰动源附件位置安装传感器时，流速分布会偏离或畸变，K值变化较大。因此，传感器的安装应远离扰动源，且有足够长的直管段。流速分布应是管道轴对称的充分紊流条件。

 

      另外，如果传感器发射和接收平面中心与管道中心轴偏离，也会使速度修正系数K降低。

 

3传感器在船舶管路上的安装

3.1安装类型

      传感器安装方式共有4种，分别是V法、Z法、N法和W法，其中适合船舶管路的安装方法主要是V法和Z法。V法适用于100~300mm小管径；Z法适用于300mm以上管径或铸铁管。如果V法测量不到信号或信号质量差也选用Z法。

1）V法

      一般情况下，V法是标准安装方法，其具有使用方便、测量准确的特点。安装传感器时，2个传感器水平对齐，与船舶管路轴线水平一致。

2）Z 法

      船舶管路类型较多，有些管路由于流体中含有悬浮物，管内壁容易结垢，有些管路内衬里太厚或者管径较大，导致V 法安装的流量计信号弱，仪表不能正常工作，此时需要选用 Z 法安装。因为 Z 法安装时，超声波在管道中单射程传输，没有折射，信号衰减小。

3.2 传感器安装固定

      超声波流量计信号强时，传感器可通过传感器自带磁钢吸附在管道上；超声波流量计信号弱时，可使用配套的扎链进行紧固，船上可直接使用扎带紧固，拆卸方便。

 

4 流量测量准确性的影响因素及调试方法

4.1 管道参数是否正确设置

      管道材质、尺寸（外径、壁厚和衬里厚度等）和被测流体（种类、温度等）是决定超声波流量计精度的主要参数。

4.2 接线是否接触良好

      超声波流量计变送器与传感器之间采用 U 形槽通讯线连接，在连接线时注意 U 形槽位置，运行后检查接收信号强度和信号质量。

4.3 耦合剂是否涂抹充分

      在传感器的中心部分和管壁涂上足够的耦合剂（船舶管路现用工业凡士林），将耦合剂进行挤压，保证传感器和管壁之间无气泡存在，然后把传感器紧贴在管壁上捆好。

4.4 传感器方向是否错误

      2 个传感器分别连接变送器上游 UP 端口和下游 DOWN端口，所以安装传感器前需要确认该管路流体流向，然后安装上游传感器和下游传感器。

4.5 安装方法是否正确

      在安装传感器之前，必须把管外预安装区域清理干净，除去锈迹、油漆，选择出管材致密部分进行传感器安装。2个传感器应安装在管道管轴的水平方向上，并保证它们的安装方向应为同向平行。

4.6 传感器安装距离是否符合

      传感器安装距离是在正确设置管道参数后，变送器根据传感器安装方式（V 型或 Z 型）给出的传感器安装距离，可以根据传感器上刻度尺调节，也可以用卷尺测量后调节，注意 2 个传感器的中心位置。

4.7 管道是否满管

      在安装过程中，避免在传感器和管壁之间存在气泡和砂砾。对于水平管，传感器应安装在管道界面的水平轴（3 点 或 9 点钟位置），避免管内不能满管和管内上部可能存在气泡情况的发生。

5 流量分配合理化方案

      本文以某型船海水冷却系统为研究对象，提出该船型海水冷却系统流量调试的合理化方案。该船海水冷却系统有100 m3/h 变频海水泵 2 台，18 m3/h 海水泵 1 台，有淡水冷却器、主推进电机空冷器、轴系滑油冷却器、艉管密封和辅机集中冷却系统 5 大用户，每个用户管路上均有流量调节阀（电动节流阀或手动节流阀）。如图 5 所示。推进电机工况不同，每个用户的冷却海水流量和海水泵选择不同。根据用户管路流量需求值，调节流量调节阀的开度值和海水泵频率。但是用户较多，单一用户管路上流量调节阀开度变化，会使其他用户管路上流量均发生变化，而且变化关系不是纯线性关系。其变化关系与用户管路尺寸、流量调节阀的开度值和系统压力等密切相关。

        船舶管路系统流量分配过程，主要是流量调节阀开度的调节过程。所以，流量分配合理的关键：一是使用超声波流量计测量各用户管路流量要准确。按照上述超声波流量计原理和安装调试方法，减小各影响因素的影响，提高流量测量的准确性；二是流量调节阀开度的调节要合理。采用“先大后小，先粗后细”的原则调节开度，“先大后小”：先调节大流量用户管路流量调节阀开度以满足其需求流量，再调节小流量用户管路流量调节阀开度。“先粗后细”：先粗调流量调节阀开度，保证各用户管路流量接近需求标准值 [2]。然后微调阀开度，多次调节，直至满足所有管路需要流量。

6 结语

        在船舶建造中，利用超声波流量计测量和调试船舶管路系统流量，可满足不同设备用户的流量需求，保证重要管路系统和末端设备安全、可靠地运行。本文以某型船为例，总结了超声波流量计在船舶管路上的安装调试方法，提出了系统流量分配的合理化方案。在后续建造的船舶调试过程中将进一步优化，提高船舶管路系统调试的效率。