内锥流量计在氟化氢流量测量中的改进及应用

在通常情况下，氟化氢是无色易流动的液体。其沸点为19.5℃，在常温下易挥发，它的化学性质很活泼，能与绝大多数金属、碱、氧化物以及硅酸盐反应，具有极强的腐蚀性。氟化氢广泛用于核工业、石油化工等行业，是制取氟气、无机氟化物、各种有机氟化物的主要原料。但在实际生产中，氟化氢的流量控制仍是一个难题，因为一般金属难以耐其腐蚀。在国内，氟化氢流量计的应用技术还不完善，测量精度低，寿命短。DYNZ系列内锥流量计具有压损小、精度高、重复性好等优点，对内锥流量计的进行技术改进，使其适合氟化氢的流量测量，对实际生产和完善氟化氢流量计制造技术意义重大。

1 锥流量计的原理及特点

内锥流量计与传统差压流量计的工作原理完全相同，当流体流进流量计时，被测流体经形锥体圆周表面逐渐平稳地向管道内壁均匀收缩，流通截面积逐渐变小，流速逐渐增大，压力同时降低，在V形锥体前后产生差压ΔP，如图1所示。

图1 内锥流量计工作原理图

在稳定的工况条件下，管道中的流量与差压的平方根成正比，用差压变送器测量V形锥体前后的差压并以模拟量输入流量积算显示仪，实现对流体流量的计量、调节和控制。其流量计算公式如下：

式中：
QV：流体工况体积流量（单位：m3/h）
Qm：二流体工况质量流量（单位：kg/h）
K：流量系数（单位：无量纲）
ε：流体的压缩系数（一般液体取1.0，气体、蒸汽＜1）
ρ1：流体工况下的密度（单位：kg/m3）
C：流出系数（C———实际流量／理论流量，需在流量检定装置上标定得出。单位：无量纲）
β：等效直径比。（单位：无量纲）
d：锥体最大外径（单位：m）

内锥流量计以其独特的V形锥体作为节流件，采用锥体圆周与管道内壁形成的环形流通截面逐渐收缩的特殊环形节流方式，使内锥流量计不需配制直管段，工作压损仅是孔板流量计的三分之一，无磨损；测量精度可达±0.5％，且具有量程宽、重复性好、耐脏物等优点。

2 内锥流量计的改进

由于氟化氢具有极强的腐蚀性，绝大多数金属都不耐其腐蚀，目前使用的各类流量计都不能适应其工况要求，内锥流量计也不例外，即使选用强酸强碱防腐型。基于此，实际生产中一般采用控制压力或温度的间接方法来控制氟化氢的流量，但误差较大。如果解决不了流量计的耐腐蚀问题，氟化氢流量测量就无法实现。

2.1 内锥流量计材质的改进

氟化氢虽然有极强的腐蚀性，但对干燥的气态氟化氢镍、蒙乃尔合金、因科镍合金、金、铂、铜等能耐其腐蚀，对潮湿的氟化氢这些金属的耐腐蚀能力显著降低。在这些金属中，以蒙乃尔合金的耐腐蚀能力最好，镍、因康合金和含镍30％的铜镍合金对氢氟酸（氟化氢溶水后的水溶液）的抗腐蚀性较蒙乃尔合金差。非金属中聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯等与氟化氢不反应。

蒙乃尔合金（Monel），是一种镍铜合金，耐碱，耐非氧化性酸，特别适用于氢氟酸。经过多年的反复试验发现，在温度不高时，蒙乃尔合金对浓度高于50％的氢氟酸有很好的耐腐蚀性，对无水氟化氢有优异的耐腐蚀性能，在温度达到80℃以上时都会出现一定程度的腐蚀。同时，蒙乃尔合金还具有良好的加工和焊接性能，一般不产生应力腐蚀裂纹。因此，对内锥流量计的关键部件测量管和Ｖ形锥体节流件的材质改为蒙乃尔合金。

2.2 附属装置的改进

为了防止氟化氢的腐蚀，对附属装置也作相应的改进：差压变送器选用膜片材质为蒙乃尔合金的压差变送器；有压力补偿时，选用膜片材质为蒙乃尔合金的压力变送器，有温度补偿时，温度变送器测量端可加蒙乃尔合金套管保护；由于铜对于浓度高于60％～90％的氢氟酸（尤其是无水氟化氢）也有较好的耐腐蚀能力，引压阀和引压管可采用铜制阀门和铜管；法兰密封件采用与氟化氢不发生反应的聚四氟乙烯密封垫。

3 氟化氢流量的测量

经改进后的内锥流量计主要适用于温度低于80℃的无水氟化氢和高浓度氢氟酸的流量测量。

无水氟化氢温度控制在40±5℃，被测流体为气体状态，具体测量系统配置如图2所示，内锥流量计产生的差压信号，由差压变送器检测、变送后，与压力变送器、温度变送器输出的补偿信号一并输入已预设设计工况条件、量程和氟化氢气体特性等参数的DY2000补偿式流量积算仪，经积算仪计算后，显示瞬时流量并进行累积计量，同时可将瞬时流量信号输出，控制流量调节执行元件，实现无水氟化氢瞬态流量的精确调节、控制。实际应用中，流量计宜垂直安装，变送器安装位置要高于取压点，避免冷凝积液，引压管不宜太长。

图2 无水氟化氢流量测量系统配置和安装示意图高浓度氢氟酸的流量测量装置配置