差壓式流量計（殼體）制造與監督檢驗要點

于 磊 江 峰 姜 璐

（安徽省特種設備檢測院 合肥 230051）

2016年湖北當陽“8.11”事故造成22人死亡、4人重傷,導致事故的直接原因是高壓蒸汽管道上“長徑噴嘴式差壓流量計”殼體的焊縫裂爆。為此,2018年國家市場監督管理總局公開發布了市監特函〔2018〕515號《市場監管總局辦公廳關于開展電站鍋爐范圍內管道隱患專項排查整治的通知》[1]（以下簡稱市監特函〔2018〕515號）,該文明確要求對用于電站鍋爐范圍內管道上的流量計（殼體）進行制造過程的監督檢驗,同時提出對流量計（殼體）制造監督檢驗原則性的技術要求；2019年6月1日實施的TSG 07—2019《特種設備生產和充裝單位許可規則》[2]將流量計（殼體）制造納入生產許可；2020年9月1日實施的TSG D7006—2020《壓力管道監督檢驗規則》[3]把用于壓力管道系統上的流量計（殼體）納入制造監督檢驗。至此,行業主管部門對用于特種設備系統（主要為鍋爐系統和壓力管道系統）的流量計（殼體）都納入了相應的監管范疇,可見力度之大。

GB/T 17611—1998《封閉管道中流體流量的測量術語和符號》[4]給出流量計的定義：顯示實測流量值的流量測量裝置,也可用于顯示在某選定時間間隔內流過的流體總量的裝置。流量計分類很多,差壓式流量計是其中的分類之一,包括噴嘴式（長徑噴嘴、標準噴嘴）流量計、孔板式流量計、文丘里流量計、彎管流量計等。差壓式流量計的測量原理是流體進入流量測量裝置,流速將在流量測量裝置的節流裝置處收縮,使流速改變,導致節流裝置前后產生差壓,差壓與流速正相關,因此可通過測量差壓確定流量。差壓式流量計用途廣泛,適用的壓力、溫度區間很寬,介質物態可為單相態、混合態,適用的場合包括石油化工、鍋爐、壓力管道、航空航天等系統。

差壓式流量計從構成上看包括計量裝置和節流裝置2部分,其中節流裝置包括流量計（殼體）及殼體內部節流件,可見流量計（殼體）僅是流量計的組成部分,因該部分涉及承壓安全被納入監管范圍,監管的舉措包括：流量計（殼體）生產單位需要取得行政許可并接受監督檢驗,使用在鍋爐系統的流量計（殼體）需按市監特函〔2018〕515號、TSG 11—2020《鍋爐安全技術規程》[5]等進行監檢,使用在管道系統的流量計（殼體）需按TSG D7006—2020等進行監檢。目前被納入壓力管道元件制造監檢范圍的埋弧焊鋼管、聚乙烯管材、燃氣調壓裝置等均有專門的制造及驗收規范,可以作為制造企業生產和監檢機構監檢人員制造監檢的主要技術性依據,而關于差壓式流量計的標準目前為GB/T 2624—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》[6],該標準規定了差壓式流量計的基本原理和基本要求、取壓口的形狀和加工要求等等,這些要求主要關注流量計的計量精度而不關乎其承壓安全,該標準不涉及流量計（殼體）的制造與驗收等,造成相關制造企業對涉及殼體本質安全的制造及驗收質量把控不一,同時給制造監檢工作帶來一定難度。本文以用于壓力管道系統上的差壓式流量計（殼體）為例,闡述并分析與差壓式流量計（殼體）產品制造質量息息相關的設計、材料、焊接、檢測、熱處理與耐壓試驗等環節,切實希望能夠給相關制造企業厘清制造與驗收關鍵節點,同時給從事流量計（殼體）制造監檢的人員帶來參考。

1 設計控制

對流量計產品的關注主要集中在2方面：計量的精度、承壓殼體的本質安全質量。GB/T 2624—2006偏重于計量要求,而制造企業的生產人員及監檢機構的監檢人員更關心殼體的強度與使用等本質安全。GB/T 2624—2006沒有關于焊接、無損檢測、熱處理、耐壓試驗等與殼體制造質量相關的生產及驗收等要求,顯然這些涉及殼體制造過程中的關鍵環節（也是主要監檢項目）在該標準中得不到體現,而這些關鍵環節又跟殼體的產品質量息息相關,因此對這些環節務必重視,那么這些關鍵環節在哪里得以體現呢？答案是設計文件,設計文件應成為制造企業和監檢人員按圖制造監檢的重要依據。

TSG D7006—2020規定,對用于壓力管道系統上的流量計（殼體）可以由制造企業自行設計,也可外委給有相應壓力管道設計許可資質的單位進行設計。因流量計（殼體）設計工作專業性強,比如設計過程需要進行相關核算和結構分析等,因此不建議企業在首次制造時就進行自行設計。當設計外委時對外委單位資質的選擇,應按照生產的流量計（殼體）用于的管道系統及管道級別而定。

流量計（殼體）設計文件一般應包括設計說明、設計計算書、殼體圖、總裝圖、焊縫結構圖。設計文件上必須明確設計參數（設計壓力、設計溫度、適用介質）、材料參數（牌號、規格、材料標準）、焊接要求、無損檢測要求、熱處理要求、耐壓試驗要求等,并提供強度計算書（含開孔補強）。另外采購技術協議有額外要求的,也應得到滿足。圖1為典型噴嘴式差壓流量計節流裝置示意圖,其中承壓測量管和取壓管構成流量計（殼體）。

圖1 典型噴嘴式差壓流量計節流裝置示意圖

關于設計文件上的材質復驗、焊接、無損檢測、熱處理、耐壓試驗等要求,可參照流量計（殼體）用于的壓力管道系統等級所依據相應標準的要求。工業管道系統的標準為GB/T 20801—2020《壓力管道規范 工業管道》[7],是一個集設計、預制、安裝、檢驗、試驗與安全防護等于一體的綜合性技術標準,因差壓式流量計產品多用于管道系統中的工業管道系統,因此設計文件經常會引用該標準。

2 材料控制

差壓式流量計（殼體）涉及的材料包括原材料和焊接材料等。其中原材料包括鋼板、鍛件、管子、法蘭等。該部分敘述的材料控制主要指的是原材料方面的質量控制。

原材料從材質上分為碳鋼、低合金結構鋼、不銹鋼等,從顯微組織上分為鐵素體鋼、珠光體鋼、奧氏體鋼、鐵素體-奧氏體鋼等,從成型狀態上涉及軋制件、正火件、固溶處理件、鍛造件、調質件等,從涉及標準上看涉及國標、美標、歐標等。制造企業從事材料檢查檢驗的人員和監檢人員需要具備一定的金屬材料專業知識和一定的專業英文知識。

對原材料的把控,首先需要做好驗收關卡。驗收包括質量證明書的形式和內容的驗收、實物驗收。質量證明書的形式要求為制造廠的質量證明書原件（紅章）或制造廠的質量證明書復印件（不經經銷商采購）或制造廠的質量證明書復印件（經經銷商供貨時,加蓋經銷商公章和經銷商經辦負責人簽章）；質量證明書的內容包括執行標準、牌號、爐號、批號、規格、數量、化學成分、力學性能、無損檢測、檢驗試驗、顯微組織、熱處理狀態等,具體內容應滿足執行標準的規定,對于設計文件有特殊性能要求時,如對于奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼的晶間腐蝕要求,珠光體耐熱鋼的高溫性能試驗要求、用于低溫工況下的沖擊韌性要求等也應得到體現并滿足；材料的實物標識應符合相應制造標準中對材料實物標識的要求,且具體標識應與質量證明書的內容一致,確保材料具有可追溯性。另外對重要材料因切割等需要進行移植時,務必要做好標識移植工作,確保材料不誤用。

原材料是構成差壓式流量計（殼體）的基礎,保證原材料的真實性是最基本的要求,其次才是鋼材的焊接性要求等。對于鉻鉬合金鋼、奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼、含鎳低溫鋼等材料,因這些材料一般用于高溫高壓、耐點腐蝕、耐應力腐蝕、防止低溫脆斷等場合,GB/T 20801.4—2020《壓力管道規范 工業管道 第4部分：制作與安裝》明確規定,對這些材料要予以光譜分析（PMI）,必要時通過化學等方法進行全定量復驗,甚至進行破壞性復驗。對于雙相不銹鋼的復驗,除進行成分復驗外,還建議進行組織含量測試及硬度測定。

3 主要制造及驗收工序控制

3.1 焊接

除差壓式流量計中的法蘭對夾式孔板流量計外,其他型式的差壓式流量計（殼體）基本都存在焊接結構。在確保差壓式流量計（殼體）用原材料質量關合格的基礎上,其焊接接頭則成為殼體關鍵承壓部位,焊接質量關乎殼體質量。差壓式流量計（殼體）目前基本均采用氬弧焊或氬弧焊打底焊條電弧焊填充蓋面的方式進行,采用氬弧焊打底的目的主要有2個：一是保證焊透及打底處焊縫成形,二是盡可能確保殼體內部潔凈度要求以保持計量精度。殼體多數情況下采用碳鋼、低合金鋼、奧氏體鋼,殼體內部節流件材料多采用不銹鋼盡量減少腐蝕帶來計量精度的改變,殼體與內部節流件通常采用氬弧焊方式焊接。

●3.1.1 焊接接頭形式

差壓式流量計（殼體）承壓焊接接頭形式主要為對接接頭和角接接頭,角接接頭主要為支管（主要指取壓管）連接接頭,主要存在于取壓管與殼體的連接處,分為安放式支管、插入式支管等形式,如圖2所示,安放式支管坡口開在支管上,插入式支管坡口開在主管上,圖2（c）中坡口開在局部壁厚主管上,注意與圖2（a)的區別。不同的支管連接形式,對應的焊接工藝、無損檢測策略要相應變化。

圖2 支管連接接頭形式

圖2 支管連接接頭形式（續）

以上3類支管（取壓管）連接接頭以及對接接頭均是殼體上直接承壓接頭,對于上述接頭應從焊接管理、焊材選用、焊接工藝等方面嚴格要求。比如對于珠光體耐熱鋼,多用于500～600 ℃的高溫場合,具有一定的延遲裂紋和再熱裂紋敏感性,要滿足焊接性能尤其是使用焊接性的接頭更要嚴格控制焊接工藝,要注意接頭熱影響區的脆化、軟化等行為,為此要進行預熱溫度控制、道間溫度控制、后熱等舉措；對于低溫鋼,應采取小熱輸入焊接以防材料變脆、延脆轉變溫度升高等。

此外在差壓式流量計上還存在一種不直接承壓的角接接頭,即流量計（殼體）內部節流件與內部殼體相焊的接頭,對于該類接頭可以歸結為承壓設備規范標準上提到的非受壓件（內部節流件）與受壓件（殼體）相焊的接頭,該類接頭間接影響承壓性能,因此對該類接頭同樣進行焊接管理和焊接工藝的管控。TSG Z6002—2010《特種設備焊接操作人員考核細則》[8]規定,焊接與受壓元件相焊的焊縫,其人員應持證,這體現對人員資格的要求；NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》[9]規定,非受壓元件與受壓元件的焊接,其焊接工藝應經過評定,這體現對工藝驗證的要求。從某些方面來看,非受壓接頭（焊縫）與受壓接頭（焊縫）的要求等同,對于差壓式流量計而言,該接頭（焊縫）可能會對承壓殼體的強度等造成實質影響。圖3為楔形差壓式流量計（殼體）內部楔塊與殼體內部焊接的焊縫示意圖,該殼體材質為A105鋼,楔形塊材質為304鋼,圖中紅色圈內因焊接熱影響發藍發黑區域處硬度明顯高于兩邊殼體處硬度（從外部測量）,后對整個殼體進行爐內焊后回火（退火）處理后再次對同樣部位進行硬度測定,發現硬度有所降低并趨同。

圖3 楔形差壓流量計（殼體）內部楔塊與殼體連接焊縫示意圖

●3.1.2 焊縫布置形式

上述提到的焊接接頭從焊縫形狀分布來講均為環形焊縫。除此之外,對于大口徑的文丘里差壓式流量計,還存在板卷管成型過程形成的縱縫以及由此產生的縱縫與環縫交叉部位處的十字焊縫。GB/T 20801.5—2020《壓力管道規范 工業管道 第5部分：檢驗與試驗》對縱、環縫的檢查、檢驗及驗收是不同的,在文丘里流量計（殼體）的制造和監檢過程中,相關的制造人員和監檢人員應予以注意,如對于板卷管的縱縫,其檢查方法、內部無損檢測比例與縱縫的系數相關,當縱縫系數為1時,應進行100%目視檢查和100%射線檢測或超聲檢測。當設計文件規定進行局部或抽樣無損檢測時,要選擇縱、環縫交叉部位或其附近焊縫進行優先檢測。

3.2 無損檢測

無損檢測在特種設備行業屬于便捷、高度有效的檢測焊接質量的方法之一,當前無損檢測方法以及無損檢測標準較多,用在工業管道系統里的差壓式流量計,其殼體焊縫的無損檢測標準基本引用NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》[10],該標準以及標準范圍內的部分檢測方法也被GB/T 20801—2020直接引用,引用的方法有射線檢測、超聲檢測、磁粉檢測、滲透檢測,其中射線檢測可以為膠片法照相檢測也可是X射線數字成像檢測,當100%射線檢測時Ⅱ級合格,當抽樣或局部射線檢測時Ⅲ級合格；當100%超聲檢測時I級合格,當抽樣或局部超聲檢測時Ⅱ級合格；磁粉檢測或滲透檢測,均為I級合格。關于具體的無損檢測方法、無損檢測采用標準、無損檢測的比例及合格級別等應由設計文件明確規定,不能含糊。

關于無損檢測具體方法的確定及檢測時機等,應由材質、缺陷檢出要求、接頭和焊縫形式、檢測對象所處空間等綜合確定,如對于奧氏體基焊縫表面需采用滲透檢測,為檢出延遲裂紋應于焊態24 h后進行檢測,對再熱裂紋傾向的鋼種在熱處理后應再增加1次無損檢測等。當按照GB/T 20801.5—2020要求“把流量計（殼體）焊接接頭檢查等級定為I、II級時,要注意對公稱直徑≥100 mm的支管連接接頭的射線或超聲檢測要求”,以防漏檢。對殼體內部節流件與殼體內部直接連接的焊縫,建議在條件許可的情況下,對該焊縫進行相關的表面無損檢測,必要時采用高靈敏度熒光法進行檢測以保證檢測效果。

3.3 熱處理

熱處理主要指焊接接頭焊后熱處理,包括對有延遲裂紋傾向的、壁厚和拘束度很大的材料等進行的熱處理。按方式分為整體熱處理、局部熱處理,對于小型的差壓式流量計（殼體）,為保證熱處理效果,建議進行整體熱處理,如整體爐內回火（退火）處理。

熱處理的工藝包括加熱、保溫、冷卻3個階段,熱處理的具體工藝與加工方式（如焊接、彎曲）、材料種類及厚度、材料自身強度等有關。關于熱處理加熱速率、保溫溫度及保溫時間、熱處理冷卻速率及冷卻條件等可以參照GB/T 20801.4—2020的有關規定進行,一般熱處理的溫度不超過材料本身的回火溫度以免造成材料性能的下降。熱處理后要測定硬度以衡量熱處理效果,承壓設備行業一般以布氏硬度作為評判標準。

3.4 耐壓試驗

差壓式流量計（殼體）主要通過對原材料機械加工、焊接、裝配等,并通過檢查和試驗等得到的,在加工和成型過程中,材料的應力狀態、焊接結構的焊接性等發生了一系列的變化,而耐壓試驗就是采用遠超設計壓力的方法進行強度的檢驗、應力的再分配、危險缺陷的暴露、小缺陷彌合等試驗,同時又檢驗了活動接頭和永久接頭的密封性,其作用不可小覷,關于耐壓試驗的具體要求如試驗介質、保壓時間等,務必在設計文件上明確規定。

此外,雖然GB/T 20801—2020對耐壓試驗有免除的相關規定,但一般不建議免除耐壓試驗,因為差壓式流量計（殼體）產品一般規格、規模較小,如在制造環節免除耐壓試驗,則在現場工業管道系統安裝時比較容易存在漏做耐壓試驗的可能和風險。

4 結論

1）目前沒有專門針對差壓式流量計（殼體）的制造與驗收規范,對涉及其本質安全質量的材料檢驗、焊接、無損檢測、熱處理、耐壓試驗等重點環節應在設計文件上予以明確規定；

2）對存在機械加工、焊接工藝成型的差壓式流量計（殼體）,應盡可能地進行耐壓試驗,一般不建議對耐壓試驗進行免除；

3）呼吁盡快制定專門針對差壓式流量計（殼體）的制造與驗收規范,多角度保障差壓式流量計（殼體）的制造和監檢質量。