专利名称：管道内固体粉尘采样装置的制作方法
技术领域：
本实用新型是气体管道内固体粉尘采样的装置。涉及管道系统和其它类不包括的测量领域。
背景技术：
由于天然气管道内的铁锈、石英砂等固体杂质会严重磨损管线上的阀门、仪表以及大型压缩机等，从而影响整个管线的安全可靠运行，同时仪表的磨损也会造成天然气较大的计量误差，因此输气管线上都装有除尘装置。目前输气管线一般用旋风分离器来除去直径较大的颗粒，而对气体净化要求高的场合则再加一级虑芯过滤器。由于分离器和过滤器在高压下工作，在用气量波动大的条件下，常规评价分离性能的等动采样方法不适用于高压条件，使得分离器和过滤器的设计部门和使用部门无法确定高压条件的分离效率和出口粒径分布情况，只能依据常压条件下的数据来选用分离设备。
目前使用的采样系统，主要分为两大类一是先测速后采样的普通采样系统；二是组合式采样系统。应用普通采样系统采样时，首先要用皮托管等测速装置测出管道中的速度，然后根据等动采样的原则，由管道流速和采样嘴的直径计算出相应抽气流量，这种采样方法操作过程繁琐，易造成天然气泄漏，不适用于高压管道内粉尘检测。而组合式采样系统则是将测速装置和采样嘴组合在一起放入管道中，首先根据测速装置所测的速度不断调整抽气流量，使采样气体流速和管道中流速相等，实现等动采样，达到测量粉尘浓度和粒度分布的目的。组合式采样系统虽采样过程相对简单，只需将探头放入管道，密封问题易解决，也适合于高压管道，但不足是结构相当复杂。它是在采样嘴后连真空泵，抽取管道内的气体，再连加热器对采样气体进行加热；同时由热电偶测量管道内的温度，压力传感器测量管道中的绝对压力，用皮托管测量动压和静压差。之后将温度、绝对压力和压差转换成数字信号传送给数字式微压计，数字式微压计将结果传递给计算机，由计算机产生控制信号发给流量调节器，使采样气流速度和管道内气流速度相等，进行等速采样。如此复杂的系统不但增加了投入的成本，也给设备的维修、保养带来很大的麻烦。
近年来，在水泥窖窖尾、烟道和大气环境的烟、灰尘测定中出现了变内径采样管的等速采样技术，使测量变得简单、方便、准确，在技术上提高了一步。如1991年10月23日授权的“静压平衡烟尘等速取样管”(专利号ZL91211428.2)公开了在采样嘴上设有内测压孔和外测压孔取内外压的结构。但该测压孔是由一孔直接取压，如有较大尘粒，易造成堵塞，无法继续进行测量，且采样偶然性大，致使测量精确度不高，一般只能达到5～7％；同时这些专利仅适用于低压环境，技术的应用有很大局限性。
实用新型内容本实用新型的目的是设计一种可对管道内固体粉尘进行等动条件采样的且对管道内流体扰动小、采样精确、安全可靠的采样装置。
要保证再管道内对固体粉尘采样的准确，首先就要保证采样在等动条件(即采样气流速度等于管道内气流速度)下进行。本实用新型所提出的技术方案也是在采样探头的气嘴进口段后接一个扩压段，使进入气嘴且在进口段增大流速的气流由扩压段将其速度降低到与管道内气流速度相等，适用于高压管道，并在测压孔的结构上作了重大改进。其构成如图1所示。采样探头14的结构如图2、图3和图4所示。前端成直钩状的管状采样探头14在嘴的小内径进口段后有大内径的扩压段，并在扩压段的管壁内有一个由多个内压孔与采样探头14内相通的内压环腔及一个由多个外压孔与采样探头14外相通的外压环腔，内、外压环腔各有一测压孔与取压管10、11相通，将采样探头14与两取压管10、11一并装入套筒22后两端盖封，使两取压管10、11前后两端伸出封盖外，前端的采样探头嘴也露在外。将装有套筒22的采样探头14前部插入被测管道1上的连有支管法兰17，闸阀3、4和密封装置的小直径支管2中，后部装有传动装置。本实用新型的关键是采样探头14的结构。它是在等内径的进口段后扩大内径到一定长度，即进口段后接一段扩压段。其扩压段的内径和长度与进口段的内径有一定关系，一般由实验来确定。根据流体力学的知识，当一个小口径管置入流体中时，进入小管的流体的流速要加快、压力减小；如果在小口径管后扩大内径，那么流体进入扩大的管段后其流速又要减小，压力则又增大(故称之为扩压段)。如果尺寸选择的好，完全可以作到扩压段的流体压力与管外的流体压力相近或相等，进而可以达到等动采样的目的。其不等动系数可达±1％。在采样探头14中的取压是由内、外压环腔和取压管10、11来实现的。如图3、图4所示，内压环腔是在采样探头14的扩压段管壁内有一个与管外隔绝而由2～6个均匀分布的内压孔与采样探头内扩压段相通的环形空腔。外压环腔是在采样探头14的扩压段管壁内有一个与扩压段隔绝而由2～6个均匀分布的外压孔与采样探头14外相通的环形空腔。内、外压环腔各有一个测压孔与取压管10、11相通。内、外压孔和测压孔的直径在0.5～1.5mm之间。内、外压孔均取2～6个孔一是为保证所测量的压力为圆周方向的压力平均值，又可起过滤作用避免造成粉尘堵塞的可能性。虽然内、外压孔越多压力平均值越准，过滤效果越好，但太多也没必要，一般取3即可，压力平均值已较准，过滤作用也够了。至于内、外压环腔的制造工艺也并不难，以三个内压孔和三个外压孔为例，将一厚壁管在嘴的磨角之后车细，再在相应位置车两道槽，在一个环腔的槽内周向每隔120°向内打一孔，尔后在两道槽外各紧配合套2个管段使该二槽密封成两个环腔，在套外压环腔的管段上也每隔120°打一孔，同时将之后车细的管段同样紧配合套上管段，使套上的三个管段外径相等，即三管段的壁厚与车去的厚度相等。当然三个管段之间也要吻合好，不能漏气。本装置的密封装置是在被测管道引出的小支管2上接支管法兰17及封闭闸阀3的常规装置外再由其法兰18接一保险闸阀4，并由其法兰19连一管段及密封法兰I 20连接密封装置，最后由密封法兰II 21连一封环片23，该密封装置为常规的机械密封，即在密封装置与套筒22之间的间隙内加有密封材料。为了使引出支管受力小，在保险闸阀4后的管段处有固连在支撑底座15上的支管支撑架7。位于采样探头14尾部的传动装置是在支撑底座15上安装一步进电机13和传动螺杆定位架16，与步进电机13轴固连的传动螺杆12穿过传动装置的移动架9下端的螺孔、套筒支撑架8和定位架16，移动架9上部有孔与套筒22紧配合。套筒支撑架8上部的孔与套筒22紧配合，下端有螺孔与传动螺杆12配合。这样当启动步进电机13，传动螺杆12转动，使移动架9左右移动，带着采样探头14就可伸进或退出。
具体实施方式
实施例总体结构如图1所示。采样探头14的内径为6mm，扩压段内径6.7mm，外径20mm；内、外压环腔为宽3mm、环高2mm，内、外压孔直径1mm，测压孔直径2mm，取压管直径8mm、壁厚4mm，套筒22直径30mm；引出支管外径70mm，内径50mm，封闭闸阀3和保险闸阀4选用DN65243WF-100，步进电机选用45BF008，传动螺杆12直径10mm。
如此设计的采样装置的技术参数为不等速系数＜2.5％，可测管道压力最大6Mpa，测量浓度范围2～500mg/m3，测量误差小于5％。
本采样装置的工作过程是采样前将封闭闸阀3关闭，并将连到该闸阀上的法兰18取下，然后将采样装置和支撑装置连接到保险闸阀4上，为避免高压气体对设备的冲击，将封闭闸阀4缓慢打开，待气流稳定后开动传动装置，由步进电机13带动传动螺杆12推动采样探头14推入管道口内，就可进行采样。
本实用新型由于在采样探头14的采样内管加置了扩压段和内、外压环腔、多个内、外压孔及内、外压取压管11、10，既可实现等动采样，又可避免测压孔堵塞无法工作，且提高了采样的准确性，而设备又非常简单。传导内、外静压的两取压管11、10结合到采样探头14上装入套筒，由二个闸阀及密封装置密封，然后引出管道，既密封好，又提高了安全性，完全适用于高压天然气管道。
图1管道内固体粉尘采样装置总体图图2采样探头结构图图3内压环腔剖视图图4外压环腔剖视图其中 1—管道 2—支管3—封闭闸阀 4—保险闸阀5—密封材料 6—密封装置7—支管支撑架8—探头支撑架9—移动架10—外压取压管11—内压取压管 12—传动螺杆13—步进电机 14—采样探头15—支撑底座 16—定位架17—支管法兰 18—密封闸阀法兰19—保险闸阀法兰 20—密封法兰I21—密封法兰II 22—探头套筒23—封环片
权利要求1.一种管道内固体粉尘采样装置，包括采样探头[14]和传动装置，前端成直钩状的采样探头[14]内在小内径的进口段后有大口径的扩压段，其特征是在扩压段的管壁内有一个由多个内压孔与采样探头[14]内相通的内压环腔及一个由多个外压孔与采样探头[14]外相通的外压环腔，内、外压环腔各有一个测压孔与取压管[10]、[11]相通，两取压管[10]、[11]与采样探头[14]并拢封装在套筒[22]中插入被测管道[1]上的连有法兰[17]、封闭闸阀[3]、保险闸阀[4]和密封装置的小直径支管[2]中，采样探头[14]后部连有传动装置。
2.根据权利要求1所述的管道内固体粉尘采样装置，其特征是所述内压环腔是在采样探头[14]内的扩压段管壁内有一个与管外隔绝而由2～6个均匀分布的内压孔与采样探头[14]内扩压段相通的环形空腔；所述外压环腔是在采样探头[14]内的扩压段管壁内有一个与扩压段内腔隔绝而由2～6个均匀分布的外压孔与采样探头[14]外相通的环形空腔；内、外压环腔各在2个内压孔和2个外压孔中间开一测压孔与取压管[10]、[11]固连相通。
3.根据权利要求2所述的管道内固体粉尘采样装置，其特征所述内压孔、外压孔和测压孔的直径在0.5～1.5mm之间。
4.根据权利要求1所述的管道内固体粉尘采样装置，其特征是所述密封装置为在支管[2]、法兰[17]、封闭闸阀[3]之后由该阀的法兰[18]接一保险闸阀[4]并由其法兰[19]连一管段及密封法兰I[20]连接密封装置，最后由密封法兰II[21]连一封环片[23]，在密封装置与套筒[22]之间装有密封材料[5]，而在保险闸阀[4]后的密封法兰I[20]下有固连在支撑底座[15]上的支管支撑架[7]支撑。
5.根据权利要求1所述的管道内固体粉尘采样装置，其特征是所述传动装置为在支撑底座[15]上安装一步进电机[13]和传动螺杆[12]的定位架[16]，与步进电机[13]轴固连的传动螺杆[12]穿过传动装置的移动架[9]下端的螺孔、套筒支撑架[8]和定位架[16]，移动架[9]上部有孔与套筒[22]紧配合，套筒支撑架[8]上部的孔与套筒[22]紧配合，下端有螺孔与传动螺杆[12]配合。
专利摘要本实用新型是一种管道内特别是天然气管道内固体粉尘采样装置。其特征是前端成直钩状的采样探头14在扩压段的管壁内有一个由多个内压孔与采样探头14内相通的内压环腔及一个由多个外压孔与采样探头14外相通的外压环腔，内、外压环腔各有一测压孔与取压管10、11相通，两取压管10、11与采样探头14并拢封装在套筒22中插入被测管道1上的连有法兰17、闸阀3、4和密封装置的小直径支管2中，采样探头14后部连有传动装置。本装置可实现等动采样，设备简单，可避免测压孔堵塞无法工作，采样准确性提高，操作简化、安全、可靠，适用于高压管道。
文档编号G01N1/14GK2656983SQ200320122090
公开日2004年11月17日 申请日期2003年11月21日 优先权日2003年11月21日
发明者姬忠礼, 付松广, 陈鸿海, 陈红生, 肖峰, 孙齐 申请人:中国石油天然气股份有限公司