孔板開孔直角入口邊緣磨損實(shí)流實(shí)驗(yàn)

海寧，苗豫生，蔡潔

(國家水大流量計(jì)量站，河南開封475002)

1 實(shí)驗(yàn)背景

孔板以其結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、價(jià)格低廉、易于安裝、維護(hù)方便等特點(diǎn)，成為各工業(yè)部門中使用量最大，應(yīng)用面最廣的一種流量計(jì)量器具，在核電領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。目前，國內(nèi)已商業(yè)運(yùn)行的核電項(xiàng)目中，孔板的使用量平均在每座電站500～600塊左右，如某核電廠僅核島內(nèi)就采用了約500塊孔板。

雖然孔板的使用期限一般是十年或更長，但在實(shí)際使用中，由于流體的磨蝕作用，特別是用于高壓或高流速含顆粒的流體以及高溫蒸汽等介質(zhì)的流量測量時(shí)，孔板的開孔直角入口邊緣磨損很快，磨損出現(xiàn)后若仍沿用原流出系數(shù)對流量進(jìn)行計(jì)算，勢必會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。而要想明確知道此時(shí)的流出系數(shù)，最好的方法就是將孔板拆下送檢，通過實(shí)流標(biāo)定得出實(shí)際流出系數(shù)，但這在核電項(xiàng)目中很難實(shí)現(xiàn)。如果能夠根據(jù)磨損量推斷流出系數(shù)的偏離方向和偏離量，評估其對流量測量準(zhǔn)確度的影響，從而判斷其是否在使用過程中增加附加不確定度，這將是在非實(shí)流標(biāo)定的情況下解決這一難題的好方法。

為研究孔板開孔直角入口邊緣在受到不同程度磨損后對流量測量的影響，受某核電運(yùn)營商委托，國家大流量計(jì)量站承接了孔板開孔直角入口邊緣磨損實(shí)流實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)流測量在固定流量下孔板直角入口邊緣經(jīng)過不同程度人工磨損后的流量，得出孔板在老化過程中流出系數(shù)的偏差量。

2 實(shí)驗(yàn)方案的確定

由委托方提供三塊直角入口邊緣銳利度滿足要求的孔板，用三坐標(biāo)機(jī)測量孔板的開孔直徑和開孔邊緣圓弧半徑r。測量后將孔板依次精確安裝于安裝管內(nèi)，在靜態(tài)容積法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上選定一個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行第一次實(shí)流實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)后按委托方要求將孔板的直角入口邊緣進(jìn)行人工磨損。測量滿足要求后在相同流量點(diǎn)進(jìn)行第二次實(shí)流實(shí)驗(yàn)，第二次實(shí)驗(yàn)后再次按委托方要求將孔板直角入口邊緣進(jìn)行人工磨損，測量滿足要求后進(jìn)行第三次實(shí)流實(shí)驗(yàn)。根據(jù)每套孔板實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，比較兩次人工磨損后孔板流出系數(shù)，分析流出系數(shù)的偏差方向和偏差量。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)孔板

委托方根據(jù)實(shí)際工況情況選定三塊實(shí)驗(yàn)孔板，孔板設(shè)計(jì)尺寸:D=400 mm，d=270 mm，對孔板開孔直角入口邊緣圓弧半徑r的要求:(G處)r＜10 μm。見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)孔板

圖2 徑距取壓孔板測量管

3.2 對孔板開孔直角入口邊緣(G處)的人工磨損要求

委托方根據(jù)實(shí)際工況中不同使用年限的孔板，以及開孔直角入口邊緣的磨蝕程度，確定了實(shí)驗(yàn)孔板開孔直角入口邊緣的人工磨損要求如下:

新孔板開孔直角入口邊緣圓弧半徑(G處)r＜10μm。

第一次人工磨損后孔板開孔直角入口邊緣圓弧半徑(G處)30＜r＜50 μm。

第二次人工磨損后孔板開孔直角入口邊緣圓弧半徑(G處)50＜r＜100 μm。

第三次人工磨損后孔板開孔直角入口邊緣圓弧半徑(G處)108＜r＜120 μm。

以上要求中第一條必須滿足，后三條必需滿足兩條，如果第一次人工磨損后50 μm＜r＜100 μm，則直接按第三次磨損要求進(jìn)行第二次磨損。每塊孔板必須完成兩次人工磨損，進(jìn)行三次實(shí)流實(shí)驗(yàn)。

3.3 孔板開孔直角入口邊緣的測量

3.3.1 測量設(shè)備

測量設(shè)備采用海克斯康Brown＆Sharpe global status三坐標(biāo)測量機(jī)，對三塊孔板的開孔直徑和開孔邊緣圓弧半徑分別進(jìn)行測量，測量設(shè)備準(zhǔn)確度2 μm。

3.3.2 測量點(diǎn)位置的選取

按孔板入口圓圓心定位，每隔45度測量開孔直徑和兩端直角邊緣圓弧半徑，取8次測量的平均值作為本次孔板測量值。(見圖3)

圖3 測量點(diǎn)位置

3.3.3 孔板開孔直角入口邊緣圓弧半徑的具體測量方法

利用三坐標(biāo)機(jī)的機(jī)械掃描功能，即通過探針每隔2 μm取一點(diǎn)數(shù)據(jù)，對形成直角的兩個(gè)平面分別進(jìn)行兩個(gè)相反方向的掃描，根據(jù)取得的數(shù)據(jù)擬合形成兩條掃描曲線，重合兩條曲線，由此形成孔板開孔直角入口邊緣圖像，選取圖像中曲線變化的兩端端點(diǎn)，最后通過對端點(diǎn)坐標(biāo)值的計(jì)算，得出孔板開孔直角入口邊緣的圓弧半徑值。圖4為三坐標(biāo)測量機(jī)軟件所得到的孔板開孔直角入口邊緣的掃描圖像。

圖4 入口邊緣掃描圖像

3.4 實(shí)流實(shí)驗(yàn)

根據(jù)委托方要求，實(shí)驗(yàn)管徑選定為DN400管線，實(shí)驗(yàn)流量選定為1800 m3/h。

實(shí)驗(yàn)人員負(fù)責(zé)將已安裝好的孔板裝置(包括孔板、測量管、差壓計(jì))與DN400實(shí)驗(yàn)管線連接，啟動(dòng)設(shè)備將實(shí)驗(yàn)管線中充滿水，確保各連接處無泄漏，開啟閥門，打開平衡閥，讓水在管路中循環(huán)10 min，同時(shí)進(jìn)行孔板引壓管的排氣，排氣后關(guān)閉平衡閥，開始實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)人員分為a，b兩組，其中，a組人員負(fù)責(zé)裝置控制系統(tǒng)的操作，讀取標(biāo)高，記錄測量時(shí)間，計(jì)算實(shí)際流量;b組人員負(fù)責(zé)在實(shí)際流量的測量時(shí)間段內(nèi)，均勻采集孔板差壓值并記錄。此流量點(diǎn)測量10次，每次測量數(shù)據(jù)記錄不少于30個(gè)，取其平均值作為該次測量的流量計(jì)示值，實(shí)驗(yàn)完成后計(jì)算出孔板該次測量的流出系數(shù)及測量不確定度。

三塊孔板依次完成實(shí)流實(shí)驗(yàn)后，交于委托方進(jìn)行人工磨損。人工磨損后經(jīng)測量符合直角入口邊緣銳利度要求的，依據(jù)上述要求對孔板依次進(jìn)行第二次和第三次實(shí)流實(shí)驗(yàn)。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 孔板的測量數(shù)據(jù)

實(shí)流實(shí)驗(yàn)前，用三坐標(biāo)測量機(jī)，對三塊孔板的開孔直徑和開孔邊緣圓弧半徑r分別進(jìn)行測量，首次測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 孔板首次測量數(shù)據(jù)mm

由測量數(shù)據(jù)可知，委托方選定的三塊孔板均滿足“新孔板開孔直角入口邊緣圓弧半徑r(G處)＜10 μm”的技術(shù)要求，符合進(jìn)行實(shí)流實(shí)驗(yàn)的條件。

4.2 實(shí)流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

將三塊孔板三次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總?cè)缬诒?，每塊孔板開孔直角入口邊緣不同程度磨損后流出系數(shù)變化曲線如圖6所示。

圖5 孔板流出系數(shù)曲線圖

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由表2可見，在相同流量下，孔板開孔直角入口邊緣磨損后，由于孔板入口流體的收縮程度減弱造成差壓減小，與此同時(shí)，孔板的流出系數(shù)明顯增大，這一點(diǎn)由圖6可以清楚地看到。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，孔板開孔邊緣圓弧半徑r的磨損量與流出系數(shù)的增大成正比。

如果將孔板首次實(shí)驗(yàn)(即人工磨損前)的流出系數(shù)作為孔板的原流出系數(shù)，三塊孔板人工磨損后實(shí)流標(biāo)定的流出系數(shù)相對于原流出系數(shù)的誤差如表2最后一列所示。由此可見，孔板開孔邊緣圓弧半徑r磨損量在0.05 mm以內(nèi)時(shí)，相對誤差約在0.15%以內(nèi);磨損量在0.108 mm以內(nèi)時(shí)，相對誤差約在0.3%以內(nèi)，而當(dāng)孔板開孔邊緣圓弧半徑r磨損量在0.18 mm左右時(shí)，流出系數(shù)的相對誤差會(huì)超過0.5%。如果按實(shí)驗(yàn)結(jié)果對孔板流出系數(shù)行修正，則磨損量在0.05 mm以內(nèi)時(shí)，修正系數(shù)約為1.0015;磨損量在0.11 mm以內(nèi)時(shí)，修正系數(shù)約為1.003;當(dāng)磨損量在0.18 mm左右時(shí)，修正系數(shù)約為1.005。

表2 孔板開孔直角入口邊緣磨損實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總

4.4 與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)的比較

國標(biāo)GB/T 2624.2-2006中規(guī)定，當(dāng)孔板開孔邊緣圓弧半徑r≤0.0004d時(shí)，直角入口邊緣是銳利的，修正系數(shù)b=1。當(dāng)b≠1時(shí)，應(yīng)對流出系數(shù)不確定度幾何相加一個(gè)±0.5%附加不確定度。

2中給出流出系數(shù)的修正公式為

式中:Cb為修正后流出系數(shù);C為標(biāo)準(zhǔn)流出系數(shù);b為修正系數(shù)，b=f(r/d)，其值見表3。

表3 修正系數(shù)表

本次實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)孔板開孔邊緣圓弧半徑r≤0.108 mm時(shí)，入口邊緣銳利度r/d≤0.0004，修正系數(shù)b=1。而1#孔板第二次人工磨損后開孔邊緣圓弧半徑r=0.1761 mm，此時(shí)孔板入口邊緣銳利度0.0004＜r/d＜0.001，修正系數(shù)b=1.005，需要對流出系數(shù)不確定度幾何相加一個(gè)±0.5%附加不確定度，這和實(shí)流實(shí)驗(yàn)結(jié)論是基本一致的。

實(shí)驗(yàn)證明了孔板開孔邊緣銳利度的鈍化與流出系數(shù)的增大成正比。并通過計(jì)算孔板開孔邊緣圓弧半徑r在磨損量不同時(shí)，流出系數(shù)的相對誤差，給不同年限孔板流量計(jì)根據(jù)磨損量對流出系數(shù)的偏差進(jìn)行修正，評估其對流量測量不確定度的影響提供了參考，同時(shí)驗(yàn)證了標(biāo)準(zhǔn)中流出系數(shù)修正系數(shù)的取值。通過本次實(shí)驗(yàn)可以看出，即使磨損后孔板開孔直角入口邊緣銳利度仍滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但流出系數(shù)還是有不同程度的偏差，在這情況下要不要修正，如何修正，要根據(jù)現(xiàn)場工況條件和對測量準(zhǔn)確度的要求而定。需要說明的是，現(xiàn)場工況條件復(fù)雜，孔板的使用狀態(tài)更是不盡相同，由于實(shí)驗(yàn)的局限性，此次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果不能作為使用中孔板流出系數(shù)修正的普遍依據(jù)。如果條件許可，還是應(yīng)及時(shí)將孔板送檢實(shí)流標(biāo)定出流出系數(shù)，或?qū)装彘_孔邊緣圓弧半徑r進(jìn)行精確測量，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或文獻(xiàn)對流出系數(shù)進(jìn)行修正。

參考文獻(xiàn)

［1］GB/T2624.2-2006國家標(biāo)準(zhǔn)用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量第2部分:孔板［S］.

［2］孫淮清王建中.流量測量節(jié)流裝置設(shè)計(jì)手冊［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2000.