海寧，苗豫生，蔡潔

(國(guó)家水大流量計(jì)量站，河南開(kāi)封475002)

1 實(shí)驗(yàn)背景

孔板以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(mén)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(guó)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(chǎng)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(zhǎng)，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(cè)量時(shí)，孔板的開(kāi)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(duì)流量進(jìn)行計(jì)算，勢(shì)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(guò)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(píng)估其對(duì)流量測(cè)量準(zhǔn)確度的影響，從而判斷其是否在使用過(guò)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(kāi)孔直角入口邊緣在受到不同程度磨損后對(duì)流量測(cè)量的影響，受某核電運(yùn)營(yíng)商委托，國(guó)家大流量計(jì)量站承接了孔板開(kāi)孔直角入口邊緣磨損實(shí)流實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)流測(cè)量在固定流量下孔板直角入口邊緣經(jīng)過(guò)不同程度人工磨損后的流量，得出孔板在老化過(guò)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(mǎn)足要求的孔板，用三坐標(biāo)機(jī)測(cè)量孔板的開(kāi)孔直徑和開(kāi)孔邊緣圓弧半徑r。測(cè)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(cè)量滿(mǎn)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(cè)量滿(mǎn)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(duì)孔板開(kāi)孔直角入口邊緣圓弧半徑r的要求:(G處)r＜10 μm。見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)孔板

圖2 徑距取壓孔板測(cè)量管

3.2 對(duì)孔板開(kāi)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(kāi)孔直角入口邊緣的磨蝕程度，確定了實(shí)驗(yàn)孔板開(kāi)孔直角入口邊緣的人工磨損要求如下:

新孔板開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(mǎn)足，后三條必需滿(mǎn)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(kāi)孔直角入口邊緣的測(cè)量

3.3.1 測(cè)量設(shè)備

測(cè)量設(shè)備采用?？怂箍礏rown＆Sharpe global status三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，對(duì)三塊孔板的開(kāi)孔直徑和開(kāi)孔邊緣圓弧半徑分別進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量設(shè)備準(zhǔn)確度2 μm。

3.3.2 測(cè)量點(diǎn)位置的選取

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

圖3 測(cè)量點(diǎn)位置

3.3.3 孔板開(kāi)孔直角入口邊緣圓弧半徑的具體測(cè)量方法

利用三坐標(biāo)機(jī)的機(jī)械掃描功能，即通過(guò)探針每隔2 μm取一點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)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(xiàn)，重合兩條曲線(xiàn)，由此形成孔板開(kāi)孔直角入口邊緣圖像，選取圖像中曲線(xiàn)變化的兩端端點(diǎn)，最后通過(guò)對(duì)端點(diǎn)坐標(biāo)值的計(jì)算，得出孔板開(kāi)孔直角入口邊緣的圓弧半徑值。圖4為三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)軟件所得到的孔板開(kāi)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(xiàn)，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(cè)量管、差壓計(jì))與DN400實(shí)驗(yàn)管線(xiàn)連接，啟動(dòng)設(shè)備將實(shí)驗(yàn)管線(xiàn)中充滿(mǎn)水，確保各連接處無(wú)泄漏，開(kāi)啟閥門(mén)，打開(kāi)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(kāi)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(cè)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(cè)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(cè)量10次，每次測(cè)量數(shù)據(jù)記錄不少于30個(gè)，取其平均值作為該次測(cè)量的流量計(jì)示值，實(shí)驗(yàn)完成后計(jì)算出孔板該次測(cè)量的流出系數(shù)及測(cè)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(cè)量符合直角入口邊緣銳利度要求的，依據(jù)上述要求對(duì)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(cè)量數(shù)據(jù)

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

表1 孔板首次測(cè)量數(shù)據(jù)mm

由測(cè)量數(shù)據(jù)可知，委托方選定的三塊孔板均滿(mǎn)足“新孔板開(kāi)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(kāi)孔直角入口邊緣不同程度磨損后流出系數(shù)變化曲線(xiàn)如圖6所示。

圖5 孔板流出系數(shù)曲線(xiàn)圖

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由表2可見(jiàn)，在相同流量下，孔板開(kāi)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(kāi)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(duì)于原流出系數(shù)的誤差如表2最后一列所示。由此可見(jiàn)，孔板開(kāi)孔邊緣圓弧半徑r磨損量在0.05 mm以?xún)?nèi)時(shí)，相對(duì)誤差約在0.15%以?xún)?nèi);磨損量在0.108 mm以?xún)?nèi)時(shí)，相對(duì)誤差約在0.3%以?xún)?nèi)，而當(dāng)孔板開(kāi)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(duì)誤差會(huì)超過(guò)0.5%。如果按實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)孔板流出系數(shù)行修正，則磨損量在0.05 mm以?xún)?nèi)時(shí)，修正系數(shù)約為1.0015;磨損量在0.11 mm以?xún)?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(kāi)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(guó)標(biāo)GB/T 2624.2-2006中規(guī)定，當(dāng)孔板開(kāi)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(duì)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(jiàn)表3。

表3 修正系數(shù)表

本次實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)孔板開(kāi)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(kāi)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(duì)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(kāi)孔邊緣銳利度的鈍化與流出系數(shù)的增大成正比。并通過(guò)計(jì)算孔板開(kāi)孔邊緣圓弧半徑r在磨損量不同時(shí)，流出系數(shù)的相對(duì)誤差，給不同年限孔板流量計(jì)根據(jù)磨損量對(duì)流出系數(shù)的偏差進(jìn)行修正，評(píng)估其對(duì)流量測(cè)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(guò)本次實(shí)驗(yàn)可以看出，即使磨損后孔板開(kāi)孔直角入口邊緣銳利度仍滿(mǎn)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(chǎng)工況條件和對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的要求而定。需要說(shuō)明的是，現(xiàn)場(chǎng)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_(kāi)孔邊緣圓弧半徑r進(jìn)行精確測(cè)量，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或文獻(xiàn)對(duì)流出系數(shù)進(jìn)行修正。

參考文獻(xiàn)

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

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