新型硬質合金孔板流量計測量準確度對比分析

董靜雅 彭 陽 李家君 劉先序

1西南石油大學應用技術學院

2西南石油大學石油與天然氣工程學院

3中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田公司蜀南氣礦

4成都立創模具有限公司

新型硬質合金孔板流量計測量準確度對比分析

董靜雅1彭 陽2李家君3劉先序4

1西南石油大學應用技術學院

2西南石油大學石油與天然氣工程學院

3中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田公司蜀南氣礦

4成都立創模具有限公司

針對新型硬質合金、不銹鋼材質的孔板流量計，基于FLUENT仿真軟件，對影響測量準確度的三種主要因素——孔板上游端面粗糙度、上游直角入口邊緣尖銳度和出口端面傾斜角進行了對比分析。結果表明：硬質合金孔板流量計因具有更小的表面粗糙度及耐腐蝕、耐磨的特點，測量準確度更高，能夠適用于工程實際情況；隨著孔板直角入口邊緣尖銳度變小，流出系數值會增加，但硬質合金孔板流量計的流出系數值更加接近于ISO經驗公式的計算值。根據孔板出口端面傾斜角與流出系數之間的關系，得出采用硬質合金材質孔板流量計能夠實現傾斜角度大于45°，從而提高測量準確度。

硬質合金；不銹鋼；標準孔板流量計；測量準確度；FLUENT

引言

目前，傳統標準孔板流量計通常采用不銹鋼作為孔板材料，但硬度較低，加工精度不高，易腐蝕，耐磨性能差，抗沖擊性能弱，特別是對于高含酸性氣體成分（如H2S、CO2的腐蝕性流體）與含有雜質（如細砂等顆粒物）的未凈化流體，其測量準確度和使用壽命會大大降低。而將硬質合金（碳化鎢，WC）鑲嵌在不銹鋼標準孔板流量計上，就可以很好地解決上述問題，從而提高標準孔板流量計的使用壽命，節約資金投入。兩種材質的孔板流量計外觀對比如圖1所示。不難得出，因兩種材質的加工精度與耐磨損、耐腐蝕性差異，當用于不同類型流體介質時二者的流量測量準確度必然存在差異。

圖1 硬質合金與不銹鋼標準孔板流量計外觀對比

國外采用計算流體力學（CFD）軟件模擬研究管內孔板類節流元件的相關流場已有數十年的歷史[1]。近些年國內部分學者也逐漸使用CFD軟件對孔板流量計進行模擬分析，但是應用范圍不廣[2-5]。為了能夠定量確定出測量準確度差異，本文基于CFD仿真軟件FLUENT，針對影響孔板流量計測量準確度的三種主要因素——孔板上游端面粗糙度、直角入口邊緣尖銳度和出口端面傾斜角進行了對比研究，將計算所得流出系數C與規范推薦的ISO經驗公式計算所得的流出系數C′進行對比，分析了兩類孔板流量計測量準確度的差異。

1 仿真模型建立與驗證

采用FLUENT軟件分別對硬質合金與傳統不銹鋼標準孔板流量計進行數值模擬。

1.1 模型建立

利用FLUENT 6.3的前處理器GAMBIT 2.4.6軟件建立孔板流量計幾何模型，劃分網格，并指定邊界條件，然后輸出.msh文件，導入FLUENT中進行求解與流場模擬。為便于對比，實際測量了相同型號的兩種材質標準孔板流量計的設計、加工尺寸，見表1。

表1 兩種標準孔板流量計的設計尺寸

本次模擬采用三角形網格和Pave方式劃分面網格，并對孔板處網格進行了加密，如圖2所示。管道內流體介質為天然氣，在此設定為單一流體甲烷。邊界條件設置為入口流速（VELOCITY），出口流量（OUTFLOW），采用2 ddp求解器，選擇RNGκ-ε湍流模型。

圖2 孔板流量計的二維網格劃分模型

1.2 模型驗證

為了驗證所建模型的準確性，以常溫下的甲烷作為流體介質，密度、黏度按照軟件數據庫中對應的物性參數選取。通過讀取孔板前后D和D/2軸截面上平均壓力值，計算得出入口速度為5、10、15 m/s時流出系數C的值分別為0.620 5、0.611 5、0.610 5，相同條件下采用ISO經驗公式計算出的流出系數C′值為0.616 4、0.609 1、0.606 1，結果對比如圖3所示。兩者的相對誤差分別為0.67%、0.39%、0.73%。

圖3 數值模擬計算與ISO公式計算的流出系數值對比

2 仿真實例對比

2.1 孔板上游端面粗糙度變化對測量準確度的影響

根據國家標準《用標準孔板流量計測量天然氣流量（GB/T 21446—2008）》中的相關規定：粗糙度的算術平均偏差Ra≤1.27 μm。本例中不銹鋼標準孔板流量計的表面粗糙度為Ra=1.27 μm，剛好達到標準規定。而硬質合金孔板流量計的表面粗糙度Ra=0.8 μm，加工精度高于國家標準的規定。不難得出，不銹鋼材質的孔板流量計在使用一定時間后，受流體中酸性組分與顆粒雜質等的影響，孔板開孔處會逐漸腐蝕、磨損，從而超出標準中規定范圍導致測量準確度偏差逐漸增加。針對剛投入使用的兩類孔板流量計，假定其表面粗糙度分別為出廠時的精度，當介質的流速不相同時，則流出系數值會產生差異，模擬計算結果見表2。采用數值模擬計算所得不同材質孔板流量計的流出系數C值與ISO經驗公式計算C′的值相對誤差對比如圖4所示。

表2 不同流速下兩種材質孔板流量計流出系數值與ISO經驗公式計算值對比

圖4 兩種材質孔板流量計流出系數相對誤差對比

由表2計算結果及圖4可以得出：

（1）當流速為0.5～15 m/s時，兩種流量計均能進行準確測量，二者流出系數值均大于ISO經驗公式計算值，這會造成實際測量顯示結果偏小。但硬質合金孔板流量計的相對誤差小于不銹鋼孔板流量計，所以其具有更高的測量準確度。

（2）當天然氣流速小于3 m/s時，兩種流量計流出系數的相對誤差均隨流速增加而增加；而當流速為3～15 m/s時，兩種流量計流出系數的相對誤差又隨流速增加而降低。這是因為當介質流速超過3 m/s時，流態會從水力光滑區變為混合摩擦區。

通過上述理論計算，得出了不同流速下兩種材質的流量計在表面粗糙度不隨時間變化時的流出系數相對誤差，但是在實際情況下，流體中可能還含有酸性組分、固體顆粒雜質等，孔板的表面粗糙度在長時間、高流速的沖刷作用下會產生很大改變。因此，綜合考慮外界因素作用，具有良好耐蝕、耐磨性能的硬質合金標準孔板流量計具有更高的測量準確度和使用壽命。

2.2 孔板上游直角入口邊緣尖銳度變化的影響

在實際使用過程中，不可避免地會使流量計孔板直角入口邊緣變鈍，從而形成一個圓弧。符合國家標準GB/T 21446—2008規定的圓弧半徑為rk≤0.000 4d。本例中，當d=50 mm時，rk≤0.000 4× 50=0.02 mm，即20 μm時符合標準，而不銹鋼流量計出廠時rk=18 μm，硬質合金流量計出廠時rk=5 μm。由此可見，在尚未投入使用時，不銹鋼孔板rk已經非?？拷鼑覙藴室幎ǖ纳舷拗担操|合金孔板rk值遠小于該上限值。

然而，用計算機進行仿真時要做到如此高的精度，幾何模型的網格要畫得非常密集和精細，會導致運算時間增加，對計算機處理能力要求高，難度較大。將兩種材質孔板流量計送專業的檢測公司進行耐磨性測試，得出硬質合金孔板平均耐磨時間為傳統不銹鋼孔板的5.7倍。因此，為便于數值模擬，將取整后的比值（5∶1）應用到幾何尺寸上，即假定相同時間段內，硬質合金孔板流量計磨損1個單位，則不銹鋼孔板流量計磨損5個單位。由此，硬質合金流量計rk值可分別取0、0.1、0.2、0.3 mm，而不銹鋼流量計rk值分別取0、0.5、1.0、1.5 mm，介質流動速度取8 m/s，計算結果對比見表3。兩種材質孔板流量計流出系數值相對誤差對比如圖5所示。

表3 兩種孔板流量計在不同孔板入口邊緣尖銳度下的流出系數值對比

由表3與圖5可以得出：

（1）當rk=0時，即不受到磨損時，硬質合金孔板流量計流出系數值與ISO經驗公式計算值的相對誤差僅為0.78%，結果能夠很好吻合，而不銹鋼孔板流量計的相對誤差為1.32%，該差異說明前者具有更高測量準確度。

（2）當孔板流量計直角入口邊緣尖銳度降低后，C值隨之增大，流出系數值明顯偏離孔板的設計值，測量準確度隨之下降，但硬質合金孔板流量計的流出系數值更接近于ISO經驗公式計算值，其相對誤差均小于不銹鋼，這也說明了硬質合金流量計具有更好的使用穩定性與測量可靠性。

圖5 不同材質孔板流量計流出系數相對誤差對比

2.3 孔板出口端面傾斜角變化對測量準確度的影響

按照國家標準規定，標準孔板流量計出口端面傾角范圍應為45°±15°。因此，傳統不銹鋼孔板通常加工為45°傾斜角。為了研究傾斜角度對測量準確度的影響，針對硬質合金孔板流量計選取了3種設計尺寸：40°、45°和60°，分別進行數值模擬，流出系數計算值見表4。孔板流出系數值隨孔板出口端面傾斜角角度的變化情況如圖6所示。

表4 硬質合金孔板流量計在不同傾斜角角度下的流出系數值與相對誤差

圖6 硬質合金流量計不同傾斜角下流出系數值與ISO公式計算值對比

根據表4和圖6可以得出：

（1）當傾斜角度大于40°而小于45°時，流出系數呈現出先靠近，然后遠離ISO經驗公式計算值；而當傾斜角度大于45°而小于60°時，流出系數呈現出先靠近，然后遠離ISO經驗公式計算值。

（2）流出系數的相對誤差變化表明，隨著孔板出口端面傾斜角的增加（＞45°），流出系數誤差整體上呈現出減小的趨勢。從理論上講，具有良好加工性能的硬質合金孔板流量計能夠實現出口端面傾斜角大于45°，使得流出系數值更加接近于ISO經驗公式計算值，從而提高測量準確度。

3 結論

針對硬質合金、傳統不銹鋼孔板流量計，采用數值模擬，對影響測量準確度的三種因素——孔板上游端面粗糙度、直角入口邊緣尖銳度和出口端面傾斜角進行了對比分析，確定了二者測量準確度的差異，得出以下結論：

（1）由于硬質合金孔板流量計具有更小的表面粗糙度，所以流出系數值更接近于ISO經驗公式的計算值。在實際使用時，流體介質中可能還含有酸性組分、固體顆粒等雜質，孔板的表面粗糙度會隨時間發生變化，因此，綜合考慮外界因素，具有良好耐腐蝕、耐磨損性能的硬質合金孔板流量計具有更高測量準確度和使用壽命。

（2）隨著孔板直角入口邊緣尖銳度變小，流出系數相對誤差增加，但硬質合金孔板流量計的誤差值小于不銹鋼，因而前者具有更好的使用穩定性與測量可靠性。

（3）根據孔板出口端面傾斜角與流出系數之間的關系，可得知在標準規定的傾斜角范圍內，具有良好加工性能的硬質合金孔板流量計能夠實現出口端面傾斜角大于45°，從而提高其測量準確度。

[1]Reader-Harris M J，Keegans W．Comparison of computation and LDV measurement of flow through orifice and perforated plates，and computation of the effect of rough pipework on orifice plates[C]//Proc of the Int Symp on Fluid Flow Measurement．Washington D C USA，1986.

[2]程耕國，程平，李受人．節流管孔流動參數與雷諾數關系的數值研究[J]．計算機工程與設計，2005，26（3）：575-576.

[3]陳家慶，王波，吳波，等．標準孔板流量計內部流場的CFD值模擬[J]．實驗流體力學，2008，22（2）：51-55.

[4]李小亭，王小杰，方立德，等．新型內外管差壓流量計特性研究[J]．儀器儀表學報，2012，33（10）：2 371-2 379.

[5]魏士平．基于FLUENT的孔板流量計內部瓦斯流場的模擬研究[J]．煤，2013，22（6）：15-17.

（欄目主持 焦曉梅）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.10.033

董靜雅：2014年畢業于西南石油大學油氣儲運工程專業，獲碩士學位，現任西南石油大學城市燃氣專業助教，主要從事油氣儲運工程相關方面的理論與技術研究工作。

2015-05-27

基金論文：國家自然科學基金“天然氣管道跨越結構清管動力響應實驗及理論研究”資助項目（51174172）。

13880417106、1304270150@qq.com