孔板開孔直角入口邊緣磨損實流實驗

海寧，苗豫生，蔡潔

(國家水大流量計量站，河南開封475002)

1 實驗背景

孔板以其結構簡單、性能可靠、價格低廉、易于安裝、維護方便等特點，成為各工業部門中使用量最大，應用面最廣的一種流量計量器具，在核電領域也得到了廣泛應用。目前，國內已商業運行的核電項目中，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的流量測量時，孔板的開孔直角入口邊緣磨損很快，磨損出現后若仍沿用原流出系數對流量進行計算，勢必會產生系統誤差。而要想明確知道此時的流出系數，最好的方法就是將孔板拆下送檢，通過實流標定得出實際流出系數，但這在核電項目中很難實現。如果能夠根據磨損量推斷流出系數的偏離方向和偏離量，評估其對流量測量準確度的影響，從而判斷其是否在使用過程中增加附加不確定度，這將是在非實流標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，受某核電運營商委托，國家大流量計量站承接了孔板開孔直角入口邊緣磨損實流實驗。通過實流測量在固定流量下孔板直角入口邊緣經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的偏差量。

2 實驗方案的確定

由委托方提供三塊直角入口邊緣銳利度滿足要求的孔板，用三坐標機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，在靜態容積法水流量標準裝置上選定一個流量點進行第一次實流實驗，實驗后按委托方要求將孔板的直角入口邊緣進行人工磨損。測量滿足要求后在相同流量點進行第二次實流實驗，第二次實驗后再次按委托方要求將孔板直角入口邊緣進行人工磨損，測量滿足要求后進行第三次實流實驗。根據每套孔板實驗數據，比較兩次人工磨損后孔板流出系數，分析流出系數的偏差方向和偏差量。

3 實驗

3.1 實驗孔板

委托方根據實際工況情況選定三塊實驗孔板，孔板設計尺寸: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 實驗孔板

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

委托方根據實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，確定了實驗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行第二次磨損。每塊孔板必須完成兩次人工磨損，進行三次實流實驗。

3.3 孔板開孔直角入口邊緣的測量

3.3.1 測量設備

測量設備采用海克斯康Brown＆Sharpe global status三坐標測量機，對三塊孔板的開孔直徑和開孔邊緣圓弧半徑分別進行測量，測量設備準確度2 μm。

3.3.2 測量點位置的選取

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

利用三坐標機的機械掃描功能，即通過探針每隔2 μm取一點數據，對形成直角的兩個平面分別進行兩個相反方向的掃描，根據取得的數據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，最后通過對端點坐標值的計算，得出孔板開孔直角入口邊緣的圓弧半徑值。圖4為三坐標測量機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 實流實驗

根據委托方要求，實驗管徑選定為DN400管線，實驗流量選定為1800 m3/h。

實驗人員負責將已安裝好的孔板裝置(包括孔板、測量管、差壓計)與DN400實驗管線連接，啟動設備將實驗管線中充滿水，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10 min，同時進行孔板引壓管的排氣，排氣后關閉平衡閥，開始實驗。

實驗人員分為a，b兩組，其中，a組人員負責裝置控制系統的操作，讀取標高，記錄測量時間，計算實際流量;b組人員負責在實際流量的測量時間段內，均勻采集孔板差壓值并記錄。此流量點測量10次，每次測量數據記錄不少于30個，取其平均值作為該次測量的流量計示值，實驗完成后計算出孔板該次測量的流出系數及測量不確定度。

三塊孔板依次完成實流實驗后，交于委托方進行人工磨損。人工磨損后經測量符合直角入口邊緣銳利度要求的，依據上述要求對孔板依次進行第二次和第三次實流實驗。

4 實驗數據及實驗結果分析

4.1 孔板的測量數據

實流實驗前，用三坐標測量機，對三塊孔板的開孔直徑和開孔邊緣圓弧半徑r分別進行測量，首次測量數據如表1所示。

表1 孔板首次測量數據mm

由測量數據可知，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”的技術要求，符合進行實流實驗的條件。

4.2 實流實驗數據

將三塊孔板三次實驗數據匯總如于表2，每塊孔板開孔直角入口邊緣不同程度磨損后流出系數變化曲線如圖6所示。

圖5 孔板流出系數曲線圖

4.3 實驗結果分析

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，孔板的流出系數明顯增大，這一點由圖6可以清楚地看到。從實驗結果可知，孔板開孔邊緣圓弧半徑r的磨損量與流出系數的增大成正比。

如果將孔板首次實驗(即人工磨損前)的流出系數作為孔板的原流出系數，三塊孔板人工磨損后實流標定的流出系數相對于原流出系數的誤差如表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以內時，相對誤差約在0.15%以內;磨損量在0.108 mm以內時，相對誤差約在0.3%以內，而當孔板開孔邊緣圓弧半徑r磨損量在0.18 mm左右時，流出系數的相對誤差會超過0.5%。如果按實驗結果對孔板流出系數行修正，則磨損量在0.05 mm以內時，修正系數約為1.0015;磨損量在0.11 mm以內時，修正系數約為1.003;當磨損量在0.18 mm左右時，修正系數約為1.005。

表2 孔板開孔直角入口邊緣磨損實驗數據匯總

4.4 與相關標準及文獻的比較

國標GB/T 2624.2-2006中規定，當孔板開孔邊緣圓弧半徑r≤0.0004d時，直角入口邊緣是銳利的，修正系數b=1。當b≠1時，應對流出系數不確定度幾何相加一個±0.5%附加不確定度。

2中給出流出系數的修正公式為

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

表3 修正系數表

本次實驗中，當孔板開孔邊緣圓弧半徑r≤0.108 mm時，入口邊緣銳利度r/d≤0.0004，修正系數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，此時孔板入口邊緣銳利度0.0004＜r/d＜0.001，修正系數b=1.005，需要對流出系數不確定度幾何相加一個±0.5%附加不確定度，這和實流實驗結論是基本一致的。

實驗證明了孔板開孔邊緣銳利度的鈍化與流出系數的增大成正比。并通過計算孔板開孔邊緣圓弧半徑r在磨損量不同時，流出系數的相對誤差，給不同年限孔板流量計根據磨損量對流出系數的偏差進行修正，評估其對流量測量不確定度的影響提供了參考，同時驗證了標準中流出系數修正系數的取值。通過本次實驗可以看出，即使磨損后孔板開孔直角入口邊緣銳利度仍滿足標準要求，但流出系數還是有不同程度的偏差，在這情況下要不要修正，如何修正，要根據現場工況條件和對測量準確度的要求而定。需要說明的是，現場工況條件復雜，孔板的使用狀態更是不盡相同，由于實驗的局限性，此次實驗的結果不能作為使用中孔板流出系數修正的普遍依據。如果條件許可，還是應及時將孔板送檢實流標定出流出系數，或對孔板開孔邊緣圓弧半徑r進行精確測量，參照相關標準或文獻對流出系數進行修正。

參考文獻

［1］GB/T2624.2-2006國家標準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.流量測量節流裝置設計手冊［M］.北京:化學工業出版社，2000.