新型硬質(zhì)合金孔板流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度對(duì)比分析

董靜雅 彭 陽(yáng) 李家君 劉先序

1西南石油大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院

2西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院

3中國(guó)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(chuàng)模具有限公司

新型硬質(zhì)合金孔板流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度對(duì)比分析

董靜雅1彭 陽(yáng)2李家君3劉先序4

1西南石油大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院

2西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院

3中國(guó)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(chuàng)模具有限公司

針對(duì)新型硬質(zhì)合金、不銹鋼材質(zhì)的孔板流量計(jì)，基于FLUENT仿真軟件，對(duì)影響測(cè)量準(zhǔn)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(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：硬質(zhì)合金孔板流量計(jì)因具有更小的表面粗糙度及耐腐蝕、耐磨的特點(diǎn)，測(cè)量準(zhǔn)確度更高，能夠適用于工程實(shí)際情況；隨著孔板直角入口邊緣尖銳度變小，流出系數(shù)值會(huì)增加，但硬質(zhì)合金孔板流量計(jì)的流出系數(shù)值更加接近于ISO經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算值。根據(jù)孔板出口端面傾斜角與流出系數(shù)之間的關(guān)系，得出采用硬質(zhì)合金材質(zhì)孔板流量計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)傾斜角度大于45°，從而提高測(cè)量準(zhǔn)確度。

硬質(zhì)合金；不銹鋼；標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)；測(cè)量準(zhǔn)確度；FLUENT

引言

目前，傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)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(duì)于高含酸性氣體成分（如H2S、CO2的腐蝕性流體）與含有雜質(zhì)（如細(xì)砂等顆粒物）的未凈化流體，其測(cè)量準(zhǔn)確度和使用壽命會(huì)大大降低。而將硬質(zhì)合金（碳化鎢，WC）鑲嵌在不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)上，就可以很好地解決上述問(wèn)題，從而提高標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的使用壽命，節(jié)約資金投入。兩種材質(zhì)的孔板流量計(jì)外觀對(duì)比如圖1所示。不難得出，因兩種材質(zhì)的加工精度與耐磨損、耐腐蝕性差異，當(dāng)用于不同類(lèi)型流體介質(zhì)時(shí)二者的流量測(cè)量準(zhǔn)確度必然存在差異。

圖1 硬質(zhì)合金與不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)外觀對(duì)比

國(guó)外采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件模擬研究管內(nèi)孔板類(lèi)節(jié)流元件的相關(guān)流場(chǎng)已有數(shù)十年的歷史[1]。近些年國(guó)內(nèi)部分學(xué)者也逐漸使用CFD軟件對(duì)孔板流量計(jì)進(jìn)行模擬分析，但是應(yīng)用范圍不廣[2-5]。為了能夠定量確定出測(cè)量準(zhǔn)確度差異，本文基于CFD仿真軟件FLUENT，針對(duì)影響孔板流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)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(jìn)行了對(duì)比研究，將計(jì)算所得流出系數(shù)C與規(guī)范推薦的ISO經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得的流出系數(shù)C′進(jìn)行對(duì)比，分析了兩類(lèi)孔板流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度的差異。

1 仿真模型建立與驗(yàn)證

采用FLUENT軟件分別對(duì)硬質(zhì)合金與傳統(tǒng)不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)進(jìn)行數(shù)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(jì)幾何模型，劃分網(wǎng)格，并指定邊界條件，然后輸出.msh文件，導(dǎo)入FLUENT中進(jìn)行求解與流場(chǎng)模擬。為便于對(duì)比，實(shí)際測(cè)量了相同型號(hào)的兩種材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的設(shè)計(jì)、加工尺寸，見(jiàn)表1。

表1 兩種標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的設(shè)計(jì)尺寸

本次模擬采用三角形網(wǎng)格和Pave方式劃分面網(wǎng)格，并對(duì)孔板處網(wǎng)格進(jìn)行了加密，如圖2所示。管道內(nèi)流體介質(zhì)為天然氣，在此設(shè)定為單一流體甲烷。邊界條件設(shè)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(jì)的二維網(wǎng)格劃分模型

1.2 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所建模型的準(zhǔn)確性，以常溫下的甲烷作為流體介質(zhì)，密度、黏度按照軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的物性參數(shù)選取。通過(guò)讀取孔板前后D和D/2軸截面上平均壓力值，計(jì)算得出入口速度為5、10、15 m/s時(shí)流出系數(shù)C的值分別為0.620 5、0.611 5、0.610 5，相同條件下采用ISO經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的流出系數(shù)C′值為0.616 4、0.609 1、0.606 1，結(jié)果對(duì)比如圖3所示。兩者的相對(duì)誤差分別為0.67%、0.39%、0.73%。

圖3 數(shù)值模擬計(jì)算與ISO公式計(jì)算的流出系數(shù)值對(duì)比

2 仿真實(shí)例對(duì)比

2.1 孔板上游端面粗糙度變化對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量天然氣流量（GB/T 21446—2008）》中的相關(guān)規(guī)定：粗糙度的算術(shù)平均偏差Ra≤1.27 μm。本例中不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的表面粗糙度為Ra=1.27 μm，剛好達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。而硬質(zhì)合金孔板流量計(jì)的表面粗糙度Ra=0.8 μm，加工精度高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。不難得出，不銹鋼材質(zhì)的孔板流量計(jì)在使用一定時(shí)間后，受流體中酸性組分與顆粒雜質(zhì)等的影響，孔板開(kāi)孔處會(huì)逐漸腐蝕、磨損，從而超出標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定范圍導(dǎo)致測(cè)量準(zhǔn)確度偏差逐漸增加。針對(duì)剛投入使用的兩類(lèi)孔板流量計(jì)，假定其表面粗糙度分別為出廠時(shí)的精度，當(dāng)介質(zhì)的流速不相同時(shí)，則流出系數(shù)值會(huì)產(chǎn)生差異，模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。采用數(shù)值模擬計(jì)算所得不同材質(zhì)孔板流量計(jì)的流出系數(shù)C值與ISO經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算C′的值相對(duì)誤差對(duì)比如圖4所示。

表2 不同流速下兩種材質(zhì)孔板流量計(jì)流出系數(shù)值與ISO經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值對(duì)比

圖4 兩種材質(zhì)孔板流量計(jì)流出系數(shù)相對(duì)誤差對(duì)比

由表2計(jì)算結(jié)果及圖4可以得出：

（1）當(dāng)流速為0.5～15 m/s時(shí)，兩種流量計(jì)均能進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，二者流出系數(shù)值均大于ISO經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值，這會(huì)造成實(shí)際測(cè)量顯示結(jié)果偏小。但硬質(zhì)合金孔板流量計(jì)的相對(duì)誤差小于不銹鋼孔板流量計(jì)，所以其具有更高的測(cè)量準(zhǔn)確度。

（2）當(dāng)天然氣流速小于3 m/s時(shí)，兩種流量計(jì)流出系數(shù)的相對(duì)誤差均隨流速增加而增加；而當(dāng)流速為3～15 m/s時(shí)，兩種流量計(jì)流出系數(shù)的相對(duì)誤差又隨流速增加而降低。這是因?yàn)楫?dāng)介質(zhì)流速超過(guò)3 m/s時(shí)，流態(tài)會(huì)從水力光滑區(qū)變?yōu)榛旌夏Σ羺^(qū)。

通過(guò)上述理論計(jì)算，得出了不同流速下兩種材質(zhì)的流量計(jì)在表面粗糙度不隨時(shí)間變化時(shí)的流出系數(shù)相對(duì)誤差，但是在實(shí)際情況下，流體中可能還含有酸性組分、固體顆粒雜質(zhì)等，孔板的表面粗糙度在長(zhǎng)時(shí)間、高流速的沖刷作用下會(huì)產(chǎn)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(zhì)合金標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)具有更高的測(cè)量準(zhǔn)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(shí)際使用過(guò)程中，不可避免地會(huì)使流量計(jì)孔板直角入口邊緣變鈍，從而形成一個(gè)圓弧。符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21446—2008規(guī)定的圓弧半徑為rk≤0.000 4d。本例中，當(dāng)d=50 mm時(shí)，rk≤0.000 4× 50=0.02 mm，即20 μm時(shí)符合標(biāo)準(zhǔn)，而不銹鋼流量計(jì)出廠時(shí)rk=18 μm，硬質(zhì)合金流量計(jì)出廠時(shí)rk=5 μm。由此可見(jiàn)，在尚未投入使用時(shí)，不銹鋼孔板rk已經(jīng)非常靠近國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值，而硬質(zhì)合金孔板rk值遠(yuǎn)小于該上限值。

然而，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真時(shí)要做到如此高的精度，幾何模型的網(wǎng)格要畫(huà)得非常密集和精細(xì)，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算時(shí)間增加，對(duì)計(jì)算機(jī)處理能力要求高，難度較大。將兩種材質(zhì)孔板流量計(jì)送專(zhuān)業(yè)的檢測(cè)公司進(jìn)行耐磨性測(cè)試，得出硬質(zhì)合金孔板平均耐磨時(shí)間為傳統(tǒng)不銹鋼孔板的5.7倍。因此，為便于數(shù)值模擬，將取整后的比值（5∶1）應(yīng)用到幾何尺寸上，即假定相同時(shí)間段內(nèi)，硬質(zhì)合金孔板流量計(jì)磨損1個(gè)單位，則不銹鋼孔板流量計(jì)磨損5個(gè)單位。由此，硬質(zhì)合金流量計(jì)rk值可分別取0、0.1、0.2、0.3 mm，而不銹鋼流量計(jì)rk值分別取0、0.5、1.0、1.5 mm，介質(zhì)流動(dòng)速度取8 m/s，計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。兩種材質(zhì)孔板流量計(jì)流出系數(shù)值相對(duì)誤差對(duì)比如圖5所示。

表3 兩種孔板流量計(jì)在不同孔板入口邊緣尖銳度下的流出系數(shù)值對(duì)比

由表3與圖5可以得出：

（1）當(dāng)rk=0時(shí)，即不受到磨損時(shí)，硬質(zhì)合金孔板流量計(jì)流出系數(shù)值與ISO經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值的相對(duì)誤差僅為0.78%，結(jié)果能夠很好吻合，而不銹鋼孔板流量計(jì)的相對(duì)誤差為1.32%，該差異說(shuō)明前者具有更高測(cè)量準(zhǔn)確度。

（2）當(dāng)孔板流量計(jì)直角入口邊緣尖銳度降低后，C值隨之增大，流出系數(shù)值明顯偏離孔板的設(shè)計(jì)值，測(cè)量準(zhǔn)確度隨之下降，但硬質(zhì)合金孔板流量計(jì)的流出系數(shù)值更接近于ISO經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值，其相對(duì)誤差均小于不銹鋼，這也說(shuō)明了硬質(zhì)合金流量計(jì)具有更好的使用穩(wěn)定性與測(cè)量可靠性。

圖5 不同材質(zhì)孔板流量計(jì)流出系數(shù)相對(duì)誤差對(duì)比

2.3 孔板出口端面傾斜角變化對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)出口端面傾角范圍應(yīng)為45°±15°。因此，傳統(tǒng)不銹鋼孔板通常加工為45°傾斜角。為了研究?jī)A斜角度對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響，針對(duì)硬質(zhì)合金孔板流量計(jì)選取了3種設(shè)計(jì)尺寸：40°、45°和60°，分別進(jìn)行數(shù)值模擬，流出系數(shù)計(jì)算值見(jiàn)表4。孔板流出系數(shù)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(zhì)合金孔板流量計(jì)在不同傾斜角角度下的流出系數(shù)值與相對(duì)誤差

圖6 硬質(zhì)合金流量計(jì)不同傾斜角下流出系數(shù)值與ISO公式計(jì)算值對(duì)比

根據(jù)表4和圖6可以得出：

（1）當(dāng)傾斜角度大于40°而小于45°時(shí)，流出系數(shù)呈現(xiàn)出先靠近，然后遠(yuǎn)離ISO經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值；而當(dāng)傾斜角度大于45°而小于60°時(shí)，流出系數(shù)呈現(xiàn)出先靠近，然后遠(yuǎn)離ISO經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值。

（2）流出系數(shù)的相對(duì)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(shù)誤差整體上呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。從理論上講，具有良好加工性能的硬質(zhì)合金孔板流量計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)出口端面傾斜角大于45°，使得流出系數(shù)值更加接近于ISO經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值，從而提高測(cè)量準(zhǔn)確度。

3 結(jié)論

針對(duì)硬質(zhì)合金、傳統(tǒng)不銹鋼孔板流量計(jì)，采用數(shù)值模擬，對(duì)影響測(cè)量準(zhǔn)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(jìn)行了對(duì)比分析，確定了二者測(cè)量準(zhǔn)確度的差異，得出以下結(jié)論：

（1）由于硬質(zhì)合金孔板流量計(jì)具有更小的表面粗糙度，所以流出系數(shù)值更接近于ISO經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算值。在實(shí)際使用時(shí)，流體介質(zhì)中可能還含有酸性組分、固體顆粒等雜質(zhì)，孔板的表面粗糙度會(huì)隨時(shí)間發(fā)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(zhì)合金孔板流量計(jì)具有更高測(cè)量準(zhǔn)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(shù)相對(duì)誤差增加，但硬質(zhì)合金孔板流量計(jì)的誤差值小于不銹鋼，因而前者具有更好的使用穩(wěn)定性與測(cè)量可靠性。

（3）根據(jù)孔板出口端面傾斜角與流出系數(shù)之間的關(guān)系，可得知在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的傾斜角范圍內(nèi)，具有良好加工性能的硬質(zhì)合金孔板流量計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)出口端面傾斜角大于45°，從而提高其測(cè)量準(zhǔn)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(guó)，程平，李受人．節(jié)流管孔流動(dòng)參數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系的數(shù)值研究[J]．計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2005，26（3）：575-576.

[3]陳家慶，王波，吳波，等．標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)的CFD值模擬[J]．實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2008，22（2）：51-55.

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

[5]魏士平．基于FLUENT的孔板流量計(jì)內(nèi)部瓦斯流場(chǎng)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(yè)于西南石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專(zhuān)業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)任西南石油大學(xué)城市燃?xì)鈱?zhuān)業(yè)助教，主要從事油氣儲(chǔ)運(yùn)工程相關(guān)方面的理論與技術(shù)研究工作。

2015-05-27

基金論文：國(guó)家自然科學(xué)基金“天然氣管道跨越結(jié)構(gòu)清管動(dòng)力響應(yīng)實(shí)驗(yàn)及理論研究”資助項(xiàng)目（51174172）。

13880417106、1304270150@qq.com