用于SIS系統的限流孔板的設計和計算

吳嘯天

(南京蘇夏工程設計有限公司，江蘇 南京 210036)

在石油化工行業中，安全閥作為非常重要的獨立物理保護層應用在壓力容器或壓力管道中，所以操作環境對安全閥的可靠性非常關鍵。石油化工企業的工藝安全部門一般會有安全審查的活動，采用HAZOP分析或風險矩陣等方法對安全閥進行風險評估，在安全閥動作時流入的流量應小于安全閥額定的排放量，工廠通常采用限流孔板來限制流量，這種限流孔板要求具有安全儀表功能(SIF)，其SIL等級通常為SIL 2或SIL 3。這種做法已經在某跨國化工公司的安全儀表系統(SIS)規范里已作出規定，并已在其全球的工廠里廣泛應用。本文將對用于這種場所的限流孔板的設計和計算做詳細介紹。

1 限流方法的選擇

圖1 限制流量的幾種方法

工業中常用的限流方法如圖1所示。最簡單的做法就是縮徑來實現限流，如圖1中的方法1，圖1中方法2采用了限流孔板，方法3采用了控制閥限流，該方法中，控制閥同時執行限流和控制兩種功能。在實踐中，經常使用控制閥和限流孔板的組合，如圖1中的方法4，其中限流孔板執行限流功能，控制閥只執行控制功能。限流元件可以安裝在閥門的上游或下游。

方法1中，與安全閥組合的管道縮徑，或方法2，方法4中限流孔板構成了不同的物理保護層，這時，需要有專人來承擔設計驗證的責任。

從工藝安全的角度，高溫高壓設備如壓力容器等的設計需要考慮很多因素，安全閥的選用也是壓力容器的必選項，在設計安全閥時，限流孔板或控制閥等儀表設備應考慮作為安全儀表系統(SIS)的一部分來限制流量。

圖1中的4種方法，采用限流孔板的方案是首選，因為孔板易于檢查，而且其安全功能獨立于控制功能，但孔板必須符合ISO 5167或GB/T 2624要求的精準外形，因為本質上需要孔板外形來確保恒定限流。

在下列工況下控制閥可能被選擇作為限流元件(但需要考慮特殊情況)： 具有腐蝕性和磨損性強的流體會導致孔板因為損壞而無法保證起到限流作用的場合，這種情況必須通過失效模式和影響分析(FMEA)來評估后，采用控制閥作為限流元件；當閥芯出現問題不起作用時，可以設計成通過閥座來限制流量，這樣即使在發生重大磨損時，也可以確保SIF；在操作工況下，需要將壓降降至最低的場合；有足夠的差壓緩沖以便控制閥進行控制的場合。

2 為配合安全閥而限流的設計流程

安全閥的設計通常在初步設計階段進行，如何確定合適的限流方式，設計流程如圖2所示。

圖2 為配合安全閥而限流的設計流程示意

從圖2的流程中可以看出，和常規的限流或限壓孔板設計不同之處是： 常規的限流或限壓孔板只要計算出操作工況下的孔徑即可，而用于SIS的限流孔板，則除了計算操作工況下的孔徑外(操作性)，同時還需確定在最大可能壓差下流過的最大流量(安全性)作為安全閥的設計輸入。本文中著重討論采用限流孔板來限制流量的方法。

3 限流孔板的設計原則

3.1 要 求

當限流孔板作為SIS元件，限流孔板的設計和制造應選用有資質的制造廠，且只可用在單相流里以保證其精度。應確保其物理尺寸和流出系數符合ISO 5167： 2016Measurementoffluidflowbymeansofpressuredifferentialdevicesinsertedincircularcross-sectionconduitsrunningfull或GB/T 2624—2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量》的要求。孔板應是銳邊，在上游側有一個薄的圓柱形孔，在下游側是一個斜面。部件的材料應至少為316不銹鋼。如果流體的性質要求采用較高的合金或其他材料，應當符合管道規范、工藝設計條件以及管道要求。

測量表明，不符合ISO 5167或GB/T 2624標準幾何形狀的孔板會導致流量大幅超過最大允許值，高達10%以上。如果采用整體圓柱孔(沒有倒角)的孔板來作為SIS元件，則必須對這種不確定性進行危害評估。

限流孔板的公差應為負公差。

3.2 計 算

限流孔板計算的最低要求如下： 必須符合ISO 5167或GB/T 2624的原則和技術規范，前后直管段除外。計算結果只適用于沒有相變的單相流。高壓、高壓差、柱塞流等極端工況下，應按照最保守的結果進行制造。

實驗表明，實際測量的流量與不同計算工具計算結果的差異可達10%。從安全操作限制角度考慮，在孔板設計過程中必須考慮到該部分差異，限流孔板的β值通常應在0.2～0.7，限流孔板孔徑的計算應精確到0.1 mm，供應商應提供最終的計算書。

4 限流孔板的測試

限流孔板的檢驗與測試應按照相關檢驗和測試規范要求執行。在設備投入運行之前，限流孔板應與安全閥一起進行檢查。投入運營后的限流孔板要定期驗證，測試的范圍、模式和間隔必須根據風險分析與資產經理一起定義，并記錄在測試表中。

5 SIS用限流孔板設計計算示例

為了便于理解，現在根據三種典型的介質： 蒸汽，氣體和液體，限流孔板的操作性計算和安全性計算見表1所列。

表1 SIS用限流孔板計算示例

從安全性計算結果看，在最大壓差下流過的最大可能質量流量要遠大于正常操作工況下的流量，所以安全閥的設計必須要滿足這樣的流量。

6 結束語

常規的SIS回路一般由傳感器、邏輯運算器及最終元件組成。限流孔板單獨構成SIS的應用在流程工業里并不多見。本文通過對安全閥前限流孔板作為SIS元件的事例的描述，為SIS構成的多樣性提供了一個獨特的應用方向。同時，安全閥作為流程工業中一種非常重要的獨立物理保護層，本文對設計安全閥時，如何確定其最大流量也具有借鑒作用。