引言：目前，傳統(tǒng)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(zhì)（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(zhì)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(jié)約資金投入。兩種材質(zhì)的孔板流量計外觀對比如圖 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，當用于不同類型流體介質(zhì)時二者的流量測量準確度必然存在差異。

圖 1 硬質(zhì)合金與不銹鋼標準孔板流量計外觀對比

 
1、仿真模型建立與驗證：
 采用 FLUENT 軟件分別對硬質(zhì)合金與傳統(tǒng)不銹鋼標準孔板流量計進行數(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幾何模型，劃分網(wǎng)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(zhì)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(wǎng)格和 Pave 方式劃分面網(wǎng)格，并對孔板處網(wǎng)格進行了加密，如圖 2 所示。
  管道內(nèi)流體介質(zhì)為天然氣，在此設定為單體甲烷。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 RNG κ – ε 湍流模型。

圖 2 孔板流量計的二維網(wǎng)格劃分模型
 
1.1、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(zhì)，密度、黏度按照軟件數(shù)據(jù)庫中對應的物性參數(shù)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(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)驗公式計算出的流出系數(shù) C′值為 0.616 4、0.609 1、0.606 1，結(jié)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(shù)值模擬計算與 ISO公式計算的流出系數(shù)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(jù)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(guī)定：粗糙度的算術平均偏差 R_a ≤1.27 μm。本例中不銹鋼標準孔板流量計的表面粗糙度為 R_a =1.27 μm，剛好達到標準規(guī)定。而硬質(zhì)合金孔板流量計的表面粗糙度 R_a =0.8 μm，加工精度高于標準的規(guī)定。不難得出，不銹鋼材質(zhì)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(zhì)的流速不相同時，則流出系數(shù)值會產(chǎn)生差異，模擬計算結(jié)果見表 2。采用數(shù)值模擬計算所得不同材質(zhì)孔板流量計的流出系數(shù) C 值與 ISO 經(jīng)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(zhì)孔板流量計流出系數(shù)值與 ISO經(jīng)驗公式計算值對比
 

質(zhì)等的影響，孔板開孔處會逐漸腐蝕、磨損，從而超出標準中規(guī)定由表 2計算結(jié)果及圖 4可以得出：

圖 4 兩種材質(zhì)孔板流量計流出系數(shù)相對誤差對比
由表 2計算結(jié)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(shù)值均大于 ISO 經(jīng)驗公式計算值，這會造成實際測量顯示結(jié)果偏小。但硬質(zhì)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(shù)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(shù)的相對誤差又隨流速增加而降低。這是因為當介質(zhì)流速超過 3 m/s時，流態(tài)會從水力光滑區(qū)變?yōu)榛旌夏Σ羺^(qū)。
 通過上述理論計算，得出了不同流速下兩種材質(zhì)的流量計在表面粗糙度不隨時間變化時的流出系數(shù)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(zhì)等，孔板的表面粗糙度在長時間、高流速的沖刷作用下會產(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。符合標準 GB/T 21446—2008 規(guī)定的圓弧半徑為 r_k ≤ 0.000 4 d 。本例中，當 d = 50 mm時， r_k ≤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 r_k =18 μm，硬質(zhì)合金流量計出廠時 r_k =5 μm。由此可見，在尚未投入使用時，不銹鋼孔板 r_k 已經(jīng)非常靠近標準規(guī)定的上限值，而硬質(zhì)合金孔板 r_k 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(wǎng)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(zhì)孔板流量計送專業(yè)的檢測公司進行耐磨性測試，得出硬質(zhì)合金孔板平均耐磨時間為傳統(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）應用到幾何尺寸上，即假定相同時間段內(nèi)，硬質(zhì)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(zhì)合金流量計 r_k 值可分別取 0、0.1、0.2、 0.3 mm，而不銹鋼流量計 r_k 值分別取 0、 0.5、1.0、1.5 mm，介質(zhì)流動速度取 8 m/s，計算結(jié)果對比見表 3。兩種材質(zhì)孔板流量計流出系數(shù)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(shù)值對比
 

 
由表 3與圖 5可以得出：
 
（1）當 r_k =0 時，即不受到磨損時，硬質(zhì)合金孔板流量計流出系數(shù)值與 ISO 經(jīng)驗公式計算值的相對誤差僅為 0.78%，結(jié)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(shù)值明顯偏離孔板的設 計值，測量準確度隨之下降，但硬質(zhì)合金孔板流量計的流出系數(shù)值更接近于 ISO 經(jīng)驗公式計算值，其相對誤差均小于不銹鋼，這也說明了硬質(zhì)合金流量計具有更好的使用穩(wěn)定性與測量可靠性。

圖 5 不同材質(zhì)孔板流量計流出系數(shù)相對誤差對比

2.2、孔板出口端面傾斜角變化對測量準確度的影響：
 按照標準規(guī)定，標準孔板流量計出口端面傾角范圍應為 45°±15°。因此，傳統(tǒng)不銹鋼孔板通常加工為 45°傾斜角。為了研究傾斜角度對測量準確度的影響，針對硬質(zhì)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(shù)值模擬，流出系數(shù)計算值見表 4?？装辶鞒鱿禂?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)合金孔板流量計在不同傾斜角角度下的流出系數(shù)值與相對誤差
 

圖 6 硬質(zhì)合金流量計不同傾斜角下流出系數(shù)值與 ISO公式計算值對比
根據(jù)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(shù)呈現(xiàn)出先靠近，然后遠離 ISO 經(jīng)驗公式計算值；而當傾斜角度大于 45°而小于 60°時，流出系數(shù)呈現(xiàn)出先靠近，然后遠離 ISO 經(jīng)驗公式計算值。
 
（2）流出系數(shù)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(shù)誤差整體上呈現(xiàn)出減小的趨勢。從理論上講，具有良好加工性能的硬質(zhì)合金孔板流量計能夠?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)驗公式計算值，從而提高測量準確度。
 
3、結(jié)論：
 針對硬質(zhì)合金、傳統(tǒng)不銹鋼孔板流量計，采用數(shù)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(jié)論：
 
（1）由于硬質(zhì)合金孔板流量計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)驗公式的計算值。在實際使用時，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隨時間發(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(shù)相對誤差增加，但硬質(zhì)合金孔板流量計的誤差
 
（上接第 82頁）充分被填充。
 
（4）封板與罐壁的夾角要符合方案的要求，施工要求對對接焊縫進行 X 射線 100%探傷，Ⅱ級合格。
 
4、質(zhì)量檢驗：
 
對焊件進行了外部、內(nèi)部質(zhì)量檢查和焊縫的滲透檢測，結(jié)果如下：
 
（1）按規(guī)范要求對底層瀝青砂的密實度、平整度進行驗收檢驗。
 
（2）對封板角焊縫進行了滲透檢測，符合規(guī)范要求。
 
（3）經(jīng)過上水后對罐底進行復測，罐底的平整度及變形量符合規(guī)范的要求，灌漿層密實，封板沒有明顯的變形，強度及質(zhì)量能滿足使用要求。
 
5、結(jié)論：
 施工單位根據(jù)選定的“內(nèi)嵌式”罐底更換方案，完成了 4臺 1×10⁴ m³ 儲罐的罐底的更換，在更換過程中，沒有發(fā)生安全隱患，施工過程順利，更換完畢后，通過上水試驗后的檢查，取得了令人滿意的效果，并且順利重新投產(chǎn)使用。
（1）“內(nèi)嵌式”底板更換方案施工簡便、安全可靠，可對以后類似儲罐罐底的改造起到指導作用。
 
（2）在確定使用此方案前，應組織對罐板的腐蝕程度進行全面的現(xiàn)場實際調(diào)查和分析，在確定需要更換的前提下，再建議參考此方案。
 
（3）“內(nèi)嵌式”罐底更換方案經(jīng)過水壓試驗和實際應用的檢驗，質(zhì)量可靠、工期縮短，相對于全部更換的方案，更加經(jīng)濟、便捷。

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