孔板以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、價(jià)格低廉、易于安裝、維護(hù)方便等特點(diǎn), 成為各工業(yè)部門中使用量***大, 應(yīng)用面***廣的一種流量計(jì)量器具, 在核電領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。目前, 國內(nèi)已商業(yè)運(yùn)行的核電項(xiàng)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(nèi)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(zhǎng), 但在實(shí)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(zhì)的流量測(cè)量時(shí), 孔板的開孔直角入口邊緣磨損很快, 磨損出現(xiàn)后若仍沿用原流出系數(shù)對(duì)流量進(jìn)行計(jì)算, 勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。而要想明確知道此時(shí)的流出系數(shù), ***好的方法就是將孔板拆下送檢, 通過實(shí)流標(biāo)定得出實(shí)際流出系數(shù), 但這在核電項(xiàng)目中很難實(shí)現(xiàn)。如果能夠根據(jù)磨損量推斷流出系數(shù)的偏離方向和偏離量, 評(píng)估其對(duì)流量測(cè)量準(zhǔn)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(shí)流標(biāo)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(duì)流量測(cè)量的影響, 受某核電運(yùn)營商委托, 大流量計(jì)量站承接了孔板開孔直角入口邊緣磨損實(shí)流實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)流測(cè)量在固定流量下孔板直角入口邊緣經(jīng)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(shù)的偏差量。

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(biāo)機(jī)測(cè)量孔板的開孔直徑和開孔邊緣圓弧半徑r。測(cè)量后將孔板依次安裝于安裝管內(nèi), 在靜態(tài)容積法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上選定一個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行次實(shí)流實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)后按委托方要求將孔板的直角入口邊緣進(jìn)行人工磨損。測(cè)量滿足要求后在相同流量點(diǎn)進(jìn)行第二次實(shí)流實(shí)驗(yàn), 第二次實(shí)驗(yàn)后再次按委托方要求將孔板直角入口邊緣進(jìn)行人工磨損, 測(cè)量滿足要求后進(jìn)行第三次實(shí)流實(shí)驗(yàn)。根據(jù)每套孔板實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 比較兩次人工磨損后孔板流出系數(shù), 分析流出系數(shù)的偏差方向和偏差量。

委托方根據(jù)實(shí)際工況情況選定三塊實(shí)驗(yàn)孔板, 孔板設(shè)計(jì)尺寸:D=400 mm, d=270 mm, 對(duì)孔板開孔直角入口邊緣圓弧半徑r的要求: (G處) r<10μm。見圖1。

孔板的取壓方式為徑距取壓 (取壓) , 三塊孔板共用一套測(cè)量管和一臺(tái)差壓計(jì)。每次實(shí)流實(shí)驗(yàn)前應(yīng)由專人用專用工具按照其定位標(biāo)記將孔板安裝于測(cè)量管內(nèi)。見圖2。

委托方根據(jù)實(shí)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(shí)驗(yàn)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。

次人工磨損后孔板開孔直角入口邊緣圓弧半徑 (G處) 30<r<50μm。

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<100μm。

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<120μm。

以上要求中條必須滿足, 后三條必需滿足兩條, 如果次人工磨損后50μm<r<100μm, 則直接按第三次磨損要求進(jìn)行第二次磨損。每塊孔板必須完成兩次人工磨損, 進(jìn)行三次實(shí)流實(shí)驗(yàn)。

測(cè)量設(shè)備采用海克斯康Brown&Sharpe global status三坐標(biāo)測(cè)量機(jī), 對(duì)三塊孔板的開孔直徑和開孔邊緣圓弧半徑分別進(jìn)行測(cè)量, 測(cè)量設(shè)備準(zhǔn)確度2μm。

按孔板入口圓圓心定位, 每隔45度測(cè)量開孔直徑和兩端直角邊緣圓弧半徑, 取8次測(cè)量的平均值作為本次孔板測(cè)量值。 (見圖3)

利用三坐標(biāo)機(jī)的機(jī)械掃描功能, 即通過探針每隔2μm取一點(diǎn)數(shù)據(jù), 對(duì)形成直角的兩個(gè)平面分別進(jìn)行兩個(gè)相反方向的掃描, 根據(jù)取得的數(shù)據(jù)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(diǎn), ***后通過對(duì)端點(diǎn)坐標(biāo)值的計(jì)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(biāo)測(cè)量機(jī)軟件所得到的孔板開孔直角入口邊緣的掃描圖像。

根據(jù)委托方要求, 實(shí)驗(yàn)管徑選定為DN400管線, 實(shí)驗(yàn)流量選定為1800 m/h。

實(shí)驗(yàn)人員負(fù)責(zé)將已安裝好的孔板裝置 (包括孔板、測(cè)量管、差壓計(jì)) 與DN400實(shí)驗(yàn)管線連接, 啟動(dòng)設(shè)備將實(shí)驗(yàn)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(huán)10 min, 同時(shí)進(jìn)行孔板引壓管的排氣, 排氣后關(guān)閉平衡閥, 開始實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)人員分為a, b兩組, 其中, a組人員負(fù)責(zé)裝置控制系統(tǒng)的操作, 讀取標(biāo)高, 記錄測(cè)量時(shí)間, 計(jì)算實(shí)際流量;b組人員負(fù)責(zé)在實(shí)際流量的測(cè)量時(shí)間段內(nèi), 均勻采集孔板差壓值并記錄。此流量點(diǎn)測(cè)量10次, 每次測(cè)量數(shù)據(jù)記錄不少于30個(gè), 取其平均值作為該次測(cè)量的流量計(jì)示值, 實(shí)驗(yàn)完成后計(jì)算出孔板該次測(cè)量的流出系數(shù)及測(cè)量不確定度。

三塊孔板依次完成實(shí)流實(shí)驗(yàn)后, 交于委托方進(jìn)行人工磨損。人工磨損后經(jīng)測(cè)量符合直角入口邊緣銳利度要求的, 依據(jù)上述要求對(duì)孔板依次進(jìn)行第二次和第三次實(shí)流實(shí)驗(yàn)。

實(shí)流實(shí)驗(yàn)前, 用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī), 對(duì)三塊孔板的開孔直徑和開孔邊緣圓弧半徑r分別進(jìn)行測(cè)量, 首次測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

由測(cè)量數(shù)據(jù)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) <10μm”的技術(shù)要求, 符合進(jìn)行實(shí)流實(shí)驗(yàn)的條件。

將三塊孔板三次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總?cè)缬诒?, 每塊孔板開孔直角入口邊緣不同程度磨損后流出系數(shù)變化曲線如圖6所示。

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(shí), 孔板的流出系數(shù)明顯增大, 這一點(diǎn)由圖6可以清楚地看到。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知, 孔板開孔邊緣圓弧半徑r的磨損量與流出系數(shù)的增大成正比。

如果將孔板首次實(shí)驗(yàn) (即人工磨損前) 的流出系數(shù)作為孔板的原流出系數(shù), 三塊孔板人工磨損后實(shí)流標(biāo)定的流出系數(shù)相對(duì)于原流出系數(shù)的誤差如表2***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(nèi)時(shí), 相對(duì)誤差約在0.15%以內(nèi);磨損量在0.108 mm以內(nèi)時(shí), 相對(duì)誤差約在0.3%以內(nèi), 而當(dāng)孔板開孔邊緣圓弧半徑r磨損量在0.18 mm左右時(shí), 流出系數(shù)的相對(duì)誤差會(huì)超過0.5%。如果按實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)孔板流出系數(shù)行修正, 則磨損量在0.05 mm以內(nèi)時(shí), 修正系數(shù)約為1.0015;磨損量在0.11 mm以內(nèi)時(shí), 修正系數(shù)約為1.003;當(dāng)磨損量在0.18 mm左右時(shí), 修正系數(shù)約為1.005。

國標(biāo)GB/T 2624.2-2006中規(guī)定, 當(dāng)孔板開孔邊緣圓弧半徑r≤0.0004d時(shí), 直角入口邊緣是銳利的, 修正系數(shù)b=1。當(dāng)b≠1時(shí), 應(yīng)對(duì)流出系數(shù)不確定度幾何相加一個(gè)±0.5%附加不確定度。

參考文獻(xiàn)2中給出流出系數(shù)的修正公式為

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

本次實(shí)驗(yàn)中, 當(dāng)孔板開孔邊緣圓弧半徑r≤0.108mm時(shí), 入口邊緣銳利度r/d≤0.0004, 修正系數(shù)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(shí)孔板入口邊緣銳利度0.0004<r/d<0.001, 修正系數(shù)b=1.005, 需要對(duì)流出系數(shù)不確定度幾何相加一個(gè)±0.5%附加不確定度, 這和實(shí)流實(shí)驗(yàn)結(jié)論是基本一致的。

實(shí)驗(yàn)證明了孔板開孔邊緣銳利度的鈍化與流出系數(shù)的增大成正比。并通過計(jì)算孔板開孔邊緣圓弧半徑r在磨損量不同時(shí), 流出系數(shù)的相對(duì)誤差, 給不同年限孔板流量計(jì)根據(jù)磨損量對(duì)流出系數(shù)的偏差進(jìn)行修正, 評(píng)估其對(duì)流量測(cè)量不確定度的影響提供了參考, 同時(shí)驗(yàn)證了標(biāo)準(zhǔn)中流出系數(shù)修正系數(shù)的取值。通過本次實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)要求, 但流出系數(shù)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況條件和對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的要求而定。需要說明的是, 現(xiàn)場(chǎng)工況條件復(fù)雜, 孔板的使用狀態(tài)更是不盡相同, 由于實(shí)驗(yàn)的局限性, 此次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果不能作為使用中孔板流出系數(shù)修正的普遍依據(jù)。如果條件許可, 還是應(yīng)及時(shí)將孔板送檢實(shí)流標(biāo)定出流出系數(shù), 或?qū)装彘_孔邊緣圓弧半徑r進(jìn)行測(cè)量, 參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或文獻(xiàn)對(duì)流出系數(shù)進(jìn)行修正。