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V 形内锥节流装置代替标准节流装置应具备的条件浅议

孙淮清


近来国内有一股热潮,认为 V 形内锥节流装置较之标准节流装置有诸多优点,应该在国内大面积推广应用以代替标准节流装置。我们不否认 V 形内锥节流装置有许多优点,应该引起重视,重点地进行推广采用。但是亦应清醒地看到, V 形内锥节流装置目前仍是一种非标准节流装置,它应该先晋升为标准节流装置,与标准节流装置处于同一档次,才谈得上代替的问题。为此,我们提出 V 形内锥节流装置代替标准节流装置的一些必备条件,供流量界同行们参考。

一.制订一部实用的可操作性的国家标准

我国标准节流装置国家标准 GB/T2624-93 是等效采用 ISO5167-1(1991) 的,亦就是说,现行标准节流装置国家标准并非国内自行试验研究制订的,因为国外已有成熟的国际标准可供采用。但是 V 形内锥节流装置的情况完全不同,它没有国际标准,工业发达国家的国家标准或行业标准可以利用,完全照抄是不可能的。只有自力更生投入科研力量进行试验研究才能制订出一部实用的、可操作的国家标准。那么为了制订这样一部国家标准,需要进行哪些试验研究呢?我们认为可以参照标准节流装置制订过程所进行的试验研究的内容来进行。

•  结构形式和技术要求的标准化

标准节流装置国家标准的主要内容之一,是节流装置结构形式和技术要求的标准化,各类标准节流装置的几何形状,加工技术要求以及安装和使用条件等都有详尽的规定。返观 V 形内锥节流装置迄今无论国内外资料都只有 V 形内锥节流装置的一些照片、简图,没有结构形式和技术要求的详细资料,目前国内各生产厂仿制皆是自行设计,制造。显然结构形式和技术要求不统一,无法进行各厂产品性能的相互比较和评价,今后各单位的试验研究成果亦无法汇聚到一起。

结构形式和技术要求的标准化,应该是 V 形内锥节流装置试验研究工作的首要任务。

•  流出系数和可膨胀系数计算公式的制订

相应于标准中的结构形式和技术要求的流出系数和可膨胀性系数的数据库的建立,是拟合计算公式的必备条件。我们试举 ISO5167:2003(E) 孔板流出系数和可膨胀性系数数据库的建立为例

从 1980 年到 1992 年的 12 年间,在美国和欧洲的 11 个实验室中,进行了大量的孔板试验,累积了 16376 个试验点的数据,其中介质为油的 1889 点,水的有 8616 点,气体的 5871 点。试验的参数: D:52~ 586mm ; β :0.1~0.75 ; d:12.5~ 440mm ; R eD :400~5.3 × 10 7 。

1998 年 4 月 1 日 , ISO 宣布 ISO5167-1:1991Amendment1 孔板流量计的流出系数公式正式修改为新的流出系数公式(里德 - 哈利斯 / 加拉赫( Reader-Harris/Gallagher,R-G 公式)) , 该公式就是利用上述数据库数据拟合而得。

流出系数和可膨胀性系数是节流装置国家标准的主要内容之一,它是节流装置设计、制造、安装、检验不可缺少的一个条件,标准节流装置干式检定的必要条件之一。

目前 V 形内锥节流出系数尚未见提出流出系数公式,在某些文献中有可膨胀性系数公式,但是在结构形式和技术要求尚未标准化时,可膨胀性系数公式只是代表该文献试验的结构形状的结果,国内现在采用它作为通用的一个公式是没有试验的根据的,它只能作为一个参考的公式使用。

应该指出 V 形内锥节流装置流出系数实验室试验数据库的参数应该包括:介质种类(油、水、气体等)、雷诺数范围(低、中、高雷诺数)、口径范围(小、中、大典型口径)、压力温度范围(低、中、高参数)、 β v 值范围等等,只有试验参数的覆盖范围中足够,才能使现场应用范围广泛,返观目前国外发表 V 形内锥节流装置的实验室试验文献(不足 10 篇),可见其工作才刚起步。

3. 现场影响量的试验研究

节流装置流出系数数据库的数据是在实验室中流量标准装置取得的,亦就是说它是在参比工作条件下取得的数据,节流装置在现场投用后,将受现场影响量的影响,流出系数将增加附加误差,现场流量测量误差是实验室基本误差和现场附加误差的合成,因此标准中现场影响量误差的消除和估算是标准的主要内容之一,在标准中它是列在安装要求的一章的。节流式差压流量计现场影响量主要为二种流动特性的干扰,即非充分发展管流和非定常流的干扰。

节流装置国际标准 ISO5167:2003(E) 与 ISO5167-1(1991) 差别最大之处就是在安装要求方面的规定内容,它是近二十余年来孔板流量计大规模研究试验的总结。

目前 V 形内锥节流装置关于现场非充分发展管流干扰研究试验的文献只有不多几篇,虽然这些文献已预测出 V 形内锥节流装置有较好的抗干扰能力,但仅凭此下结论恐为时尚早。我们试举标准节流装置中经典文丘里管为例提醒注意。

节流装置国际标准 ISO5167(1980 年版 ) 经典文丘里管的直管段长度要求是很短的,其数据如下:

90 ° 单弯头 β = 0.3~0.75 时, L=0.5D~4.5D(L -节流件上游直管段长度 ) ;在同一平面上 90 °双弯头β = 0.3~0.75 , L=1.5D~4.5D ;在不同平面 上 90 °双弯头β = 0.3~0.75 , L=0.5D~29.5D 。

新修订标准 ISO5167:2003(E) 的数据如下:

90 ° 单弯头 β = 0.3~0.75 , L=8D~16D ;在同一平面或不同平面上 90 °双弯头β = 0.3~0.75 , L=8D~22D 。

在 FLOMEKO2004 会议上,英国流量专家 Reader-Harris 介绍关于 ISO5167:2003(E) 制订的演讲中特别提到近年对经典文丘里管的研究试验,发现 ISO5167(1980 年版 ) 规定的直管段是太短了,并且发现在不同介质的试验中经典文丘里管的特性不大一样,干气体的 C 值甚至比水高 3 %,说明试验应在更广泛的范围内进行,才能得出正确的结论。

我们认为 V 形内锥节流装置现场安装条件的研究试验应该继续进行,力求得出正确可靠的结论。

二. V 形内锥节流装置与孔板相互比较的若干问题

1. 节流装置软实力的比较

我们把节流装置理论与实践资料的积累视为节流装置的软实力,一种节流装置具备雄厚的软实力是其应用的必备条件,在节流式差压流量计检测件众多节流装置中孔板的软实力是无与伦比的,这是孔板获得最普遍应用的基本原因。

美国气体协会 AGA3 号报告第 4 版( 2000 年)中列举从 1922 年到 1999 年孔板积累的技术文献共约 240 篇,其中包括 20 世纪 30 年代 10 年( 1924-1935 )大型专门研究项目 14 项, 40-60 年代对孔板制造,安装和使用各环节的专题研究, 80-90 年代美国和欧洲进行的大规模孔板流量计试验( API 实验计划和 EEC 实验计划)等的论文资料等。上述孔板流出系数数据库就是 API+EEC 实验计划的成果。在 240 篇文献中约 110 篇为实验室试验,其余 130 篇为现场试验,现场试验包括安装影响(即关于直管段长度的规定),管壁粗糙度,流动调整器,脉动流影响等等。

应该指出,美国的孔板文献只是国际上对孔板大量试验研究的一部分,欧洲、前苏联以及其它国家都致力于这个课题的研究,因此,目前积累的文献资料大约为美国列举数量的数倍之多。

以下我们仅举孔板开孔锐利度钝化这个课题来说明对孔板流量计在现场应用遇到的的问题国际上是如何应对的,又投入多大力量来解决这个问题,由此亦可见具备足够的软实力多么重要。

孔板开孔入口边缘磨损致使流出系数不稳定,这个缺点是孔板结构本质决定的,在 20 世纪 30 年代孔板开始标准化时专家们就注意到这个问题,是否由于这个重要缺点就放弃这种在结构上有其它重大优点的节流装置呢?专家们采取的方针是对其进行深入的试验研究,提出可以满足不同层次用户要求的措施。

以下我们简介解决这个问题的若干方法。

•  提出 与 b k 的关系表( b k -入口边缘锐利度修正系数, -开孔边缘圆弧半径, d -开孔直径)

≤ 0.0004

0.001

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

0.012

0.014

0.015

b k

1

1.005

1.012

1.022

1.032

1.040

1.048

1.055

1.062

1.065

这个关系表取自德国 VDI 规程( VDI2040,1972 年),关系表数据是欧洲对孔板开孔锐利度研究成果的汇总,具有一定权威性。

2 )流出系数偏差估算式(( Crocket and UPP(1973 年 ) 及 Benedict ( 1974 年))此为美国流量专家的研究成果。

---c 的偏差值

3 )研制测量 r k 的测量方法和仪器

r k 的尺寸为 0.04mm -0.20mm 显然准确测量其值是采用上述表列值和计算式的关键,目前已开发众多的方法和仪器来解决这个问题。

测量方法:铸模法,铅箔压印法,记录纸法,线切割法等

测量仪器:国内外研制出的仪器品种很多, 2002 年中国测试技术研究院开发出一种便携式孔板自动测量仪,该仪器在石油天然气行业获得推广应用。仪器采用专用的测微读数显微镜测量开孔入口边缘锐利度 r k ,仪器使开孔直角入口边缘棱尖清晰地成像在分划板上,可以通过测微鼓轮直接测出 r k 值。

4 )国外有用水、气体、蒸汽、油等各种介质进行磨损钝化试验,发现不同介质其磨损曲线( r k —t,t— 时间)基本重合于一起,可以用下式近似描述

式中 r k ---mm;t--- 年。

并且发现有以下一些特点:初始的曲率半径 r k = 0.04 -0.07mm ,对于小的 d 值不能满足标准 r k /d < 0.0004d 的要求;磨损程度与洁净介质种类无关;初用时 2-3 年每年磨损量约为 0.04mm ,经过 5-6 年使用 r k 稳定在 0.18 -0.23mm 。

这些数据可以做为修正的参考,当然只是一个大约的估计。

5 )在线实流校验修正法

对于要求高准确度测量对象,如天然气输气计量站,可以配备现场在线校验设备,对孔板进行周期检定,经过几次周期检定,钝化过程就稳定下来,检定的次数可以减少。

在国际上流量测量工作者不屈不挠的努力下,如何对付孔板孔口钝化,流出系数不稳定的弊病取得丰硕成果,可以满足不同准确度要求测量对象的需要,既有简单估值,又有精确校验,用户可以根据需要进行选用,因此渲染这个问题如何严重既没有必要,亦不解决问题。

我们不厌其烦详细介绍孔板使用中的一个具体问题是为着说明一种检测件有优点亦有缺点,对付缺点的办法是深入进行试验研究,提出解决办法,这就是应该具备的软实力。

返观 V 形内锥节流装置可以说它还未在现场应用中对发生的问题进行深入的试验研究,甚至问题还未暴露出来,可以说还未具备投用的软实力,仅仅依据实验室的若干试验就匆忙下结论,不是科学的态度。

2. 节流件复制的问题

在标准节流装置中孔板和喷嘴二种节流件孔板形状简单,易于复制,制造成本较低,喷嘴廓形复杂,加工难度大,价格较贵。但喷嘴比孔板有二个显著优点: 1 )压损较小:在同样的流量下,喷嘴的压损只有孔板压损的 30 % -50 %; 2 )喷嘴没有孔板开孔钝化的问题,其流出系数是稳定的。但是喷嘴目前只在一些特定场合得到应用,如高温高压蒸汽的测量,或者高流速,脏污介质等应用,为着推广其普遍应用,人们提出定值喷嘴的方案,但是效果并不太明显,人们还是选取简单、价廉的孔板比较多。

我们举这个例子是想说明节流件的选用是由多种因素决定的, V 形内锥节流件形状复杂,加工难度较大,价格当然亦比不上孔板,尤其是标准化后仅依靠干校验决定其特性,需要准确复制,显然加工花费要大。尤其是其悬臂式结构,在使用中存在谐振的问题,这些都是制约其普遍使用的因素。

•  压损问题

标准节流装置(孔板、喷嘴和文丘里管)和 V 形内锥节流装置的压损如下:

孔板: β = 0.45-0.75 ,

喷嘴: β = 0.45-0.75 ,

文丘里管: β = 0.45-0.75 ,

V 形内锥: β v = 0.45-0.75 ,

注: V 形内锥压损计算式: =( 1.3-1.25 β v )

  它是某一结构形式产品的压损。

比较上述种节流装置的压损,可见孔板、 V 形内锥、喷嘴属于高压损节流件 V 形内锥处于孔板与喷嘴之间。文丘里管为低压损节流件。

•  范围度问题

差压式流量计因为压差与流量为平方关系,当流量范围度为 10 : 1 时,压差范围为 100 : 1 ,流量若低至最大流量的 10 %,则压差仅为压差上限值的 1 %,显然此时差压计已无准确测量可言,由此可见,要扩大检测件的范围度,应在差压计上下功夫,现在采用多台差压变送器联合使用或宽量程差压变送器已可把范围度大为扩大。另外,范围度从流出系数 c 与雷诺数的关系中可预见可扩大的限值,例如角接取压法孔板当 R eD =2 × 10 4 -10 6 时, C 的变化约为 0.5 %,如果 C 的允差为 0.5 %,则范围度为 10 6 /2 × 10 4 = 50 ,现在采用流量计算机可对 C 值进行在线实时修正,亦是说,过去说孔板范围度窄( 3 : 1-4 : 1 )的概念应该转变,孔板的范围度采取措施后亦可以扩大的。

•  节流装置干校验的问题

标准节流装置可以干校验投用是全部流量计中得到计量组织认可的唯一检测件。应该说全部流量计都在朝着这个目标努力,前面提到的标准节流装置有足够的软实力就是达到这个目标的必备条件。

相比之下 V 形内锥节流装置仍然是非标准节流装置,它应该朝着这个目标努力工作。

三.结束语

•  V 形内锥节流装置目前最迫切的任务是结构形式和技术要求的标准化,在此基础上亦才能汇聚全社会的力量来对它进行深入的试验研究,打个比方,它相当于孔板 20 世纪 30 年代开始标准化的阶段,目前,有人说: V 形内锥流量计是老一代孔板、喷嘴和文丘里管流量计的更新换代产品。我们说: V 形内锥节流装置当前的首要任务先晋升为标准节流装置,然后才能与老标准节流装置同台竞争,能否取代则取决于用户的取决于用户的取舍,现在先这么说恐怕早了一点。

•  V 形内锥节流装置目前仍处于非标准节流装置阶段,在国内普遍推广使用,甚至应用到贸易交接计量上去将造成国内计量的混乱,增添计量纠纷。

我们认为应该将国内外的实际情况向用户说明,而不是肆意夸张,蒙骗使用者,这样做对于 V 形内锥节流装置的健康发展毫无益处。

国内流量行业已有不少先例说明对产品不是实事求是宣传是百害而无一利的。近年来许多新型流量计、涡街流量计、科氏质量流量计、气体超声流量计都 经历这种不实宣传之害,我们应汲取这个教训。

3. 再回到本文的题目: V 形内锥节流装置代替标准节流装置的应具备的条件是先晋升为标准节流装置,然后再讨论是否代替的问题。

 

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