新型硬质合金孔板流量计测量准确度对比分析

董静雅 彭 阳 李家君 刘先序

1西南石油大学应用技术学院

2西南石油大学石油与天然气工程学院

3中国石油天然气股份有限公司西南油气田公司蜀南气矿

4成都立创模具有限公司

新型硬质合金孔板流量计测量准确度对比分析

董静雅1彭 阳2李家君3刘先序4

1西南石油大学应用技术学院

2西南石油大学石油与天然气工程学院

3中国石油天然气股份有限公司西南油气田公司蜀南气矿

4成都立创模具有限公司

针对新型硬质合金、不锈钢材质的孔板流量计，基于FLUENT仿真软件，对影响测量准确度的三种主要因素——孔板上游端面粗糙度、上游直角入口边缘尖锐度和出口端面倾斜角进行了对比分析。结果表明：硬质合金孔板流量计因具有更小的表面粗糙度及耐腐蚀、耐磨的特点，测量准确度更高，能够适用于工程实际情况；随着孔板直角入口边缘尖锐度变小，流出系数值会增加，但硬质合金孔板流量计的流出系数值更加接近于ISO经验公式的计算值。根据孔板出口端面倾斜角与流出系数之间的关系，得出采用硬质合金材质孔板流量计能够实现倾斜角度大于45°，从而提高测量准确度。

硬质合金；不锈钢；标准孔板流量计；测量准确度；FLUENT

引言

目前，传统标准孔板流量计通常采用不锈钢作为孔板材料，但硬度较低，加工精度不高，易腐蚀，耐磨性能差，抗冲击性能弱，特别是对于高含酸性气体成分（如H2S、CO2的腐蚀性流体）与含有杂质（如细砂等颗粒物）的未净化流体，其测量准确度和使用寿命会大大降低。而将硬质合金（碳化钨，WC）镶嵌在不锈钢标准孔板流量计上，就可以很好地解决上述问题，从而提高标准孔板流量计的使用寿命，节约资金投入。两种材质的孔板流量计外观对比如图1所示。不难得出，因两种材质的加工精度与耐磨损、耐腐蚀性差异，当用于不同类型流体介质时二者的流量测量准确度必然存在差异。

图1 硬质合金与不锈钢标准孔板流量计外观对比

国外采用计算流体力学（CFD）软件模拟研究管内孔板类节流元件的相关流场已有数十年的历史[1]。近些年国内部分学者也逐渐使用CFD软件对孔板流量计进行模拟分析，但是应用范围不广[2-5]。为了能够定量确定出测量准确度差异，本文基于CFD仿真软件FLUENT，针对影响孔板流量计测量准确度的三种主要因素——孔板上游端面粗糙度、直角入口边缘尖锐度和出口端面倾斜角进行了对比研究，将计算所得流出系数C与规范推荐的ISO经验公式计算所得的流出系数C′进行对比，分析了两类孔板流量计测量准确度的差异。

1 仿真模型建立与验证

采用FLUENT软件分别对硬质合金与传统不锈钢标准孔板流量计进行数值模拟。

1.1 模型建立

利用FLUENT 6.3的前处理器GAMBIT 2.4.6软件建立孔板流量计几何模型，划分网格，并指定边界条件，然后输出.msh文件，导入FLUENT中进行求解与流场模拟。为便于对比，实际测量了相同型号的两种材质标准孔板流量计的设计、加工尺寸，见表1。

表1 两种标准孔板流量计的设计尺寸

本次模拟采用三角形网格和Pave方式划分面网格，并对孔板处网格进行了加密，如图2所示。管道内流体介质为天然气，在此设定为单一流体甲烷。边界条件设置为入口流速（VELOCITY），出口流量（OUTFLOW），采用2 ddp求解器，选择RNGκ-ε湍流模型。

图2 孔板流量计的二维网格划分模型

1.2 模型验证

为了验证所建模型的准确性，以常温下的甲烷作为流体介质，密度、黏度按照软件数据库中对应的物性参数选取。通过读取孔板前后D和D/2轴截面上平均压力值，计算得出入口速度为5、10、15 m/s时流出系数C的值分别为0.620 5、0.611 5、0.610 5，相同条件下采用ISO经验公式计算出的流出系数C′值为0.616 4、0.609 1、0.606 1，结果对比如图3所示。两者的相对误差分别为0.67%、0.39%、0.73%。

图3 数值模拟计算与ISO公式计算的流出系数值对比

2 仿真实例对比

2.1 孔板上游端面粗糙度变化对测量准确度的影响

根据国家标准《用标准孔板流量计测量天然气流量（GB/T 21446—2008）》中的相关规定：粗糙度的算术平均偏差Ra≤1.27 μm。本例中不锈钢标准孔板流量计的表面粗糙度为Ra=1.27 μm，刚好达到标准规定。而硬质合金孔板流量计的表面粗糙度Ra=0.8 μm，加工精度高于国家标准的规定。不难得出，不锈钢材质的孔板流量计在使用一定时间后，受流体中酸性组分与颗粒杂质等的影响，孔板开孔处会逐渐腐蚀、磨损，从而超出标准中规定范围导致测量准确度偏差逐渐增加。针对刚投入使用的两类孔板流量计，假定其表面粗糙度分别为出厂时的精度，当介质的流速不相同时，则流出系数值会产生差异，模拟计算结果见表2。采用数值模拟计算所得不同材质孔板流量计的流出系数C值与ISO经验公式计算C′的值相对误差对比如图4所示。

表2 不同流速下两种材质孔板流量计流出系数值与ISO经验公式计算值对比

图4 两种材质孔板流量计流出系数相对误差对比

由表2计算结果及图4可以得出：

（1）当流速为0.5～15 m/s时，两种流量计均能进行准确测量，二者流出系数值均大于ISO经验公式计算值，这会造成实际测量显示结果偏小。但硬质合金孔板流量计的相对误差小于不锈钢孔板流量计，所以其具有更高的测量准确度。

（2）当天然气流速小于3 m/s时，两种流量计流出系数的相对误差均随流速增加而增加；而当流速为3～15 m/s时，两种流量计流出系数的相对误差又随流速增加而降低。这是因为当介质流速超过3 m/s时，流态会从水力光滑区变为混合摩擦区。

通过上述理论计算，得出了不同流速下两种材质的流量计在表面粗糙度不随时间变化时的流出系数相对误差，但是在实际情况下，流体中可能还含有酸性组分、固体颗粒杂质等，孔板的表面粗糙度在长时间、高流速的冲刷作用下会产生很大改变。因此，综合考虑外界因素作用，具有良好耐蚀、耐磨性能的硬质合金标准孔板流量计具有更高的测量准确度和使用寿命。

2.2 孔板上游直角入口边缘尖锐度变化的影响

在实际使用过程中，不可避免地会使流量计孔板直角入口边缘变钝，从而形成一个圆弧。符合国家标准GB/T 21446—2008规定的圆弧半径为rk≤0.000 4d。本例中，当d=50 mm时，rk≤0.000 4× 50=0.02 mm，即20 μm时符合标准，而不锈钢流量计出厂时rk=18 μm，硬质合金流量计出厂时rk=5 μm。由此可见，在尚未投入使用时，不锈钢孔板rk已经非常靠近国家标准规定的上限值，而硬质合金孔板rk值远小于该上限值。

然而，用计算机进行仿真时要做到如此高的精度，几何模型的网格要画得非常密集和精细，会导致运算时间增加，对计算机处理能力要求高，难度较大。将两种材质孔板流量计送专业的检测公司进行耐磨性测试，得出硬质合金孔板平均耐磨时间为传统不锈钢孔板的5.7倍。因此，为便于数值模拟，将取整后的比值（5∶1）应用到几何尺寸上，即假定相同时间段内，硬质合金孔板流量计磨损1个单位，则不锈钢孔板流量计磨损5个单位。由此，硬质合金流量计rk值可分别取0、0.1、0.2、0.3 mm，而不锈钢流量计rk值分别取0、0.5、1.0、1.5 mm，介质流动速度取8 m/s，计算结果对比见表3。两种材质孔板流量计流出系数值相对误差对比如图5所示。

表3 两种孔板流量计在不同孔板入口边缘尖锐度下的流出系数值对比

由表3与图5可以得出：

（1）当rk=0时，即不受到磨损时，硬质合金孔板流量计流出系数值与ISO经验公式计算值的相对误差仅为0.78%，结果能够很好吻合，而不锈钢孔板流量计的相对误差为1.32%，该差异说明前者具有更高测量准确度。

（2）当孔板流量计直角入口边缘尖锐度降低后，C值随之增大，流出系数值明显偏离孔板的设计值，测量准确度随之下降，但硬质合金孔板流量计的流出系数值更接近于ISO经验公式计算值，其相对误差均小于不锈钢，这也说明了硬质合金流量计具有更好的使用稳定性与测量可靠性。

图5 不同材质孔板流量计流出系数相对误差对比

2.3 孔板出口端面倾斜角变化对测量准确度的影响

按照国家标准规定，标准孔板流量计出口端面倾角范围应为45°±15°。因此，传统不锈钢孔板通常加工为45°倾斜角。为了研究倾斜角度对测量准确度的影响，针对硬质合金孔板流量计选取了3种设计尺寸：40°、45°和60°，分别进行数值模拟，流出系数计算值见表4。孔板流出系数值随孔板出口端面倾斜角角度的变化情况如图6所示。

表4 硬质合金孔板流量计在不同倾斜角角度下的流出系数值与相对误差

图6 硬质合金流量计不同倾斜角下流出系数值与ISO公式计算值对比

根据表4和图6可以得出：

（1）当倾斜角度大于40°而小于45°时，流出系数呈现出先靠近，然后远离ISO经验公式计算值；而当倾斜角度大于45°而小于60°时，流出系数呈现出先靠近，然后远离ISO经验公式计算值。

（2）流出系数的相对误差变化表明，随着孔板出口端面倾斜角的增加（＞45°），流出系数误差整体上呈现出减小的趋势。从理论上讲，具有良好加工性能的硬质合金孔板流量计能够实现出口端面倾斜角大于45°，使得流出系数值更加接近于ISO经验公式计算值，从而提高测量准确度。

3 结论

针对硬质合金、传统不锈钢孔板流量计，采用数值模拟，对影响测量准确度的三种因素——孔板上游端面粗糙度、直角入口边缘尖锐度和出口端面倾斜角进行了对比分析，确定了二者测量准确度的差异，得出以下结论：

（1）由于硬质合金孔板流量计具有更小的表面粗糙度，所以流出系数值更接近于ISO经验公式的计算值。在实际使用时，流体介质中可能还含有酸性组分、固体颗粒等杂质，孔板的表面粗糙度会随时间发生变化，因此，综合考虑外界因素，具有良好耐腐蚀、耐磨损性能的硬质合金孔板流量计具有更高测量准确度和使用寿命。

（2）随着孔板直角入口边缘尖锐度变小，流出系数相对误差增加，但硬质合金孔板流量计的误差值小于不锈钢，因而前者具有更好的使用稳定性与测量可靠性。

（3）根据孔板出口端面倾斜角与流出系数之间的关系，可得知在标准规定的倾斜角范围内，具有良好加工性能的硬质合金孔板流量计能够实现出口端面倾斜角大于45°，从而提高其测量准确度。

[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]程耕国，程平，李受人．节流管孔流动参数与雷诺数关系的数值研究[J]．计算机工程与设计，2005，26（3）：575-576.

[3]陈家庆，王波，吴波，等．标准孔板流量计内部流场的CFD值模拟[J]．实验流体力学，2008，22（2）：51-55.

[4]李小亭，王小杰，方立德，等．新型内外管差压流量计特性研究[J]．仪器仪表学报，2012，33（10）：2 371-2 379.

[5]魏士平．基于FLUENT的孔板流量计内部瓦斯流场的模拟研究[J]．煤，2013，22（6）：15-17.

（栏目主持 焦晓梅）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.10.033

董静雅：2014年毕业于西南石油大学油气储运工程专业，获硕士学位，现任西南石油大学城市燃气专业助教，主要从事油气储运工程相关方面的理论与技术研究工作。

2015-05-27

基金论文：国家自然科学基金“天然气管道跨越结构清管动力响应实验及理论研究”资助项目（51174172）。

13880417106、1304270150@qq.com