用于SIS系统的限流孔板的设计和计算

吴啸天

(南京苏夏工程设计有限公司，江苏 南京 210036)

在石油化工行业中，安全阀作为非常重要的独立物理保护层应用在压力容器或压力管道中，所以操作环境对安全阀的可靠性非常关键。石油化工企业的工艺安全部门一般会有安全审查的活动，采用HAZOP分析或风险矩阵等方法对安全阀进行风险评估，在安全阀动作时流入的流量应小于安全阀额定的排放量，工厂通常采用限流孔板来限制流量，这种限流孔板要求具有安全仪表功能(SIF)，其SIL等级通常为SIL 2或SIL 3。这种做法已经在某跨国化工公司的安全仪表系统(SIS)规范里已作出规定，并已在其全球的工厂里广泛应用。本文将对用于这种场所的限流孔板的设计和计算做详细介绍。

1 限流方法的选择

图1 限制流量的几种方法

工业中常用的限流方法如图1所示。最简单的做法就是缩径来实现限流，如图1中的方法1，图1中方法2采用了限流孔板，方法3采用了控制阀限流，该方法中，控制阀同时执行限流和控制两种功能。在实践中，经常使用控制阀和限流孔板的组合，如图1中的方法4，其中限流孔板执行限流功能，控制阀只执行控制功能。限流元件可以安装在阀门的上游或下游。

方法1中，与安全阀组合的管道缩径，或方法2，方法4中限流孔板构成了不同的物理保护层，这时，需要有专人来承担设计验证的责任。

从工艺安全的角度，高温高压设备如压力容器等的设计需要考虑很多因素，安全阀的选用也是压力容器的必选项，在设计安全阀时，限流孔板或控制阀等仪表设备应考虑作为安全仪表系统(SIS)的一部分来限制流量。

图1中的4种方法，采用限流孔板的方案是首选，因为孔板易于检查，而且其安全功能独立于控制功能，但孔板必须符合ISO 5167或GB/T 2624要求的精准外形，因为本质上需要孔板外形来确保恒定限流。

在下列工况下控制阀可能被选择作为限流元件(但需要考虑特殊情况)： 具有腐蚀性和磨损性强的流体会导致孔板因为损坏而无法保证起到限流作用的场合，这种情况必须通过失效模式和影响分析(FMEA)来评估后，采用控制阀作为限流元件；当阀芯出现问题不起作用时，可以设计成通过阀座来限制流量，这样即使在发生重大磨损时，也可以确保SIF；在操作工况下，需要将压降降至最低的场合；有足够的差压缓冲以便控制阀进行控制的场合。

2 为配合安全阀而限流的设计流程

安全阀的设计通常在初步设计阶段进行，如何确定合适的限流方式，设计流程如图2所示。

图2 为配合安全阀而限流的设计流程示意

从图2的流程中可以看出，和常规的限流或限压孔板设计不同之处是： 常规的限流或限压孔板只要计算出操作工况下的孔径即可，而用于SIS的限流孔板，则除了计算操作工况下的孔径外(操作性)，同时还需确定在最大可能压差下流过的最大流量(安全性)作为安全阀的设计输入。本文中着重讨论采用限流孔板来限制流量的方法。

3 限流孔板的设计原则

3.1 要 求

当限流孔板作为SIS元件，限流孔板的设计和制造应选用有资质的制造厂，且只可用在单相流里以保证其精度。应确保其物理尺寸和流出系数符合ISO 5167： 2016Measurementoffluidflowbymeansofpressuredifferentialdevicesinsertedincircularcross-sectionconduitsrunningfull或GB/T 2624—2006《用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量》的要求。孔板应是锐边，在上游侧有一个薄的圆柱形孔，在下游侧是一个斜面。部件的材料应至少为316不锈钢。如果流体的性质要求采用较高的合金或其他材料，应当符合管道规范、工艺设计条件以及管道要求。

测量表明，不符合ISO 5167或GB/T 2624标准几何形状的孔板会导致流量大幅超过最大允许值，高达10%以上。如果采用整体圆柱孔(没有倒角)的孔板来作为SIS元件，则必须对这种不确定性进行危害评估。

限流孔板的公差应为负公差。

3.2 计 算

限流孔板计算的最低要求如下： 必须符合ISO 5167或GB/T 2624的原则和技术规范，前后直管段除外。计算结果只适用于没有相变的单相流。高压、高压差、柱塞流等极端工况下，应按照最保守的结果进行制造。

实验表明，实际测量的流量与不同计算工具计算结果的差异可达10%。从安全操作限制角度考虑，在孔板设计过程中必须考虑到该部分差异，限流孔板的β值通常应在0.2～0.7，限流孔板孔径的计算应精确到0.1 mm，供应商应提供最终的计算书。

4 限流孔板的测试

限流孔板的检验与测试应按照相关检验和测试规范要求执行。在设备投入运行之前，限流孔板应与安全阀一起进行检查。投入运营后的限流孔板要定期验证，测试的范围、模式和间隔必须根据风险分析与资产经理一起定义，并记录在测试表中。

5 SIS用限流孔板设计计算示例

为了便于理解，现在根据三种典型的介质： 蒸汽，气体和液体，限流孔板的操作性计算和安全性计算见表1所列。

表1 SIS用限流孔板计算示例

从安全性计算结果看，在最大压差下流过的最大可能质量流量要远大于正常操作工况下的流量，所以安全阀的设计必须要满足这样的流量。

6 结束语

常规的SIS回路一般由传感器、逻辑运算器及最终元件组成。限流孔板单独构成SIS的应用在流程工业里并不多见。本文通过对安全阀前限流孔板作为SIS元件的事例的描述，为SIS构成的多样性提供了一个独特的应用方向。同时，安全阀作为流程工业中一种非常重要的独立物理保护层，本文对设计安全阀时，如何确定其最大流量也具有借鉴作用。