限流孔板在液相管路中的應用探討

劉恒寧

（中石化寧波工程有限公司，浙江寧波315103）

限流孔板由于具有結構簡單、易加工、制造成本低、安裝方便等優(yōu)點，在滿足工藝要求的前提下，使用限流孔板代替調節(jié)閥來限定流量或降低壓力，會大幅降低投資和操作維修費用，因而被廣泛地應用于工藝裝置各個場合，如需要降壓的地方、需要減小噪音地方、利用節(jié)流阻力的緩沖效果需減小振動的地方、需要降壓以減少調節(jié)閥磨損的地方、為防止壓降較大的調節(jié)閥旁路球閥泄壓過快需保證安全操作的地方[1]等。限流孔板通常安裝在管道上，當流體在管道前后的壓差較大時，內部的孔板縮徑造成的局部阻力，使流體能量損耗，壓力降低，在熱力學上稱為“節(jié)流現象”。

根據管道的壓力不同、介質特性不同，有時采用單級孔板，有時采用多級孔板，有時又與調節(jié)閥相結合使用。不管哪種方式，工程設計時都必須經過合理計算，否則可能導致汽蝕，嚴重時會影響設備及管道的安全運行。但現有設計規(guī)定中，對汽蝕問題，并無特別說明。本文以現場某裝置為例，引入阻塞壓差值作為判斷汽蝕是否發(fā)生為依據，對孔板進行單板驗證及多級孔板選型計算、分析。

1 限流孔板工作原理和分類

限流孔板可以作為流量測量元件用來測量流量，也可以作為節(jié)流元件用來限定流量和降低壓力。當孔板前后存在一定壓差，流體流經孔板，對于一定的孔徑，流經孔板的流量隨著壓差增大而增大。但當壓差超過臨界壓差時，流體通過孔板縮孔處的流速達到音速，這時無論壓差如何增加，只要孔板上游的壓力保持一定，流經孔板的流量將維持在一定數值而不再增加。限流孔板就是根據該原理來限定流體的流量和降低壓力的。

限流孔板按開孔數量分為單孔板和多孔板，按孔板數量可分為單級和多級，多級孔板示意如圖1所示。

圖1 多級孔板示意

2 汽蝕原理和阻塞流定義

當流體經過孔板以后，由于慣性作用，流動截面會繼續(xù)減小，流速增大。截面最小處被稱為縮流脈。根據伯努利方程和流體連續(xù)方程可知，縮流脈處流體流速最高，即動能最大，靜壓頭最小。

若此時最小靜壓頭pVC低于該流體的飽和蒸汽壓pV，部分流體會氣化形成氣泡，與液體同時流動。隨著截留面積慢慢地擴大，流速減小，部分能量轉化為內能，壓力升高，逐漸高于pV，氣泡將迅速凝結破裂。氣泡破裂的瞬間，在氣泡原來占有的空間就形成具有高真空的空穴，液體在高壓差的作用下，以極高的速度流向空穴，形成有沖擊力的微噴射流和壓力波，由于氣泡中的氣體和蒸汽來不及在瞬間全部溶解和凝結，因而在沖擊力的作用下又分成小氣泡，再被高壓力的流體壓縮、凝結、破裂，循環(huán)往復，這種氣泡產生和破裂的全過程稱為空化[2]。氣泡破裂時壓強極高，且所釋放的熱量，使液體中的溶解氧逸出，對管道及孔板產生化學腐蝕。在垂直和水平方向還會產生劇烈的振動，而且氣泡破裂時產生巨大的噪音。

當不可壓縮流體或可壓縮流體保持入口壓力不變，經過節(jié)流孔縮流截面后，達到臨界壓力，此后無論壓力如何增大，流出流量不變，這個極限流量即為阻塞流。阻塞流現象發(fā)生時，定義阻塞壓差Δpm為孔板前壓力與縮流脈處的壓力差。當Δpm小于流體pV，則會產生氣液兩相，發(fā)生汽蝕現象。

因此，要從根本上避免汽蝕現象的發(fā)生，就要控制節(jié)流孔板縮流截面處的壓力，使其大于流體pV，當節(jié)流孔前后壓差較大時，一級節(jié)流孔無法滿足該條件，可使用多級節(jié)流孔設計，確保流體經過每一個孔板縮流截面的壓力大于其飽和蒸汽壓[3]。

3 限流孔板的計算選型實例

限流孔板的孔徑和厚度為其最主要的2個參數，厚度對壓降影響不大。對于液體管道上限流孔板的孔徑計算，HG/T 20570.15—1995《工藝系統工程設計技術規(guī)定》[4]中所給出公式與《石油化工自動控制設計手冊》（第3版）略有差異，而這2個公式都未能對如何避免限流孔板后產生汽蝕問題有所說明。本文以現場某裝置為實例，對該問題進行計算和分析。

某脫鹽水泵的回流管線采用限流孔板降壓，介質為脫鹽水，流量為40 m3/h，降壓前壓力為1.7 MPa，板后壓力為常壓，管道內徑為102 mm，操作溫度為45℃。開車運行后管線噪音較大，振動強烈。該限流孔板前后未設置其他的節(jié)流減壓設施。

3.1 孔板計算

1)根據HG/T 20570.15—1995規(guī)范中流量公式計算孔徑。根據規(guī)定，當液體壓降不大于2.5 MPa時，選擇單孔限流孔板；當管道公稱直徑不大于DN150時，通常采用單孔孔板[4]。

式中：qV——工作狀態(tài)下體積流量，m3/h；C——孔板流量系數，根據HG/T 20570.15—1995規(guī)范中查圖獲得[4]；d孔——孔板孔徑，mm；Δp——通過孔板壓降，Pa；d——操作狀態(tài)下的相對密度。

孔徑計算：

根據Re值，查圖讀取C值，求得d孔。

2)根據《石油化工自動控制設計手冊》流量公式，計算孔徑。

式中：ε——可膨脹性系數，液體為1；β——孔徑比d孔/D；ρ——操作狀態(tài)下的介質密度，kg/m3。

將d孔=βD 代入式（3），得：

A2為已知量組合的不變量，由式（4）可得：

經迭代試差法計算后，求得d孔。

3)計算結果比較。式（1）與式（3）計算結果比較見表1所列，其中qV為軟件PIPEPHASE核算結果。

表1 計算孔徑值比較

由表1可見，兩公式計算結果基本一致，精度差別極其微小，該處對限流孔板的精度要求不高，根據計算結果，限流孔板孔徑取20 mm即能滿足工藝要求。

3.2 選型分析

根據HG/T 20570.15—1995規(guī)范，管內介質壓降Δp為1.7 MPa，小于規(guī)定的2.5 MPa，選用單板孔板即可，并未對孔板是否會產生汽蝕有所說明。然而在實際的生產過程中，該限流孔板后的管線噪音較大，振動強烈。由于該限流孔板前后未設置其他的節(jié)流減壓設施，經工藝和配管分析，其主要的原因可能是脫鹽水經過限流孔板降壓后壓力降至pV，發(fā)生閃蒸，而后壓力隨管徑增大而慢慢恢復，氣泡破裂發(fā)出較大聲音，氣泡中的氣體射流對管線造成撞擊，產生汽蝕現象，因而需要減小孔板縮脈處的壓降以避免汽蝕發(fā)生。對于大壓降的孔板來說，可選用多級孔板，并控制每塊孔板后壓力大于介質的飽和蒸汽壓。

由Δpm定義可知，汽蝕是否發(fā)生可通過Δpm來判斷。Δpm的計算公式如下：

式中：p1——入口壓力，Pa；pV1——操作溫度時氣化壓力，Pa；pV2——設計溫度時氣化壓力，Pa；pc——臨界壓力，Pa，水的臨界壓力為22.115 MPa。

當Δpm＜Δp時，就會發(fā)生汽蝕現象?？梢愿鶕剑?）來對限流孔板進行選型，此時需要采用多級孔板，這和《工藝系統工程設計技術規(guī)定》中選用單板孔板有沖突。在該實例中，計算出限流孔板的Δpm為1.44 MPa，小于Δp=1.7 MPa，應采用多級孔板。

多級孔板每板壓降一般呈級數遞減，即：

根據式（7），式（8）計算確定多級孔板每級壓降大小，進而由式（6）計算得到Δpm。

選用二級孔板，計算Δpm值，進行驗算：Δp1=1.13 MPa，Δp2=0.57 MPa，則：Δpm1=1.44 MPa＞Δp1，Δpm2=0.521 MPa＜Δp2。第二級孔板仍然會發(fā)生汽蝕的情況，可見選用二級孔板不合適，則需要再增加1塊孔板。

選用三級孔板，計算Δpm值，進行驗算：Δp1=0.97 MPa，Δp2=0.5 MPa，Δp3=0.23 MPa，則：Δpm1=1.44 MPa＞Δp1，Δpm2=0.65 MPa＞Δp2，Δpm3=0.25 MPa＞Δp3。以上結果滿足不產生汽蝕的條件，三級孔板計算結果見表2所列。

表2 三級孔板計算數據

4 改造后運行情況

利用裝置停工檢修時機，將原單級孔板拆除，更換為三級單孔限流孔板，孔徑分別為φ22，φ25，φ32。開車投用后，明顯看到，管路運行平穩(wěn)，振動和噪音大幅降低，改造達到預期效果。

5 結 論

由上述實例可知，位于液相管路上的限流孔板，在計算選型中，首先要考慮防止汽蝕發(fā)生，以保護管線，減少沖擊腐蝕并保證生產安全。常用的《工藝系統工程設計技術規(guī)定》及《石油化工自動控制設計手冊》雖未對汽蝕情況如何判斷作出說明，但引入閥門中阻塞壓差的概念和計算方法，比較阻塞壓差值與孔板前后壓差大小，可以判斷是否有汽蝕發(fā)生，即當孔板壓降小于阻塞壓差時，流體經過孔板后不產生汽蝕現象。對于壓降較大的單板孔板來說，可根據以上判定法則來判斷汽蝕現象是否會發(fā)生，如果判定已產生汽蝕，則可選用多級孔板，級數需逐板進行驗算、判斷后方可確定。