image

Территория Нефтегаз № 7-8 2016

Трубопроводная арматура

01.7-8.2016 10:00 Опыт использования ГОСТ Р 55508-2013 при определении гидравлических и кавитационных характеристик запорно-регулирующего клапана клеточного

Обоснована актуальность исследования и установления закономерностей движения проводимой среды в запорно-регулирующих клапанах. Наличие экспериментальных гидравлических и кавитационных характеристик в паспорте на трубопроводную арматуру повышает ее потребительские свойства. Представлены схема и характеристика гидравлического стенда в лаборатории ООО НПФ «МКТ-АСДМ». Оборудование лаборатории позволяет проводить исследования при расходах до 75 м3/ч и давлении до 3,2 МПа при использовании центробежных насосов и до 30,0 МПа при использовании плунжерного насоса. Получена линейная пропускная характеристика клеточного клапана с условной пропускной способностью Кvy=32 м3/ч. Расчетная и действительная (экспериментальная) пропускные характеристики совпадают.

Проанализированы методики определения кавитационных характеристик трубопроводной арматуры. В РМ4-163-77 изложены пояснения к кавитационным характеристикам трубопроводной арматуры, показан график зависимости объемного расхода жидкости через регулирующий орган от квадратичного корня из перепада давления. График разбит на области, в каждой из которых справедлива своя зависимость между расходом и перепадом давления и показано отклонение этой зависимости от линейной зависимости. При анализе методики и графика возникли вопросы: нет пояснений, в каких диапазонах изменять значения давлений до и после регулирующего органа и как значения этих давлений повлияют на пропускную характеристику и значение коэффициента кавитации Кс трубопроводной арматуры; не указано, изменяется или остается постоянным и как поддерживается значение давления Р1 при увеличении перепада давления на регулирующем органе за счет уменьшения давления Р2; не указано, при каком значении Р1 получена характеристика расхода жидкости в зависимости от квадратного корня из перепада давления Q=f(√ΔP); при испытаниях на воде области V, видимо, не существует, поскольку дальнейшего, после области IV, увеличения ΔP за счет уменьшения Р2 нет. Аналогичные графики приведены в РТМ 108.711.02-79 и в СТ ЦКБА 029-2006. Методики определения критериев кавитации и критического расхода регулирующей арматуры в СТ ЦКБА 029-2006 и ГОСТ Р 55508-2013 одинаковые.

При экспериментальном определении по ГОСТ Р 55508-2013 кавитационных характеристик клапана клеточного в лаборатории ООО НПФ «МКТ-АСДМ» выполнено 189 замеров при подаче воды на плунжер и 48 замеров при подаче воды под плунжер. При этом число Рейнольдса изменялось от 10 тыс. до 500 тыс. Кавитационные характеристики определялись при минимально возможном значении давления Р2, равном 124 630–202 650 Па (абсолютное). Перепад давления ∆P увеличивается за счет увеличения давления Р1. По методике ГОСТ Р 55508-2013 не удалось определить начало отклонения расходной характеристики от линейной зависимости во всем диапазоне хода плунжера и не удалось определить значение коэффициента кавитации. При этом через прозрачное стекло в трубопроводе после клапана наблюдалось течение двухфазной жидкости (пузыри газа и жидкость). Необходимо совершенствование методики определения кавитационных характеристик регулирующей арматуры, приведенной в ГОСТ Р 55508-2013.

Ключевые слова: расход проводимой среды, перепад давления, ход плунжера, пропускная характеристика, кавитационные характеристики.
Ссылка для цитирования: Чиняев И.Р., Фоминых А.В., Пошивалов Е.А., Ильиных Е.А. Опыт использования ГОСТ Р 55508-2013 при определении гидравлических и кавитационных характеристик запорно-регулирующего клапана клеточного // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 7–8. С. 96–100.
Открыть PDF


1.pngВопросы исследования и установления закономерностей движения проводимой среды в запорно-регулирующих клеточных клапанах (далее – клапаны) и взаимодействия жидкости с затворным узлом с целью определения рациональных значений конструктивных параметров деталей проточной части клапанов, для повышения точности регулирования потоков проводимой среды и исключения повреждения от кавитации затворного узла во всем диапазоне хода плунжера являются актуальными. Наличие экспериментальных гидравлических и кавитационных характеристик в паспорте на трубопроводную арматуру повышает ее потребительские свойства.

ГОСТ Р 55508-2013 «Арматура трубопроводная. Методика экспериментального определения гидравлических и кавитационных характеристик» [1] утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 20 августа 2013 г. № 527-ст. Введен впервые. Настоящий стандарт разработан на основе СТ ЦКБА 029-2006 «Арматура трубопроводная. Методика экспериментального определения гидравлических и кавитационных характеристик» [2].

Расчетная пропускная способность клапана Kν, м3/ч при i-м положении плунжера определяется [3, 4]:

 

1.png                         (1)

где μ – расчетные значения коэффициента расхода;

FN – площадь проходного сечения, м2;

ΔP=100 000 Па – перепад давления на клапане;

ρ = 1000 кг/м3 – плотность проводимой среды (вода).

Пропускная способность при i-м положении плунжера определяется [1]:

 

2.png                        (2)

 

где Q – экспериментальное значение расхода жидкости, м3/с;

ΔP – экспериментальное значение перепада давления, Па.

В соответствии с ГОСТ Р 55508-2013, определены гидравлические характеристики клеточного клапана DN50 PN160 в лаборатории ООО НПФ «МКТ-АСДМ» (рис. 1). Оборудование лаборатории позволяет проводить исследования при расходах до 75 м3/ч и давлениях до 3,2 МПа при использовании центробежных насосов и до 30,0 МПа – при использовании плунжерного насоса [3, 4].

2.png3.pngПри проведении экспериментальных исследований из емкости 9 объемом 46 м3,среда (вода) поступает в центробежный насос 1 (ЛМ 80-45/28-С), который подает воду через сетчатый фильтр 2 в основной центробежный насос 3 (ЦНС 38-220). Далее вода по трубопроводу поступает в регулирующую задвижку 4. Изменяя положение регулирующего органа, добиваемся заданного условиями эксперимента давления Р1 до клапана 5. Давление фиксируется манометрами 10 и датчиками давления 11, установленными до и после исследуемого клапана 5. Информация с датчиков 11 передается и записывается в АЦП «Экограф-Т» 12. Пройдя через клапан 5, вода по трубопроводу поступает во вторую регулирующую задвижку 6, где выставляется необходимое после клапана давление Р2. Для визуального контроля процесса кавитации после регулирующей задвижки 6 установлен участок трубопровода с прозрачным стеклом 7. Для фиксации расхода Q воды на обратном трубопроводе гидрокольца установлен электромагнитный расходомер 8 (ЭРСВ-550Ф). Пройдя через расходомер 8, вода по трубопроводу возвращается в емкость 9.

Контролируемые параметры проведения эксперимента: среда – вода; Р1 – абсолютное давление до испытуемого клапана; Р2 – абсолютное давление после испытуемого клапана; Q – объемный расход; τ – время.

Результаты расчетов и экспериментального определения пропускной характеристики Kν клапана [5] представлены на рисунке 2.

Получена линейная пропускная характеристика запорно-регулирующего клеточного клапана DN50 PN160 с условной пропускной способностью Кvy=32 м3/ч. Расчетная и действительная (экспериментальная) пропускные характеристики совпадают.

В РМ4-163-77 изложены пояснения к кавитационным характеристикам трубопроводной арматуры [6]. На странице 14, рисунок 3, показан график зависимости объемного расхода жидкости через регулирующий орган от квадратичного корня из перепада давления. Этот график рассмотрим на рисунке 3. График разбит на области, в каждой из которых справедлива своя зависимость между расходом и перепадом давления.

В РМ4-163-77 [6] на стр. 15 даны пояснения к графику: «При увеличении перепада давления на регулирующем органе ∆Р (уменьшение давления после регулирующего органа Р2) расход Q возрастает, и, как показано на рисунке, поток попадает в область кавитации IV».

ПРИ ЭТОМ ВОЗНИКАЮТ СЛЕДУЮЩИЕ ВОПРОСЫ:

  • нет пояснений, в каких диапазонах изменять значения давлений до и после регулирующего органа и как значения этих давлений повлияют на пропускную характеристику и значение коэффициента кавитации КС трубопроводной арматуры;

  • не указано, как изменяется или остается постоянным и как поддерживается значение давления Р1 при увеличении перепада давления на регулирующем органе за счет уменьшения давления Р2.;

  • не указано, при каком значении Р1 получена характеристика расхода жидкости в зависимости от квадратного корня из перепада давления Q=f(√ΔP).

  • при испытаниях на воде области V, видимо, не существует, так как дальнейшего, после области IV, увеличения ΔP за счет уменьшения Р2 нет. Рассматриваемый график из РМ4-163-77 также приведен в статье А.Ю. Горелова [7] на стр. 55.

Аналогичный график приведен в РТМ 108.711.02-79 [8], однако не изложена методика получения таких зависимостей. Из графика не ясно: давление Р1 увеличивается, но расход остается постоянным? Почему давление Р1 увеличивается именно по такому закону? В СТ ЦКБА 029-2006 приведен аналогичный график и изложена методика экспериментального определения гидравлических и кавитационных характеристик [2]. 

Коэффициент кавитации определяется:

КС=ΔPс/(P1–Pнп),                             (3)

4.png

где ΔPс – перепад давления на клапане, соответствующий началу отклонения расходной характеристики вида Q=f(√ΔP) от линейной зависимости, Па;

Р1 – абсолютное давление до клапана, Па;

Рнп – абсолютное давление насыщенных паров, Па.


Коэффициент критического перепада давления определяется:  

Кm=ΔPm/(P1–rC•PN),                        (4)

где ΔPm – критический перепад давления, соответствующий запиранию расхода, Па;

rC – полуэмпирический коэффициент критического отношения давлений, зависящий от физических свойств среды (воды).

Методики определения критериев кавитации и критического расхода регулирующей арматуры в СТ ЦКБА 029-2006 и ГОСТ Р 55508-2013 одинаковые.

При экспериментальном определении по ГОСТ Р 55508-2013 кавитационных характеристик клапана клеточного в лаборатории ООО НПФ «МКТ-АСДМ» выполнено 189 замеров при подаче воды на плунжер и 48 замеров при подаче воды под плунжер. При этом число Рейнольдса изменялось от 10 тыс. до 500 тыс. Кавитационные характеристики определялись при минимально возможном значении давления Р2, равном 124 630–202 650 Па (абсолютное). Перепад давления ∆P увеличивается за счет увеличения давления Р1. Результаты эксперимента приведены на рисунках 4а и б.

Из рисунка видно, что при всех положениях плунжера отклонения от линейной характеристики нет. По методике ГОСТ Р 55508-2013 не удалось определить начало отклонения расходной характеристики Q=f(√ΔP) от линейной зависимости во всем диапазоне хода плунжера. При этом через прозрачное стекло 7 в трубопроводе после клапана наблюдалось течение двухфазной жидкости (пузыри газа и жидкость).

 

ВЫВОДЫ

  1. По методике ГОСТ Р 55508-2013 не удалось определить начало отклонения расходной характеристики Q=f(√ΔP) от линейной зависимости во всем диапазоне хода плунжера.

  2. Определенная по методике ГОСТ Р 55508-2013 зависимость Q=f(√∆P) – это линия предельного расхода, минимального расхода при развитой кавитации.

  3. При изменении давления Р расход через задвижку Q не может оставаться постоянным или изменяться в диапазоне (Q±ΔQ). Расход изменяется при изменении Р в соответствии с уравнением [3, 4].
    5.png .                                    (5)

  4. Необходимо совершенствование методики определения критериев кавитации и критического расхода регулирующей арматуры, приведенной в ГОСТ Р 55508-2013.



← Назад к списку


im - научные статьи.