阀门的流量试验与分析

李军业

(中核苏阀科技实业股份有限公司,江苏苏州215001)

摘要 介绍了阀门流量试验的方法和标准,分析了影响流量试验结果的各种因素如雷诺数等。

关键词 阀门;流量;试验;标准

中图分类号:TH134    文献标识码:A

1 概述

阀门的流量系数是衡量阀门流通能力的指标,流量系数值大,说明阀门的流通能力大,流体流过阀门时的压力损失小。在用试验进行阀门流量系数的测试时,由于测量装置和方法的不同,会使试验结果相差很大。因此测定压降差时,应考虑取压点的位置、阀门前后的配管状况、流体的雷诺数和可压缩气体的马赫数等因素的影响。本文论述按JB/T5296-91进行流量试验时要注意的事项,并与BSEN1267 -1999进行比较,以实例说明雷诺数对阀门流量试验结果的影响。由于国内流量试验装置的限制,现在只能进行DN600以下阀门的流量试验,更大口径的阀门可以采用空气进行试验,本文不讨论。

2 试验

2.1 试验系统

流量试验系统(图1)由流量计、温度计、节流阀、试验阀和压差测量装置等组成。系统中上游节流阀用来控制试验段的入口压力,其与下游节流阀一起用来控制取压口之间的压差,并使下游压力保持稳定,下游节流阀的公称尺寸可大于试验阀门的公称尺寸,以确保产生阻塞流时,阻塞流是发生在试验阀内。

图1 流量试验系统

2.2 试验方法

JB/T5296中没有说明这种试验方法的适用性。BSEN1267中明确提出,这种试验方法不适用于流阻系数ξ<0.1的阀门的测试,此时通过试验阀产生的压力降要比通过试验管道段产生的压力降小很多,无法准确地进行测量。因此,对于球阀、闸阀等流阻较小的阀门流量试验,要注意其试验方法的适用性。流阻系数ξ为

式中 Δp———阀门产生的压降, MPa

ρ———流体密度, kg/m3

u———流体的平均流速, m/s

2.3 试验阀门安装

试验阀前后的连接管道内径应与试验阀的内径相一致,管道中心线与试验阀中心线应同轴,密封垫片安装后应不突出于管道内。试验管道应是直的,内表面应清洁。取压孔和节流阀的位置按图1应满足L1、L3和L4≥10D(D为管道直径), L2≥5D(BSEN1267中规定, L1和L3≥10D, L2和L4≥2D)。

试验阀门安装时有两点需要注意。

(1)试验管道内径 试验室的标准试验管道内径一般是采用公称通径,因此在阀门流道内径不是公称通径的情况下(特别是高压阀门通常是缩径)直接安装试验阀门进行试验,由于内径的差异,会对试验结果有很大的影响。此时需要制作与阀门内径相一致的试验管道段,以确保试验结果的准确。

(2)试验管道内表面清洁度 有的试验装置采用碳钢管道,其内表面在反复的试验中,锈蚀非常严重,锈蚀结垢越结越厚,而且没有定时测量试验管道段的流量与压降的关系,在评估试验阀门产生的压力降时也没有减去试验管道段的压力降,因此会对试验结果产生严重的影响。

2.4 取压孔

取压孔中心线应与管道轴心线垂直,应处于水平位置,以避免空气或灰尘的积聚。截面应当是圆形的,其边缘应光滑,成锐角或微带圆角、无毛刺,不形成线状边缘或其他不规则形状,孔的边缘不应突出管内壁。其孔径≤0.1D但不得小于1mm,最大≤12 mm。BSEN1267对取压孔的内径规定的较详细, DN<20时为1.5～2mm, DN20～50时为2～3mm, DN>50时为3～5mm。阀门前、后取压孔的尺寸要一致。连接压差测量装置的管件横截面积不小于取压孔面积的1 /2。BSEN1267规定,连接压差测量装置的管件内径应至少为取压孔直径的2

倍。

2.5 测量数据

JB/T5296没有对测量中的数据的波动进行规定,而BSEN1267规定了压差、流量、压力波动的范围(表1、表2)。实际经验表明,测量数据的波动范围在很多情况下有可能超过表1和表2中规定范围,这时最终试验结果会受到较大的影响。BSEN1267进一步提出如果读数显示更大范围的波动,可借助阻尼设备进行测量。同时BSEN1267进一步明确了稳态的定义以及规定了允许的非稳态状态。

表1 压差波动

表2 流量和压力波动

2.6 试验阀压降

试验阀的压力损失△P等于压差测量装置测得的总压力损失△P1值减去对应流量下的管道压力损失△P2。管道的压力损失可以采用下述方法之一测量。

(1)从试验系统中把试验阀拆掉,将管道直接相连(或用不会产生明显压力损失的接管把管道连接),单独测量管道的压力损失△p2值。

(2)通过试验预先确定试验管道段的流量与压力降之间的关系,且要定时重新测量二者之间的关系,特别是当内表面状况发生变化时如锈蚀等。

JB5296提出,可以用公式计算来代替试验,得出试验管道段的压力降△p2值。

BSEN 1267提出,可以用其他的方法确定试验管道段的压力降,但仅限于流阻系数ξ高的阀门,但标准中没有明确给出ξ值。

有的试验室在确定试验阀的压力降时,没有测量或计算试验管道段的压力降并减去它,因此,其测试的流量系数不是试验阀的真实数据,而是比真实数据要小,在管道内表面锈蚀严重的情况下,流量系数比真实数据会小很多,流阻系数由于与流量系数的平方成反比,因此流阻系数比真实数据会大得更多。

2.7 试验次数和流量

当对阀门进行试验以确定紊流状态下的流量系数时, JB5296规定,测定并记录次数不得少于5种流量下的压力损失,这些流量应包括最小流量、最大流量和介于它们之间的均分流量。测量流量应保证产生紊流,但最小雷诺数Re为4×104。BSEN1267规定,至少测试3种流量,分别为最大流量、最小流量和中间流量,其中最小雷诺数的规定与JB5296相同。BSEN1267明确了试验的最大流量的定义为生产厂家规定的操作范围的上限,如果该上限无法通过试验装置达到,试验室应判断试验装置可达到的最大流量是否足以达到使试验结果准确的程度。流量系数Kv为

由于通常情况下不同流量测试的流量系数不同,特别是存在汽化现象时,而JB5296没有对流量系数测试的允许偏差作出规定, BSEN 1267规定了测试的最大流量系数与最小流量系数之间的允许偏差不超过4%。如果二者的差值超过此公差范围可能是由于汽化作用的影响,这样试验要在较高的上游压力下重新进行。如果二者的差值在此公差范围内,则紊流状态下的流量系数就是这三个计算得出的流量系数的平均值。

GB/T4213 -2008《气动调节阀》第6.11节中规定了对于调节阀的流量系数的试验要求,可以参考用于通用阀门的流量试验。

2.8 当量长度L/D

在有的技术规范书(如法国二代加核电站)中规定了各种阀门的当量长度L/D值,其与流阻系数ξ的换算关系为

式中 λ———管道沿程阻力系数

引入当量长度L/D简化了管道设计和计算,但将阀门的流阻系数转化为当量长度L/D时,要用到管道沿程阻力系数λ。要确定λ是一件非常复杂的事情,它与管道系统密切相关。由于通常压力管道中流体是紊流状态,随雷诺数增加而不同,紊流沿程阻力系数远比层流复杂,至今尚是难点。因此,建议技术规范书中规定流阻系数或流量系数,以适宜操作。