CC BY
453
38 арматура
УДК 621.646
Определение пропускной характеристики задвижки шиберной запорно-регулирующей
И.Р. Чиняев
к.т.н., вице-президент1 ruk mkt@mail.ru
А.В. Фоминых
д.т.н. профессор2, начальник лаборатории1 prof fav@mail.ru
Е.А. Пошивалов
главный конструктор1 poshivalov 79@mail.ru
С.А. Сухов
управляющий механо-сборочным
производством1
ooodok@bk.ru
■ООО НПФ «МКТ-АСДМ», Курган, Россия 2Курганская государственная сельскохозяйственная академия им. Т.С. Мальцева, Курган, Россия
Изложены результаты расчётных и экспериментальных исследований гидравлических характеристик запорно-регулирующей задвижки. Пропускная характеристика определена по результатам замеров на БКНС-20 «С» Туймазинского ТЦППН УПСНГ ООО «башнефть-Добыча» и в лаборатории ООО НПФ
«мкт-асдм».
материалы и методы
На основе уравнения Бернулли разработана методика расчёта гидравлических характеристик задвижек шиберных запорно-регулирующих.
Ключевые слова
задвижка шиберная, расход проводимой среды, гидравлическое сопротивление, перепад давления, потери напора, ход шибера, пропускная характеристика
Вопросы исследования и установления закономерностей движения проводимой среды в шиберных задвижках и взаимодействия проводимой среды с затворным узлом с целью определения рациональных значений конструктивных параметров задвижек для повышения точности регулирования потоков проводимой среды и исключения повреждения затворного узла (шибер и два седла) во всём диапазоне хода шибера являются актуальными. Наличие гидравлических характеристик в паспорте трубопроводной арматуры повышает её конкурентную способность.
На основании анализа износа задвижек, бывших в эксплуатации, и проведённых расчётных исследований движения проводимой среды в шиберных задвижках предложена схема запорно-регулирующей задвижки, в которой пространство под шибером заполнено деталью, названной стабилизатором [1].
Определим коэффициент сопротивления задвижки [2, 3]:
где ¡4 /5=/(к), отношение площади проходного сечения задвижки к площади узкого сечения проточной части, является функцией величины подъёма шибера;
Свх — коэффициент гидравлического сопротивления входа в зазор между седлом и шибером.
Среднее значение коэффициента сжатия струи £ при несовершенном сжатии зависит от отношения площади проходного сечения задвижки к площади узкого сечения проточной части и может быть определено по формуле [4]:
£=057+^043/(1,1-^/5;). (2)
Значения коэффициента расхода ц в зоне турбулентной автомодельности можно определить расчётным путём:
(3)
Расход через задвижку О, м3/с, определяется:
(4)
где АР, Па — перепад давления на задвижке.
Пропускная характеристика задвижки
Ку, м3/ч, определяется: _
АЧ'=3600-ц-5п/2.ДЯ/р, (5)
где АР=0,1 МПа — перепад давления на задвижке; р = 1000 кг/м3 плотность проводимой среды.
Гидравлические характеристики задвижки и как результат пропускная способность
задвижки рассчитаны для 18 положений шибера. В диапазоне к от 0,10 до 0,20 с интервалом 0,01, в диапазоне И от 0,20 до 1,0 с интервалом 0,1. На рис. 1 показаны положения шибера с шестого по одиннадцатое.
Расчётные значения, по формулам 1...5, параметров задвижки запорно-регулирую-щей МКТ1М50/16 в зависимости от хода шибера, отнесённые к скорости потока в сечении с номинальным диаметром ЭЫ = 150 мм, приведены в таб. 1.
При к = 0,10 проходное сечение полностью закрыто шибером. Начало дросселирования при ходе шибера к = 0,11, что составляет 16 мм от крайнего нижнего положения шибера. При ходе шибера к = 0,1546, или 22,5 мм, стабилизатор полностью поднят, далее шибер перемещается без стабилизатора.
Задвижка запорно-регулирующая
М1Ш-150/16 установлена на БКНС-20 «С» Туймазинского ТЦППН УПСНГ ООО «Башнефть-Добыча». Сотрудники этого предприятия предоставили схему трубопровода, в котором установлена задвижка, и результаты замеров давления и расхода воды во всём диапазоне хода шибера, зафиксированные с июля по сентябрь 2014 г. Манометры установлены за 36 м до задвижки и 5 м после задвижки. В каждом из 18 положении шибера давление и расход зафиксированы от пяти до двадцати раз. Все результаты экспериментов обработаны в соответствии с ГОСТ Р 55508-2013 [5].
В диапазоне хода шибера к от 0,30 до 1,0 расход Q увеличивается с 74,5 до 80,0 м3/ч, на 6,9%. В диапазоне хода шибера к более 0,60 показания манометров до задвижки и после равны между собой и составляют 10,2 МПа. Поэтому пропускная характеристика действительная определена до к = 0,60.
Вследствие соизмеримости величин коэффициентов сопротивления задвижки и участка трубопровода, на котором установлена задвижка, между местами отбора давления, величину коэффициента сопротивления и величину пропускной способности при полном открытии рассматриваемой задвижки следует уточнить [5]. Определить относительную шероховатость участка трубопровода и определить коэффициент сопротивления системы, включающей задвижку и участок трубопровода БКНС-20 между местами отбора
При ходе 22,5 мм шибер расстается со стабилизатором
Поля открытия й® Пат отрытоя 0.17 Поля открытия 0.18 Доля открытия 0,19 Поля открыта 0.2 Пая открытия 0.3
Рис. 1 — Положения шибера с шестого по одиннадцатое
давления, с точки зрения «Башнефть-Добы-ча», невозможно.
Число Рейнольдса определяется:
Яе, =4-2/(71-у-£>Л0, (6)
где V - кинематическая вязкость жидкости, м2/с; ЭЫ - номинальный диаметр, м.
Потери давления в трубопроводе рассчитываются по формуле:
Л=М-р-04//>2-,^ (7)
где X = 0,04 — коэффициент сопротивления трения; д — экспериментальное значение расхода жидкости, м3/с;
Ь — длина трубопровода между местами отбора давления, м;
D и S — диаметр и площадь трубы, м и м2.
Пропускная характеристика рассчитывается по формуле:
К» =ЗЛ-104-О'1/р/(ДР-Р/), (8)
где АР — перепад давления по показаниям манометров, Па.
В соответствии с ГОСТ Р 55508-2013 определены гидравлические характеристики задвижки запорно-регулирующей М1Ш-150/16 в лаборатории ООО НПФ «МКТ-АСДМ». Оборудование лаборатории позволяет проводить исследования при давлениях до 30,0 МПа. Гидравлические характеристики задвижки определены до к = 0,40.
Пропускная характеристика действительная определена по результатам замеров на БКНС-20 «С» Туймазинского ТЦППН УПСНГ ООО «Башнефть-Добыча». Результаты расчётных и экспериментальных исследований представлены на рис. 2.
При положении шибера И>0,3 результаты расчёта и экспериментов расходятся. При к = 0,6 расчётное значение больше экспериментального на 32%. Это можно объяснить не достаточно точным отражением уравнениями (1)...(5) процессов в задвижке. Например, эти уравнения не учитывают изменения сечения по длине корпуса задвижки; или расчёт коэффициента сжатия струи е по формуле (2) при несовершенном сжатии не точно отражает течение через отверстие между седлом и шибером. Использование в формуле (2) вместо значения первого слагаемого 0,57 значения 0,45: е=0,45 + 0,043/(1,1-;%/ 5,). (9)
позволяет получить хорошую сходимость результатов расчёта с экспериментами и экстраполировать пропускную характеристику до к = 1,0, рис. 3.
Положение шибера ход шибера ^ мм ход относит. h/hmax Пл. проход. сечения, 10-6 м2 Коэф. сжатия струи £ Коэф. сопр-я С, Коэф. расхода Ц Пропускная характ. гКу м3/ч
1 16,0 0,11 4,55 0,609 1.7-106 7.8-10-4 0,691
2 17,46 0,12 27,55 0.609 1.7-106 7.8-10-4 0,691
3 18,92 0,13 102,3 0.609 1.2105 2.9-10-3 2,573
4 20,37 0,14 214,3 0.61 2.7-104 6.1-10-3 5,408
5 21,83 0,15 313,9 0.61 1.3-104 8.9-10-3 7,943
6 23,28 0,16 440,4 0.61 630 0,013 11,19
7 24,74 0,17 622,2 0.61 3100 0,018 15,89
8 26.19 0,18 805,5 0.611 3100 0,023 20,68
9 27,65 0,19 992,4 0,611 1.2-103 0,029 25,62
10 29,1 0,20 1180 0.612 845 0,034 30,63
11 43,6 0,30 3112 0.617 107 0,096 85,72
12 58,2 0,40 5047 0.623 35,5 0,166 148,2
13 72,8 0,50 6912 0.631 15,9 0,243 216,9
14 87,3 0,60 8670 0.641 8,4 0,327 291,0
15 101,9 0,70 10278 0.653 4,8 0,414 368,8
16 116.4 0,80 11691 0.668 3,0 0,502 447,1
17 130,9 0,90 12876 0,686 1,9 0,585 521,6
18 145,5 1,0 13741 0,686 1,3 0,653 582,0
Таб. 1 — Расчётные значения параметров предлагаемой задвижки
Планируется укомплектовать лабораторию ООО НПФ «МКТ-АСДМ» оснасткой и приборами, позволяющими определять гидравлические характеристики трубопроводной арматуры во всём диапазоне хода запирающего элемента.
На ООО НПФ «МКТ-АСДМ» прочностные расчёты и расчёты гидравлических характеристик трубопроводной арматуры выполняются в программном комплексе ДЫБУБ. Пройдя отверстия между шибером и стабилизатором, струи проводимой среды движутся возле нижней стенки корпуса задвижки (рис. 4а).
В районе выходного патрубка струи рассеиваются, образуя вихри. Вихри поднимаются вверх и ударяются о стенку. Часть жидкости возле верхней стенки корпуса течёт к шиберу, опускается вдоль шибера со скоростью один метр в секунду и подхватывается струями. После выходного фланца скорости
по сечению потока выравниваются. На входе в зазор и на выходе из него, тёмные зоны на Рис. 4б позиции 3, зоны низкого давления, в которых возможна кавитация. Можно сделать вывод, что в этих зонах начинается процесс кавитации, но схлопывание пузырьков в серийной клиновой задвижке происходит сразу за клином, а в предлагаемой задвижке — в выходном патрубке в районе фланцев, и это особенно важно в начальной стадии открытия. В зонах кавитации скорость потока составляет 25.26 м/с.
Выполненные расчеты позволили провести следующие изменения в конструкции предлагаемой задвижки: • отказались от замены материалов запорно-регулирующего узла, т.е. для исключения разрушений запорно-регулирующего узла планировалось использовать более прочные, более
ЬЬ Ь, мм
1 — гКу---расчёт по формулам (1)...(5);
2- ЬКч ■ ■ эксперимент в лаборатории ООО НПФ «МКТ-АСДМ»;
3 — Нку----по замерам на БКНС-20 *С» Туймазинского ТЦППН УПСНГ ООО «Башкефть Добыча»
Ку М'/Ч 500
0.1 0.2 0.3 О,А 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
НЬ И. мм
1— гКу--расчёт с использованием формулы (9);
2 — 1Ку ■■■ — эксперимент в лаборатории ООО НПФ аМКТ-АСДМ»;
3 — Нку - - - — по замерам на БКНС-20 «С» Туймазинсного ТЦППН УПСНГ ООО «башнефть-Добыча»
Рис. 2 — Пропускная характеристика задвижки шиберной запорно-регулирующей MKTR-150 в диапазоне до h = 0,60
Рис. 3 — Пропускная характеристика задвижки шиберной запорно-регулирующей MKTR-150
ANSYS
39 BIS
шибер
»J»« стабилизатор
ANSYS
Pressure [Cortow I)
а — эпюра скоростей
б — эпюра давлений
Рис. 4 — Эпюры скоростей и давлений в задвижке при ходе шибера h = 0,15
дорогие материалы и покрытия; • увеличили толщину выходного патрубка, в месте, где происходит схлопывание пузырьков.
Итоги
Приведены методика расчёта, расчётные и экспериментальные значения гидравлических характеристик задвижки шиберной запорно-регулирующей при восемнадцати положениях шибера. Полученные характеристики задвижки могут быть включены в её паспорт.
Выводы
1. Полученные формулы могут использоваться для расчёта гидравлических характеристик задвижек шиберных запор-но-регулирующих, в том числе на стадии
проектирования.
2. Расчёты в ДЫБУБ позволяют визуализировать движение проводимой среды в задвижке и согласуются с результатами расчётов по полученным формулам и с результатами экспериментов.
3. Необходимо провести дальнейшие экспериментальные исследования гидравлических и кавитационных характеристик в диапазоне до полного открытия задвижки.
Список используемой литературы
1. Заславский Г.А., Рязанов В.А., Чиняев И.Р., Шанаурин А.Л. Патент на изобретение №2464470 РФ, МПК И6К 3/12 (2006/01); И6К 3/32 (2006/01). Запорно-регулирующая задвижка. Заявлено
29.06.2010; опубликовано 20.10.2012. Бюл.№29.
2. Чиняев И.Р., Фоминых А.В., Сухов С.А. Повышение надёжности и эффективности работы шиберной запорно-регулирующей задвижки // Экспозиция Нефть Газ. 2013. №3. С. 80-82.
3. Чиняев И.Р., Фоминых А.В. Ерошкин В.С., Кавитация в шиберных задвижках // Территория нефтегаз. 2013. № 5. С. 48-49.
4. Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б., и др. Гидравлика гидромашины и гидроприводы. М.: Машиностроение, 1982. 423 с.
5. ГОСТ Р 55508-2013 Арматура трубопроводная. Методика экспериментального определения гидравлических и кавитационных характеристик.
ENGLISH
VALVES
The throughput ability of shutoff and control valves
Authors:
Il'giz R. Chinjaev — Ph.D., vice-president1; ruk mkt@mail.ru
Aleksandr V. Fominykh — Ph.D., professor2, head of laboratory1; prof fav@mail.ru
Egor A. Poshicalov — chief designer1; poshivalov 79@mail.ru
Stanislav A. Sukhov — manager of mechanical assembly production1; ooodok@bk.ru
1"MKT-ACDM" SPC, LLC, Kurgan, Russian Federation
2Kurgan Agricultural Academy of T.S. Mal'cev, Kurgan, Russian Federation
UDC 621.646
Abstract
Calculations and experimental research of hydraulic properties of shutoff and control valve are presented. The throughput ability was defined based on test value at modular cluster pump station which is facility of "Bashneft-Dobycha" and in laboratory of MKT-ACDM.
Materials and methods
Method of calculation of hydraulic properties of shutoff and control valves based on Bernoulli's equation.
Results
Calculation method, calculation and experimental value of hydraulic properties of shutoff and control valve on eighteen gate position are presented. Obtained properties of gate could be include in it's datasheet.
Conclusions
1. Obtained formulas could be used to calculation hydraulic properties of shutoff and control valves including design stage.
2. Calculations in ANSYS allow to visualize
flow motion in valve and it confirm formula's calculation results and outcome of experiment. 3. It is necessary to conduct further experimental research of hydraulic and cavitation properties to full opened valve position.
Keywords
gate valve, flow resistance, differential pressure, pressure loss, a course of a gate, throughput ability
References
1. Zaslavskij G.A., Rjazanov V.A., Chinjaev I.R , Shanaurin A.L. Patent for invention № 2464470 of the Russian Federation, MPK F16K 3/12 (2006/01); F16K 3/32 (2006/01). Stop-control gate valve. Declared 29.06.2010, published 20.10.2012, Bul. issue 29.
2. Chinjaev I.R., Fominykh A.V., Sukhov S.A.
Povyshenie nadezhnosti i effektivnosti raboty shibernoy zaporno-reguliruyushchey zadvizhki [Increase of reliability and overall performance of a stop-control gate valve]. Exposition Oil Gas, 2013, issue 3, pp. 80-82.
3. Chinyaev I.R., Fominykh A.V. Eroshkin V.S., Kavitatsiya vshibernykh zadvizhkakh [Cavitation in gate valves]. Territoriya
neftegaz, 2013, Issue 5, pp.48-49.
4. Bashta T.M., Rudnev S.S., Nekrasov B.B., i dr. Gidravlika gidromashiny igidroprivody [Hydraulic of hydraulic machine and hydraulic gear]. Moscow: Mashinostroenie, 1982, 423 p.
5. GOST 55508-2013 Pipeline valves. Technique of the experimental definitions hydraulic and cavitation characteristics.
