CC BY
4Влияние абразивного износа на эксплуатационные свойства сопел Вентури расходомеров
Представлены результаты исследования влияния абразивного износа рабочих поверхностей сопла Вентури на работу датчика расхода переменного перепада давления. Моделирование выполнялось методом конечных элементов с использованием программы Ansys 5.5ED. Получена количественная оценка влияния абразивного износа на изменение коэффициента истечения сопел Вентури. УДК статьи 532.55 (075.8)
В.М. Аристов1
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева (РХТУ имени Д.И. Менделеева), д-р физ.-мат. наук, профессор
Е.П. Аристова2
РХТУ имени Д.И. Менделеева, канд. техн. наук, доцент
А.О. Харитонов3
РХТУ имени Д.И. Менделеева, д-р техн. наук, профессор, alharitonov@yandex.ru
1 заведующий кафедрой, Москва, Россия
2 доцент кафедры, Москва, Россия
3 профессор кафедры, Москва, Россия
Для цитирования: Аристов В.М., Аристова Е.П., Харитонов А.О. Влияние абразивного износа на эксплуатационные свойства сопел Вентури расходомеров // Компетентность / Competency (Russia). — 2022. — № 9-10. DOI: 10.24412/1993-8780-2022-9-26-30
ключевые слова
расходомеры переменного перепада давления, гидродинамические характеристики, абразивный износ рабочих поверхностей
рименение сопел Вентури в качестве сужающего элемента расходомеров переменного перепада давления обладает рядом преимуществ перед другими видами аналогичных устройств. Так, конструкция сопла исключает возникновение упругих деформаций рабочей поверхности под воздействием давления жидкости или газа; даже при длительной эксплуатации не образуется скопление отложений из твердых включений, содержащихся в транспортируемых средах. Сопла Вентури обладают меньшим гидравлическим сопротивлением в сравнении с иными сужающими устройствами, что уменьшает потери мощности на его преодоление транспортируемым потоком. Но наиболее существенным их достоинством является стабильность гидродинамических характеристик датчиков при длительной эксплуатации и резком изменении давления в магистральных трубопроводах.
Актуальность
Однако при всех отмеченных преимуществах сопла Вентури также подвержены влиянию абразивного износа на изменение их гидродинамических характеристик. Изменение формы двухрадиусного сопряжения поверхности торца на входе с внутренней цилиндрической поверхностью горловины и притупление кольцевого ребра от пересечения этой поверхности с конической поверхностью диффузора (рис. 1) являются следствием указанного износа. Последнее вносит свой отрицательный вклад в неопределенность результатов измерений расходомеров переменного перепада давления. Получение количественной оценки влияния изменения формы сопла на его гидродинамические характеристики и в целом на ста-
бильность метрологических свойств датчиков расходомеров позволит вносить обоснованные коррективы для уменьшения погрешностей измерения.
Постановка задачи
работе представлены результаты исследования влияния абразивного износа рабочей поверхности сопла Вентури на изменение перепада давления. Техническими требованиями ГОСТ 8.586.3-2005 «Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью сужающих устройств. Часть 3. Сопла и сопла Вентури» допуск на величину радиусов сопряжения R1 и R2 регламентируется в зависимости от соотношения в величин диаметра горловины d и диаметра условного прохода Dу измерительного участка трубопровода [1]. При величине указанных радиусов, равных соответственно 0,12 м и 0,2 м, коэффициент в = 0,6. Для значений в > 0,5 допуск на радиус R1 равен 0,012d и допуск на R2 — 0,04d, что в абсолютных величи-
п-3
нах составляет 1,44-10 м и 4,840 соответственно. Значение диаметра d горловины в любом ее поперечном
Рис. 1. Сопло Вентури расходомера [Venturi nozzle of the flowmeter]
сечении не должно отличаться от среднего значения диаметра более, чем на 0,05 %. В абсолютных величинах это составляет 0,610-4 м. Соединение конусного диффузора с углом конусности ф, равным 15 с цилиндрической частью горловины длиной I, равной 12510-3 м, в соответствии с требованиями [1] должно быть без радиусного сопряжения и заусенцев. Этими же требованиями никак не регламентируются изменения вследствие абразивного износа величин рассмотренных геометрических параметров сопел Вентури. Поэтому за максимальные значения указанных изменений были приняты величины допусков, оговоренные стандартом. Положение отверстия на входе для отбора давления привязано к торцевой поверхности сопла, а положение отверстия в горловине определяется параметром а, равным 55 10-3 м, что попадает в интервал величин от 0,4^ до 0,45^, принятый стандартом.
Исследование выполнялось численным моделированием работы сопла Вентури при нулевом износе рабочих поверхностей и при увеличении на величину допусков рассмотренных геометрических параметров. В дополнение к оценке изменения коэффициента истечения сопла, являющегося функцией величины перепада давления на сужающем устройстве, по результатам моделирования анализировали зависимость скорости течения от износа.
Теоретическая часть
Численный эксперимент выполняли по данным натурного эксперимента, приведенным в работе [2]. На входе в измерительный трубопровод протяженностью !ИТ, равной 0,47 м, давление воды принимали равным 2 МПа. К числу табличных данных относятся: плотность, коэффициент вязкости воды при температуре t = 75 °С, соответственно равные 975кг/м3 и 0,3799х10-3 Па-с [3]. Температурные деформации в условиях численного эксперимента не учитывались. Действительный массовый расход принимали равным 73,43 кг/с. Ограничения по скорости на внутрен-
них поверхностях, обтекаемых потоком воды, и величина скорости воды на выходе из измерительного участка трубопровода v = 2,4 м/с составляли блок граничных условий.
Моделирование течения осуществляли средствами приложения FLOTRAN CFD программного комплекса ANSYS 5.5ED с использованием метода конечных элементов. Всю область решения разбивали на элементы FLUID 141 из библиотеки программы (рис. 2).
Расчеты по определению перепада давления hp выполняли для двух состояний формы сопла Вентури. Для состояния поставки, то есть при нулевом износе его рабочих поверхностей, и для формы сопла с ранее указанными предельно допустимыми изменениями радиусов сопряжения R1 и R2 и притуплением кольцевого ребра от пересече-
Рис. 2. Конечно-элементная расчетная сетка [Finite element calculation grid]
Рис. 3. Изолинии распределения давления, Па: а — в состоянии поставки сопла;
б — при предельном износе рабочих поверхностей [Pressure distribution isolines, Pa:
a — in the nozzle delivery state;
b — with extreme wear of the working surfaces]
1 2 3
W У
8 7 6 5 4
2 3 6
12
3
4
5
6
7
8
П 9
2
3
4
5
6
7
8
5
ния цилиндрической части горловины с диффузором. Изолинии распределения давления для этих состояний сужающего устройства представлены на рис. 3.
По результатам расчетов было отмечено увеличение давления в цилиндрической части горловины сопла с возникновением износа его рабочих поверхностей (рис. 4).
2020 19%
р *10 , Па
1%2
1890
х-- --
/ 1 I
if
1 1
1
lj
L*10-\ п
О
%
188
282
376
47Z7
■'ИТ
Рис. 4. Распределение давления на измерительном участке трубопровода:
--в состоянии поставки сопла;-----при предельном износе рабочих
поверхностей [Pressure distribution on the measuring section of the pipeline: --in the nozzle delivery state;-----with extreme wear of the working surfaces]
-3
3M2
зт
2892
2589
2286
у *10, м/с
/л
/ л \\
1 \\
/ \л \\
/ \ V\
/
/ N
/ — -
/
/
Ut*10-3, h
о
%
188
282
376
Ш
-ИТ
Рис. 5. Изменение скорости потока:--в состоянии поставки сопла;
----при предельном износе рабочих поверхностей [Flow rate change:
--in the nozzle delivery state;----with extreme wear of the working surfaces]
Выравнивание давления в горловине и диффузоре при износе рабочих поверхностей сопровождалось одновременным уменьшением величины перепада давления Ар на 23 103 Па, что составляет более 1 % от величины давления в трубопроводе.
На изменение скорости прохождения потока через сопло износ существенного влияния не оказывает. Было отмечено незначительное увеличение скорости в горловине и уменьшение ее в диффузоре сопла (рис. 5.).
Влияние абразивного износа на эксплуатационные свойства сопла оценивали по изменению основного гидродинамического параметра сужающего устройства — коэффициента истечения [4]:
С __Ут_
П d 2Еу] 2рДр
где Е — коэффициент скорости входа;
в = d /Оу — относительный диаметр отверстия сужающего устройства.
При расчетных значениях в = 0,6 и Е = 1,072 перепад давления Ар на сужающем устройстве составил 65 103 Па и 42 103 Па для сопла в состоянии поставки и при предельном износе рабочих поверхностей соответственно. При этом значения коэффициентов истечения для рассматриваемых состояний сужающего устройства соответственно составили 0,5389 и 0,6705. Увеличение коэффициента истечения при предельном износе рабочих поверхностей по отношению к состоянию поставки превысило 24 %.
Практическая значимость
Увеличение коэффициента истечения из-за абразивного износа рабочих поверхностей может составить существенную часть неопределенности измерений с использованием расходомеров с соплами Вентури. Основным препятствием к внесению поправок при измерениях расходов является техническая сложность определения величины притупления кольцевого ребра от пересечения цилиндрической поверхности горловины
с конической поверхностью диффузора и особенно изменения формы двух-радиусного сопряжения поверхности торца на входе с внутренней цилиндрической поверхностью горловины. Поэтому единственной возможностью уменьшения доли неопределенности в результатах измерений является статистическая оценка влияния абразивного износа, которая может быть получена на стендовых испытаниях.
Выводы
Разработана методика оценки влияния на изменение гидродинамических свойств сопла Вентури формы двухрадиусного сопряжения поверхности торца на входе с внутренней цилиндрической поверхностью горловины и притупления кольцевого ребра от пересечения этой поверхности с конической поверхностью диффузо-
Список литературы
1. ГОСТ 8.586.3-2005. Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью сужающих устройств. Часть 3. Сопла и сопла Вентури. Технические требования. — М.: Стандартинформ, 2007.
2. Зезин В.Г., Лазуков В.А. Определение расхода сплошных сред методом переменного перепада давления: учебное пособие. — Челябинск: ЮУрГУ, 2007.
3. Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: Справочник. ГСССД Р-776-98. — М.: Издательство МЭИ, 1999.
4. Р Газпром 5.7-2009. Методический материал по практическому применению ГОСТ 8.586.1-2005 — ГОСТ 8.586.5-2005. — М.: Газпром.
Единственной возможностью уменьшения доли неопределенности в результатах измерений является статистическая оценка влияния абразивного износа, полученная на стендовых испытаниях
ра. Установлено, что изменение указанных геометрических параметров даже в пределах допуска на изготовление на четверть увеличивает коэффициент истечения. Для уменьшения влияния абразивного износа на точность измерения предлагается участок двух-радиусного сопряжения и кольцевого ребра рабочей поверхности сопла Вен-тури подвергать химико-термическому упрочнению. ■
Статья поступила в редакцию 10.09.2022
НОВАЯ КНИГА
Александров С.Л., Тимофеева Н.Б.
Аудиты рисков и возможностей в системах менеджмента качества
Учебное пособие. — М.: АСМС, 2022
Обращается внимание специалистов в области качества на необходимость с учетом уровня зрелости организаций своевременного изменения процедур внутреннего аудита систем менеджмента для инициирования улучшений. Через процедуры внутреннего аудита СМК раскрывается специфический подход к выявлению новых вероятных рисков и возможностей, что является фактором развития и результативным шагом в направлении совершенствования систем менеджмента качества. Пособие предназначено для специалистов организаций, слушателей системы ДПО, обучающихся в соответствии с тематическим планом дисциплины «Системы менеджмента качества, внутренние проверки (аудит) и сертификация на соответствие требованиям ISO 9001», и может быть использовано специалистами, студентами и преподавателями.
Материалы пособия направлены на повышение творческой активности аудиторов СМК и менеджеров разных иерархических уровней управления, а также вовлечение персонала в улучшение деятельности организаций.
По вопросам приобретения обращайтесь по адресу: Академия стандартизации, метрологии и сертификации (АСМС), 109443, Москва, Волгоградский пр-т, 90, корп. 1. Тел. / факс: 8 (499) 742 4643. Факс: 8 (499) 742 5241. E-mail: info@asms.ru
The Effect of Abrasive Wear on the Operational Properties of the Flowmeters Venturi Nozzles
V.M. Aristov1, D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia (MUCTR), Prof. Dr. (Ph. and Math.)
E.P. Aristova2, MUCTR, Assoc. Prof. PhD (Tech.)
A.O. Kharitonov3, MUCTR, Prof. Dr. (Tech.), alharitonov@yandex.ru
1 Head of Department, Moscow, Russia
2 Associate Professor of Department, Moscow, Russia
3 Professor of Department, Moscow, Russia
Citation: Aristov V.M., Aristova E.P., Kharitonov A.O. The Effect of Abrasive Wear on the Operational Properties of the Flowmeters Venturi Nozzles, Kompetentnost / Competency (Russia), 2022, no. 9-10, pp. 26-30. DOI: 10.24412/1993-8780-2022-9-26-30
We have presented the results of a study of the influence of abrasive wear of the Venturi nozzle working surfaces on the operation of a variable differential pressure flow sensor. The study was carried out by numerical simulation of the operation of the Venturi nozzle with zero wear of the working surfaces and with an increase in the tolerances of the considered geometric parameters. Based on the simulation results, we have analyzed the dependence of the flow rate on wear. We have developed a method for assessing the effect on the change in the hydrodynamic properties of the Venturi nozzle of the shape of the two-radius interface of the end face at the inlet with the inner cylindrical surface of the throat and the blunting of the annular rib from the intersection of this surface with the conical surface of the diffuser. It has been established that a change in the indicated geometrical parameters, even within the tolerance limits, increases the outflow coefficient by a quarter. To reduce the effect of abrasive wear on measurement accuracy, we suggest that the section of the two-radius interface and the annular rib of the working surface of the Venturi nozzle be subjected to chemical-thermal hardening.
1. GOST 8.586.3-2005 Measurement of flow and quantity of liquids and gases by means of constricting devices. Part 3. Nozzles and Venturi nozzles. Technical requirements, Moscow, Standartinform, 2007, 28 P.
2. Zezin V.G., Lazukov V.A. Opredelenie raskhoda sploshnykh sred metodom peremennogo perepada davleniya: uchebnoe posobie [Determination of the flow rate of continuous media by the method of variable differential pressure: textbook], YuUrGU, 2007, 102 P.
3. Aleksandrov A.A., Grigor'ev B.A. Tablitsy teplofizicheskikh svoystv vody i vodyanogo para: Spravochnik. GSSSD R-776-98 [Tables of thermophysical properties of water and water vapor: Handbook. GSSSD R-776-98], Moscow, Izdatel'stvo MEI, 1999, 168 P.
4. R Gazprom 5.7-2009 Methodological material on the practical application of GOST 8.586.1-2005 — GOST 8.586.5-2005, Moscow, Gazprom, 2010, 135 P.
НОВАЯ КНИГА
Лемешева О.И., Павлов В.Е.
Подтверждение соответствия в Российской Федерации и ЕАЭС
Учебное пособие. Изд. 2-е, перераб. и доп. — М.: АСМС, 2022
Процедура декларирования претерпела кардинальные изменения в связи с вступлением в действие нового порядка регистрации деклараций о соответствии продукции и фактическим прекращением регистрации деклараций органами по сертификации. Описывается динамика развития процедур подтверждения соответствия, освещаются актуальные вопросы в сфере технического регулирования Таможенного союза и гармонизации законодательств Российской Федерации, Евразийского экономического союза и Всемирной торговой организации, подходы в области подтверждения соответствия, включая вопросы сертификации и декларирования в странах Европейского союза, а также направления сближения систем регулирования рынка.
По вопросам приобретения обращайтесь по адресу: Академия стандартизации, метрологии и сертификации (АСМС), 109443, Москва, Волгоградский пр-т, 90, корп. 1. Тел. / факс: 8 (499) 742 4643. Факс: 8 (499) 742 5241. E-mail: info@asms.ru
key words
variable differential pressure flowmeters, hydrodynamic characteristics, abrasive wear of working surfaces
References
