Wpływ chropowatości rurociągu na wskazania przepływomierzy
Transkrypt
Wpływ chropowatości rurociągu na wskazania przepływomierzy
Pomiary Automatyka Robotyka 5/2008 Wpływ chropowatości rurociągu na wskazania przepływomierzy zwężkowych – nowe podejście do zagadnienia Jan Tomasik Mateusz Turkowski Marcin Zagożdżon W artykule przedstawiono nowe podejście do zagadnienia wpływu chropowatości rurociągu na charakterystyki przepływomierzy zwężkowych. Podejście to polega na zastosowaniu innych niż zdefiniowanych dotychczas w normach parametrów mikrogeometrii powierzchni. W trakcie badań wzorcowano kryzy o przewężeniach b = 0,2, 0,5 i 0,75 w rurociągach o DN 50, 80 i 100 i obliczano współczynniki przepływu na podstawie tych wzorcowań dla różnych struktur chropowatości. Struktury te otrzymywano, stosując papier ścierny, obróbkę mechaniczną i naturalne starzenie w wodzie rurociągu ze stali węglowej. Chociaż nie uzyskano dokładnej korelacji między zmianami współczynnika przepływu a nowymi parametrami chropowatości, to rozrzut otrzymanych wyników pomiarów jest tego samego rzędu co w przypadku uporządkowania wyników w funkcji innych kryteriów. etoda zwężkowa pomiaru strumienia i ilości płynu wciąż dominuje w wielu gałęziach przemysłu. Oprócz zastosowania w pomiarach bilansowych i technologicznych, metoda ta jest szeroko stosowana do rozliczeń m.in. gazu ziemnego. W związku z tym, że dyrektywy europejskie nakazują rozdział przedsiębiorstw wydobywczych, przesyłowych i dystrybucyjnych (w Polsce proces ten jest obecnie w toku), pomiary dotąd wewnętrzne, bilansowe – stają się rozliczeniowymi. Podobna sytuacja występuje w wielu krajach europejskich, a także w Ameryce Północnej. Jest to jedna z przyczyn, dla której ciągle trwają badania nad zmniejszeniem niepewności wskazań przepływomierzy zwężkowych. W badaniach tych biorą udział m.in. takie znaczące instytucje jak National Engineering Laboratory [1], Glasgow, Wielka Brytania; NOVA, Calgary, Kanada; American Petroleum Institute, Washington, USA. Teoretycznie minimalna niepewność osiągana przy pomiarach zwężkowych wynosi 0,6 %. Jest to niepewność wyznaczenia współczynnika przepływu. Dochodzą do tego niepewności przetworników różnicy ciśnień, ciśnienia, temperatury itp., są one jednak w dzisiejszym stanie techniki znikome i w budżecie niepewności ważą mniej. Na obecnym etapie należy więc skoncentrować się na podwyższeniu dokładności wyznaczenia współczynnika przepływu. Nie jest to zadanie proste. prof. nzw. dr hab. inż. Mateusz Turkowski, dr inż. Jan Tomasik, mgr inż. Marcin Zagożdżon – Instytut Metrologii i Systemów Pomiarowych Politechniki Warszawskiej Empiryczne równania aproksymujące współczynniki przepływu dla zwężek są opracowywane z wykorzystaniem bazy danych wyników wzorcowań zwężek, za pomocą różnych cieczy i gazów, przeprowadzonych w różnych laboratoriach w świecie. Niepewność współczynnika przepływu na poziomie u(C)k=2 = 0,6 % wynika ze statystycznej analizy zebranych wyników wzorcowań, a więc w uproszczeniu z rozbieżności między wynikami wzorcowań uzyskanymi w różnych laboratoriach. Najlepsza możliwość pomiarowa stosowanych stanowisk (rzędu 0,05 % dla cieczy, 0,15 % dla gazów) nie uzasadnia jednak aż tak dużej niepewności wyznaczenia C. Tak duże rozbieżności mogą wynikać z szeregu czynników, takich jak specyficzne dla konkretnych stanowisk błędy systematyczne, resztowe pulsacje strumienia itp. Jedną z przyczyn może być jednak wpływ chropowatości, która wpływa na profil prędkości. Bardziej płaski rozkład prędkości, występujący w gładkich rurociągach, zwiększa stopień kontrakcji i w konsekwencji zmniejsza wartość współczynnika przepływu C. Przy większych chropowatościach profil prędkości jest ostrzejszy i powoduje wzrost C. Wynika to z hamującego oddziaływania nierówności rurociągu na warstwę przyścienną. Parametrem chropowatości stosowanym w metrologii przepływów, m.in. w normie [2], była dotąd wysokość nierówności k, ale ostatnio coraz częściej stosuje się parametr Ra (średnia arytmetyczna bezwzględnych wartości rzędnych profilu wewnątrz odcinka elementarnego). Dla powiązania ze starszymi wynikami badań przyjmuje się zależność k » pRa. Jest jednak bardzo prawdopodobne, że dla takich samych wartości Ra, 5 Turkowski.indd 5 5/8/2008 1:10:03 PM Pomiary Automatyka Robotyka 5/2008 ale dla różnej struktury nierówności powierzchni jej wpływ na rozkład prędkości będzie inny. Przy tym samym Ra profil na rys. 1a niewątpliwe będzie oddziaływał bardziej na warstwę przyścienną niż profil na rys. 1b. a) b) Rys. 1. Przykład profili o różnym charakterze i o takim samym Ra Obecnie stosowane w budowie maszyn parametry mikrogeometrii powierzchni dużo dokładniej opisują chropowatość i uwzględniają nie tylko czynniki związane z wysokością nierówności. Jest więc wysoce prawdopodobne, że przyjęcie w metrologii przepływów innych, bardziej adekwatnych parametrów chropowatości doprowadzi do poprawienia zbieżności wyników kalibracji uzyskanych przez różne laboratoria. W konsekwencji może to doprowadzić do zmniejszenia niepewności wyznaczenia współczynnika przepływu i poprawienia dokładności pomiaru metodą zwężkową. Badania takie są więc wciąż istotnym zagadnieniem. Ich wyniki mogą być wykorzystane w szczególności do dokładniejszego sprecyzowania granicznych dopuszczalnych wartości chropowatości oraz do określenia bardziej jednoznacznych kryteriów poprawek współczynnika przepływu C, uwzględniających chropowatość. Wpłynie to na podwyższenie dokładności pomiarów zwężkowych, a więc na lepsze prowadzenie procesów technologicznych i na ułatwienie wymiany handlowej w obrocie płynnymi surowcami i paliwami. W raporcie technicznym ISO/TR 12767:1978 [3], opartym na badaniach przedstawionych w [4], proponuje się szacowanie chropowatości pośrednio, poprzez pomiar spadku ciśnienia na rurociągu i wyznaczenie współczynnika strat liniowych l. Proponuje się równanie opisujące zmianę względną współczynnika przepływu o postaci DC = b 3,5D l. Niestety, rozrzut wyników doświadczalnych uzyskanych przez 9 różnych laboratoriów, uporządkowany w funkcji parametru b 3,5D l, wykazuje rozrzuty rzędu kilkudziesięciu procent (patrz rys. 2). Rys. 2. Wykres zmian współczynnika przepływu D C jako funkcja wielkości charakterystycznej b 3,5D l. Większe chropowatości odpowiadają większym wartościom D l Zastosowanie tej metody wymaga wyznaczenia współczynnika strat liniowych poprzez pomiar spadku ciśnienia na odcinku rurociągu, co jest kłopotliwe i nie zawsze możliwe. Metodyka badań Wykorzystano unikalne warunki do podjęcia opisanych badań, które są zapewnione w Instytucie Metrologii i Systemów Pomiarowych Politechniki Warszawskiej [5]. Z jednej strony Instytut dysponuje niezbędną aparaturą do pomiaru parametrów mikrogeometrii, a z drugiej strony dobrze wyposażonym Laboratorium Przepływów. Wzorce, którymi dysponuje Laboratorium są porównywalne pod względem dokładności z wzorcami państwowymi, a także z wieloma stanowiskami zagranicznymi. Zapewniona jest spójność pomiarowa [6, 7]. Badania polegały na poszukiwaniu i analizie korelacji między wartościami różnych parametrów chropowatości i współczynnikami przepływu dla zwężki, a następnie określeniu, który z nich jest najbardziej przydatny dla metrologii przepływów. Do oceny chropowatości powierzchni wewnętrznej odcinków rurociągu wykorzystano zarówno od dawna już znane parametry: Ra – średnia arytmetyczna bezwzględnych wartości rzędnych profilu wewnątrz odcinka elementarnego Rz – suma wysokości najwyższego wzniesienia profilu i głębokości najniższego wgłębienia profilu wewnątrz odcinka elementarnego Rp – wysokość najwyższego wzniesienia profilu wewnątrz odcinka elementarnego, jak też niedawno zdefiniowane w normach ISO parametry związane z krzywą udziału materiałowego: Rk, Rpk, Rvk [8]. Parametr Rpk (zredukowana w ysokość wzniesień) charakteryzuje górną część powierzchni, która szybko ulegnie wytarciu po rozpoczęciu np. pracy silnika. Przypuszczano, że będzie miał istotne znaczenie, skoro opisuje on część zarysu najbliższą warstwie przyściennej. Wgłębienia profilu nierówności opisuje parametr Rvk. Jest on miarą zdolności pracujących powierzchni do utrzymywania smaru w powstałych mechanicznie wgłębieniach. Przypuszczano, że jego korelacja z zachowaniem warstwy przyściennej będzie znikoma. Natomiast parametr Rk opisuje wysokość chropowatości rdzenia profilu. Kolejne parametry to Rp i Rv, które są analogiczne do Rpk i Rvk ale bez uwzględnienia tzw. rdzenia, a odniesione do linii średniej. Pomimo, że parametry te zostały zdefiniowane i wprowadzone na potrzeby przemysłu motoryzacyjnego, to ze względu na ich możliwości lepszego charakteryzowania struktury profilu powierzchni, autorzy zdecydowali o ich wykorzystaniu do niniejszych badań. 6 Turkowski.indd 6 5/8/2008 1:10:26 PM Pomiary Automatyka Robotyka 5/2008 Pomiary mikrogeometrii powierzchni wewnętrznych odcinków rurociągu Pomiary mikrogeometrii powierzchni odcinków rurociągu modyfikowanej z wykorzystaniem papieru ściernego, przez toczenie, naturalną eksa) ploatację oraz wyklejenie kartonem o fakturze bliskiej rurom hutniczym (rys. 3) wykonano na skomputeryzowanym stanowisku z profilometrem SURTRONIC 3P firmy Taylor Hobson. Pomiary zostały wykonane w pięd) ciu punktach pomiarowych równo rozmieszczonych na obwodzie otworu wewnętrznego odcinka rurociągu z obydwu stron zgodnie z normą [4]. Badania charakterystyk kryz Liczbę Reynoldsa potraktowano jako parametr. Przyjęte wybrane wartości liczby Reynoldsa równe 40 000, 60 000, 100 000, 150 000 i 250 000, pokrywają zakres Re występujący w trakcie badań. b) c) e) f) Rys. 3. Przykłady powierzchni wewnętrznej rurociągu w stanie wyjściowym (a) oraz modyfikowanej: przez toczenie (b – małe: skok i głębokość, c – większe: skok i głębokość), wyklejanie papierem ściernym (d), poprzez naturalną eksploatację przy przepływie wody (e) oraz wyklejenie kartonem fakturowanym (f) Badania kr yz o przewężeniach b=0,2, 0,5 i 0,3 w rurociągach DN 50, 80 i 100 prowadzono z użyciem wody i powietrza dla różnych struktur chropowatości (rys. 4). Na rys. 5 przedstawiono przykładowe (łącznie wykonano ich 13) surowe charakterystyki dla rurociągów gładkich oraz o chropowatości uzyskanej przez wyklejenie papierami ściernymi o granulacjach oznaczonych symbolem 40, 60, 80 i 100 (większa granulacja oznacza mniejsze ziarno). Parametr DC na osi rzędnych oznacza różnicę współczynnika przepływu C wyznaczonego podczas eksperymentów a jego wartością obliczoną wg normy [4] (równanie Reader-Harri- Rys. 4. Badane kryzy zainstalowane na powietrznym i wodnym stanowisku pomiarowym sa/Gallaghera). Wyniki są zgodne z oczekiwaniami – zarówno wzrost 3 chropowatości jak też zwiększenie liczby Reynoldsa brak ∆C, % powodują zwiększenia współczynnika przepływu. 40 2,5 Następnie sporządzono wykresy zmian, tak jak na 60 wstępnych charakterystykach, współczynnika prze2 80 pływu DC, ale już nie w funkcji Re a w funkcji po100 1,5 szczególnych wielkości opisujących mikrogeometrię powierzchni, tj. Ra, Rz, Rmax i Rv, ponieważ niestety 1 nie dla wszystkich struktur chropowatości udało się zmierzyć wszystkie parametry. Tylko te 4 parametry 0,5 zmierzono dla wszystkich badanych struktur. Re 0 Ponadto uwzględniono tylko zmiany C spowodowa0 50000 100000 150000 ne zmianą chropowatości, a więc względem zmierzonej wartości C dla rurociągu gładkiego. Wartości na Rys. 5. Surowe wyniki badań dla powierzchni wewnętrznych ruwykresach wyrażono w postaci względnej, tj. wartości rociągu modyfikowanych poprzez wyklejanie papierem ściernym. Rurociąg DN 50, powietrze, przewężenie b=0,75. Ra, Rz, Rmax i Rv odniesiono do rzeczywistej średnicy Wyróżniono granulacje papierów (od 40 do 100) rurociągu D. 7 Turkowski.indd 7 5/8/2008 1:10:27 PM Pomiary Automatyka Robotyka 5/2008 Uporządkowane w ten sposób, przykładowe wyniki przedstawiono na rys. 6. 1,6 ∆ C, % 1,4 1,2 Re: 1 40000 60000 100000 0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2 Ra/D 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 1,6 1,4 β = 0,5 ∆C, % 1,2 Re: 1 40000 100000 60000 0,8 0,6 0,4 Niniejszy artykuł jest efektem pracy naukowej finansowanej ze środków budżetowych na naukę w latach 2005–2007 jako projekt badawczy. 0,2 0 -0,2 powierzchni. Obecne ograniczenia związane są m.in. z kształtem końcówek pomiarowych, dostosowanych do struktury powierzchni obrabianych, pożądanych i uzyskiwanych w przemyśle maszynowym, a nie do mikrogeometrii powierzchni, której można się spodziewać w rurociągach. Kontynuowane są też próby innego uporządkowania wyników lub zastosowania bardziej wyrafinowanych metod statystycznych do ich analizy. Wydaje się też celowe uzupełnienie badań o rurociągi o jeszcze bardziej zróżnicowanym charakterze mikrogeometrii, chociaż papier ścierny dość dobrze symuluje naturalne chropowatości i jest stosowany w wielu badaniach prowadzonych przez inne ośrodki [1]. Analizując wyniki najbardziej aktualnych badań (patrz rys. 2) należy jednak podkreślić, że rozrzuty uzyskane w ramach niniejszych badań są tego samego rzędu. Co ciekawsze, największe rozrzuty występują w obu przypadkach w środkowej części wykresu, którym odpowiadają średnie wartości chropowatości (parametr Dl na rys. 2 jest ściśle związany z chropowatością). Potwierdza to, że kierunek opisanych badań jest właściwy. Rv/D 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Rys. 6. Zmiany współczynnika przepływu w funkcji wybranych kryteriów opisu chropowatości i liczby Reynoldsa Bibliografia 1. Niestety, tak uporządkowane wykresy są dość chaotyczne. Trudno uchwycić jakąkolwiek regułę. Najbardziej odbiegające od pozostałych punkty (rzędu 1,4 %) dotyczą rurociągu DN 50 i największych chropowatości – papier ścierny o granulacji 40 i 60. Wnioski Mimo przeprowadzenia obszernego programu badań, interpretacja ich wyników okazała się trudniejsza niż sądzono. Rozrzuty uzyskanych wartości DC są znaczne i na obecnym etapie trudno je zastosować do wprowadzania ewentualnych poprawek do wyniku zwężkowego pomiaru strumienia płynu. Rozrzut jest znaczny, nawet po wprowadzeniu poprawki należałoby się liczyć z dodatkową niepewnością dochodzącą do 0,7 % dla przewężenia b = 0,5. Praca wymaga więc kontynuacji. Ponieważ nie wszystkie parametry mikrogeometrii powierzchni mogły być zmierzone dla wszystkich badanych struktur, niezbędne jest uzupełnienie i rozwój aparatury badawczej w zakresie oprzyrządowania do pomiaru mikrogeometrii powierzchni. Chodzi tu o takie rozszerzenie zakresów pomiarowych, aby wszystkie parametry ją opisujące mogły być wyznaczane w pełnym zakresie i dla wszystkich rodzajów badanych 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Reader-Harris M. J., Rushworth R., Nicholson I. G.: Ageing Effects on Orifice Metering Systems, Project No FDDP02 Report No 2002/76, August 2002, National Engineering Laboratory, Flow Centre, Glasgow. PN-EN ISO 5167, części od 1 do 4. Pomiary strumienia płynu za pomocą zwężek pomiarowych wbudowanych w całkowicie wypełnione rurociągi o przekroju kołowym. ISO/TR 12767 Measurement of fluid flow by means of pressure-differential devices – Guidelines to the effect of departure from the specifications and operating conditions given in ISO 5167-1. Reader-Harris M.J.: Pipe roughness and Reynolds number limits for the orifice plate discharge coefficient equation. Proc. 2nd Int. Symp. on Fluid Flow Measurement, Calgary, Canada, 1990. http://imisp.mchtr.pw.edu.pl/lab_P.htm Turkowski M., Strzałkowski T.: Nowe laboratorium przepływów w Instytucie Metrologii i Budowy Przyrządów Pomiarowych. PAR 3/2000, s. 50. Turkowski M.: Spójność pomiarowa jako warunek niezbędny dla utrzymania systemów jakości. PAK 12/2005, s. 24–25. Tomasik J., Biało D.: Zastosowanie parametrów krzywej udziału nośnego do opisu mikrogeometrii powierzchni porowatych. Mechanik 1/2003, s. 26–28. 8 Turkowski.indd 8 5/8/2008 1:10:31 PM