Испытания в лаборатории NEL подтверждают: защитная гильза конструкции ScrutonWell® не подвержена вибрациям.
Промышленные дымовые трубы с интерцепторами в виде спиралей, смонтированных в верхней их части, прочно стоят в любую погоду, включая ураган. Многочисленные эксперименты, проведенные в разные периоды времени в прошлом, убедительно доказали, что использование спиральных выступов, запатентованных учеными Скрутоном (Scruton) и Уолшем (Walshe), предохраняет трубы от вибраций. Однако, применимость данного принципа к другим конструкциям на первый взгляд может вызвать сомнения. Компания WIKA в настоящий момент располагает неопровержимыми доказательствами работоспособности защитных гильз со спиралевидным профилем: лабораторные испытания на прочность полностью подтвердили то, что уже много раз было проверено на практике в промышленных условиях.
При обтекании защитной гильзы жидкостью или газом после нее образуются две цепочки вихрей (вихревая дорожка Кармана). Направление вращения вихрей в одной из этих цепочек противоположно направлению вращения в другой. Эти вихри вызывают вибрацию защитной гильзы и впоследствии ее повреждение при критической нагрузке. Спиральные ребра на защитной гильзе препятствуют образованию вихревой дорожки. Таким образом устраняется источник возникновения вибраций и исключается опасность усталостного разрушения при динамических нагрузках (эффект Скрутона).
Рис. 1 Тестовое оборудование NEL
Весной 2018 года WIKA провела испытания во всемирно известной Национальной инженерной лаборатории (NEL) в Глазго с целью сравнить, как будут вести себя в потоке защитная гильза конструкции ScrutonWell® и стандартная защитная гильза с гладким штоком. В рамках испытаний было проведено 47 экспериментов. В качестве технологической среды использовался газойль – вещество по характеристикам аналогичное дизельному топливу – который протекал по трубопроводу при комнатной температуре со скоростью от 0,5 м/с до 6 м/с в зависимости от условий эксперимента.
Рис. 2 Установленная в трубопроводе защитная гильза конструкции ScrutonWell®
Датчики деформации, которыми были оборудованы обе защитные гильзы, измеряли в течение всего времени испытаний динамическую нагрузку в месте крепления к фланцу. Для регистрации скорости в области наконечника гильзы использовался датчик вибраций, установленный внутри защитной гильзы. Все испытания дополнительно фиксировались высокоскоростной камерой, обеспечивающей разрешение 12500 кадров в секунду.
Предварительно, еще до начала испытаний, пользуясь стандартной методикой расчета прочности по ASME PTC 19.3 TW-2016, были выбраны такие размеры стандартной защитной гильзы, чтобы в диапазоне испытываемых скоростей действительно появлялась вибрация как в направлении потока (продольный резонанс), так и в перпендикулярном к нему направлении (поперечный резонанс). Затем аналогичным способом была подобрана защитная гильза конструкции ScrutonWell®. Собственная частота колебаний стандартной защитной гильзы модели TW10-F, полученная по результатам расчетов, составляла 38,7 Гц, что отличалось от частоты, определенной в лаборатории NEL в результате эксперимента, всего лишь на 4,1%. Данный результат свидетельствует о высокой точности программного обеспечения WIKA для расчета прочности защитных гильз V2.7.1.
Максимальная вибрация, измеренная на наконечнике стандартной защитной гильзы, составила приблизительно 450 мм/с (среднеквадратичное значение) при скорости около 1,8 м/с (продольный резонанс, показан на рис.3 серым цветом) или приблизительно 2480 мм/с (среднеквадратичное значение) при скорости около 5 м/с (поперечный резонанс, показан на рис.3 черным цветом). Для защитной гильзы конструкции ScrutonWell® не наблюдалось ничего похожего на резонанс (показано на рис.3 синим цветом). Вибрация возрастала линейно с увеличением скорости потока, при этом постоянно оставаясь пренебрежимо малой. Измерения динамического напряжения у основания защитной гильзы, выполненные датчиком деформации, показали аналогичную картину.
Рис. 3 Сравнение скорости вибрации на наконечниках двух защитных гильз
Благодаря высокоскоростной видеосъемке стало возможным очень точно измерить амплитуду вибраций, как показано ниже на примере поперечного резонанса при скорости потока 4,5 м/с. На рис.4 зафиксировано отклонение стандартной защитной гильзы 27 мм. Отклонение защитной гильзы конструкции ScrutonWell® при тех же условиях составляет всего лишь 1,2 мм, что примерно на 96% меньше (рис. 5).
Рис. 4 Отклонение стандартной защитной гильзы при скорости потока 4,5 м/с
Рис. 5 Отклонение защитной гильзы конструкции ScrutonWell® при скорости потока 4,5 м/с
Темный фон обусловлен тем, что газойль, находящийся в покое, имеет янтарный цвет, но становится совершенно непрозрачным при движении в потоке.
Несколько десятков тысяч измерений, проведенных в рамках 47 экспериментов, показали, что в случае использования защитной гильзы конструкции ScrutonWell® наблюдается значительное затухание вибрации при сравнении со стандартной защитной гильзой. Для количественной оценки такого демпфирования был введен коэффициент ζ = (1 – v ScrutonWell® / v стандартная защитная гильза) и принято, что коэффициент демпфирования ζ > 0 должен указывать на превосходство конструкции ScrutonWell®, а ζ < 0 будет говорить о преимуществах стандартной защитной гильзы в проводимом сравнении.
По результатам испытания при использовании защитной гильзы конструкции ScrutonWell® в зоне продольного резонанса вибрации гасились на 90,9% относительно вибраций, которые присутствовали в защитной гильзе стандартной конструкции. В области поперечного резонанса было зафиксировано среднее значение демпфирования 92,8%. Однако, поскольку измеренные значения превысили диапазоны измерения прибора практически во всех тестах при продольном резонансе, можно предположить, что в защитной гильзе конструкции ScrutonWell® в действительности вибрации гасятся намного сильнее.
Рис. 4 Сравнение времени отклика
Последний тест при сравнении двух типов защитных гильз в соответствии с программой испытаний в потоке в лаборатории NEL был посвящен измерению времени отклика. На этот раз измерения проводились в водно-гликолевом растворе по стандарту на проведение испытаний для термоэлектрических преобразователей – термометров сопротивления ASTM E644-09. Изменение температуры двух защитных гильз проводилось на глубине погружения 150 мм. Результат: защитная гильза конструкции ScrutonWell® имеет время отклика на 17,6% меньше по сравнению с защитной гильзой стандартной конструкции (время T90).
Вслед за первичными испытаниями, проведенными в Институте механики и гидродинамики Фрайбергского университета (TU Bergakademie Freiberg) в 2014, последние расширенные исследования, выполненные в независимой лаборатории NEL в Глазго, подтвердили, что защитная гильза конструкции ScrutonWell® полностью оправдывает возлагаемые на нее ожидания. Данная конструкция является оптимальным решением в случаях, когда расчет прочности защитных гильз по методике в соответствии со стандартом ASME PTC 19.3 TW-2016 выдает отрицательный результат.
Расчет по стандарту ASME – это наилучший способ предварительно оценить поведение защитных гильз в жидких и газообразных средах, соответствующим образом их спроектировать и дать заключение относительно критичности условий процесса. При обратной последовательности действий, если в результате расчета выясняется превышение допустимого значения относительной частоты, конструкцию защитной гильзы приходится менять, либо укорачивая находящуюся без опоры погружную часть, либо увеличивая диаметр штока. Очень короткие или толстостенные защитные гильзы могут полностью отвечать требованиям ASME по механической прочности. Однако, с точки зрения метрологических характеристик, результаты измерений не будут удовлетворительными в плане времени отклика и точности. В случае использования защитных гильз с опорными кольцами требуется строгое соблюдение размеров и высокое качество монтажа бобышки с фланцем для обеспечения посадки внатяг. Практика показывает, что обеспечить такую посадку крайне проблематично и чаще всего требуется доработка конструкции гильз по месту с использованием подручных средств..
Эксперимент показал, что большинство изменений, вносимых в конструкцию защитной гильзы по результатам расчета прочности, выходят за рамки методики ASME PTC 19.3 TW-2016, поэтому, помимо трудностей при монтаже, расчеты таких конструкций носят условный характер и содержат значительные допущения. Во всех подобных случаях защитные гильзы конструкции ScrutonWell® являются крайне привлекательным альтернативным решением, обеспечивающим экономию усилий, времени и средств при монтаже. Данная конструкция уже успела получить одобрительные отзывы, как от независимых исследовательских институтов, так и от широкого круга промышленных предприятий, использующих ScrutonWell®. В проверенной временем спиральной конструкции удачно сочетаются преимущества, обусловленные эффективным подавлением вибраций, вызванных образованием вихрей (VIV), и простотой монтажа, который фактически ничем не отличается от установки обычной гильзы. Статические нагрузки на конструкцию ScrutonWell®, создаваемые потоком измеряемой среды и давлением технологического процесса, вычисляются в соответствии с соответствующими разделами ASME PTC 19.3 TW-2016. Компания WIKA всегда готова оказать услуги по подбору и расчет прочности защитных гильз, исходя из условий конкретного процесса.
Заинтересовались нашими измерительными решениями? Узнать подробнее о приборах можно на WIKA веб-сайте!