1．引言
隨著減壓閥在國內(nèi)得到廣泛應用，產(chǎn)品性能與壽命試驗日益受到關注，在新型減壓閥國產(chǎn)化配套設備研制過程中，應用計算機測控技術，設計國內(nèi)首次自主研發(fā)的具有國際先進水平的減壓閥動態(tài)性能與壽命試驗的多功能高性能測試裝置，為摸清實際產(chǎn)品性能、改進設計方案提供參考依據(jù)。
2．測試系統(tǒng)及其控制調(diào)節(jié)
減壓閥動態(tài)性能測試系統(tǒng)如圖1所示，以高壓多級泵為壓力源，被測閥前壓力調(diào)節(jié)閥安裝在回水旁路上。試驗過程中，減壓閥閥前、后壓力都要調(diào)到額定值，閥前壓力通過旁路調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，閥后壓力調(diào)節(jié)應在閥后調(diào)節(jié)閥保持一定開度后再調(diào)節(jié)被測閥。
壓力流量等常規(guī)性能試驗是檢驗減壓閥產(chǎn)品合格與否的重要依據(jù)，為考核膜片、彈簧等元件還需進行產(chǎn)品壽命試驗，才能為進一步提高和改善產(chǎn)品的可靠性和安全性提供全面的依據(jù)，為實現(xiàn)這一目的首先要解決試驗系統(tǒng)恒流量下的壓力控制問題，即一方面閥的進口壓力要調(diào)節(jié)到試驗工況所需壓力值；另一方面要在恒流量下使閥的出口壓力也能夠調(diào)節(jié)到試驗工況所需壓力，而為了保證試驗過程的穩(wěn)定性，必須保證連續(xù)的恒壓供給；同時為滿足不同產(chǎn)品的試驗要求，試驗系統(tǒng)還需實現(xiàn)對流量及閥前后壓力的自動控制與調(diào)節(jié)，才能滿足多工況運行與各類試驗要求。由于用戶需求測試產(chǎn)品包括PNl.6～4.O、DN25～300共數(shù)十個規(guī)格，測試系統(tǒng)采用圖2所示的模塊化設計。用電磁閥模擬實際系統(tǒng)調(diào)節(jié)頻率進行壽命試驗時，因電磁閥局部阻力大，影響其他試驗項目的流量調(diào)節(jié)范圍，故各模塊又分兩路，分別進行流量特性、壓力特性、流阻特性、流量系數(shù)和壽命試驗。為保證高壓泵和系統(tǒng)安全運行，設置了集流量感知、止回、旁通控制、多級降壓多功能于一體的LYHT型自動回流閥，省卻了單獨的孔板、流量計、電磁控制旁通控制閥，簡化了旁通回流系統(tǒng)，維持高壓泵最小回流，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障或調(diào)整試驗項目時，自動回流閥主閥關閉，旁通閥開啟，泵以小流量回流避免頻繁啟動，更經(jīng)濟有效地保證系統(tǒng)安全運行。閥前后與閥前旁路均采用高精度自動調(diào)節(jié)閥，實現(xiàn)了閥前后壓力和流量調(diào)節(jié)與穩(wěn)定控制。
圖2為流量自動調(diào)節(jié)原理示意圖，高壓泵輸出流量為Qv，由流量變送器TF測量并輸出信號xr傳給調(diào)節(jié)器C；給定信號xi是一個常數(shù)，由操作人員給定；調(diào)節(jié)器發(fā)出控制信號xc通過閥門定位器Pz作用在調(diào)節(jié)閥上。如流量下降，調(diào)節(jié)器C將調(diào)節(jié)閥開大，直到恢復到原定流量，當流量增加時，調(diào)節(jié)器將調(diào)節(jié)閥關小。圖3為泵與管網(wǎng)特性曲線，設高壓泵轉速恒定，工作點為管阻與泵特性曲線的交點(Qvo,P0)。當管路損失增加時，管路特性由曲線2變?yōu)榍€3，流量降為Qv1。為使流量恢復Qvo，需使調(diào)節(jié)閥開度增大，以減小管路損失，使管路特性曲線恢復至曲線2，流量Qv1重新恢復到給定值Qvo。反之當管路損失降低時，曲線偏移為4，自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)將調(diào)節(jié)閥關小，使流量Qv2恢復到Qvo。
圖4為閥前壓力自動調(diào)節(jié)示意圖，圖6為泵與主旁管路及整個管網(wǎng)系統(tǒng)特性曲線，假設給定某穩(wěn)定工況點(P0、Qvo)，此時被測閥閥前和旁路調(diào)節(jié)閥閥前壓力P1近似等于泵出口壓力P0高壓泵總流量為主管流量Qvc和旁路流量Qvb之和。試驗過程中被測閥閥前后壓力也都需要調(diào)節(jié)為試驗規(guī)定值。被測閥閥前壓力首先通過閥前旁路調(diào)節(jié)閥進行調(diào)節(jié)，然后通過被測閥及其閥后調(diào)節(jié)閥后壓力，如被測閥前壓力產(chǎn)生波動，再重復上述過程，直至使被測閥前后壓力逐步趨于試驗所規(guī)定的額定值。
如圖5所示，假設為了增大被測閥前后壓差，操作人員需要關小其開度，而此時主管阻力曲線將從2變?yōu)?′，而整個管網(wǎng)系統(tǒng)的阻力曲線隨之由3改變到3′，這時高壓泵出口壓力由P0增加到P01，閥前壓力隨之增大，則壓力變送器測得的被測閥門前壓力與給定值產(chǎn)生一個偏差，調(diào)節(jié)器C會控制旁管路調(diào)節(jié)閥開大，使旁路阻力變小，其阻力曲線由1變成1′，流量變?yōu)镼vb1，直至整個管網(wǎng)阻力曲線由3′返回3，使高壓泵出口壓力又趨于P0直至被測閥前后壓差增加至試驗所需要的規(guī)定值。反之為減小被測閥前后壓差，其原理與上述類似，但調(diào)節(jié)過程正好相反。
3．測試項目與試驗結果
根據(jù)用戶要求所需進行的減壓閥動態(tài)運行特性試驗包括“流阻——流量特性”試驗、“流量特性”試驗、“壓力特性”試驗、“流量系數(shù)”試驗及壽命(連續(xù)運行特性)試驗等。
3.1“流阻——流量特性”試驗
流阻特性試驗：保持被測閥門進口壓力不變，調(diào)節(jié)被測閥門的調(diào)節(jié)彈簧，得到不同的出口壓力和流量，找出流量和壓差的關系，并做出△P—Q曲線。
圖6～圖9中以Y43H—40 DNl00被測閥為例，分別保持某一閥前進口壓力(P1=4.0MPa、P1=3.0MPa、P1=2.5MPa、P1=1.6MPa)不變時的“流阻——流量特性”曲線圖。
3．2 “流量特性”試驗
給定被測閥前最高允許工作壓力，調(diào)節(jié)被測閥后為某一出口壓力，測定該工況下的流量值，然后調(diào)節(jié)流量至該工況的20％，測定兩種工況下的出口壓力偏差值△P1/P2。根據(jù)GB/T12245減壓閥試驗方法的要求|△P2/P2|平均值≤10％，考核流量變化時的閥后穩(wěn)壓能力，試驗數(shù)據(jù)見表1。
| P2/MPa | P1/MPa | Q/M3·h-1 | 0.2Q/M3·h-1 | P″2/MPa-1 | P″2-P′2/P′2 | ||
| 額定P2 | 實測P′2 | 實測 | 實測 | 額定 | 實測 | 實測 | |
| 1.00 | 0.99 | 3.00 | 35.29 | 7.06 | 7.01 | 1.15 | 16.16% |
| 1.20 | 1.20 | 3.01 | 39.00 | 7.80 | 7.77 | 1.19 | -0.83% |
| 1.40 | 1.41 | 3.00 | 40.57 | 8.11 | 8.21 | 1.39 | -1.42% |
| 1.60 | 1.58 | 3.03 | 42.57 | 8.51 | 8.41 | 1.60 | 1.27% |
| 1.80 | 1.80 | 3.02 | 47.87 | 9.57 | 9.66 | 1.75 | -2.78% |
3．3 “壓力特性”試驗
給定被測閥前最高工作壓力，調(diào)節(jié)被測閥為某一出口壓力，測得該工況下流量值，保持流量不變，使進口壓力在80％～105％最高工作壓力范圍內(nèi)變化，測定此時出口壓力偏差值△P2/P2根據(jù)GB/T12245要求|△P2/P2|平均值≤5％，考核進口壓力變化時的閥后穩(wěn)壓能力，試驗數(shù)據(jù)見表2。
| P1 | 0.8P1 | 0.85P1 | 0.9P1 | 0.95P1 | 1.05P1 | |
| 額定P1/MPa | 1.6 | 1.28 | 1.36 | 1.44 | 1.52 | 1.68 |
| 額定P′1/MPa | 1.6 | 1.28 | 1.36 | 1.44 | 1.51 | 1.68 |
| p2/MPa | 0.40 | 0.40 | 0.40 | 0.40 | 0.40 | 0.40 |
| p′2/MPa | 0.40 | 0.41 | 0.41 | 0.40 | 0.40 | 0.37 |
| (p′2-p2)/p2 | 0 | 2.5% | 2.5% | 0 | 0 | -7.5% |
| Q/M3·h-1 | 8.81 | 8.81 | 8.81 | 8.81 | 8.81 | 8.81 |
| Q′/M3·h-1 | 8.81 | 8.86 | 8.84 | 8.84 | 8.84 | 8.83 |
3．4 “流量系數(shù)”測量
流量系數(shù)：
是衡量流通能力的指標，流量系數(shù)值隨被測閥的尺寸、形式、結構而變化，目前先進工業(yè)國家已對減壓閥流量系數(shù)有比較深入的研究，而國內(nèi)尚比較缺乏對這此類產(chǎn)品深入的試驗與研究，表3為Y43H—40型減壓閥的流量系數(shù)試驗數(shù)據(jù)。
| 進口壓力P1/MPa | 進出口壓差△P/MPa | 出口壓力P2/MPa | 流量Q/M3·h-1 | Cv |
| 3.05 | 0.10 | 2.95 | 18.51 | 21.60 |
| 3.02 | 0.10 | 2.92 | 18.41 | 21.48 |
| 3.03 | 0.10 | 2.93 | 17.71 | 20.70 |
| Cv平均值 | 21.26 | |||
3．5 “連續(xù)運行特性”試驗
壽命(連續(xù)運行特性)試驗以某一頻率連續(xù)啟閉，考核彈簧、膜片磨損與壽命，每次啟閉為一試驗循環(huán)，單位時間動作次數(shù)為頻率。試驗循環(huán)次數(shù)與動作頻率應參照GB/T12245，表4中試驗次數(shù)按規(guī)定為5000次。
| 進口壓力P1/MPa | 出口壓力P2/MPa | 進出口壓差△P/MPa | 電磁閥啟閉n/次 | 彈簧膜片狀況 |
| 2.50 | 1.00 | 1.50 | 0 | 良好 |
| 2.27 | 1.00 | 1.27 | 2500 | 良好 |
| 2.47 | 1.00 | 1.47 | 4000 | 良好 |
| 2.17 | 1.00 | 1.17 | 4500 | 良好 |
| 2.41 | 1.00 | 1.41 | 5000 | 良好 |
4．試驗數(shù)據(jù)分析
為評定試驗精度需要對試驗數(shù)據(jù)進行誤差分析，限于篇幅本文僅以流阻試驗為例進行試驗誤差分析。設試驗過程中需要測試的一個工況點為：閥前壓力P1=4.OMPa，閥前后壓差△P=2.0MPa，表5所示為間隔一分鐘讀數(shù)所得到的十組試驗數(shù)據(jù)。
| 閥前壓力（MPa） | 閥前后壓差（MPa） | 流量（M3/h） | 測試時間 |
| 4.06 | 1.98 | 21.79 | 10:05 |
| 4.03 | 1.96 | 21.82 | 10:06 |
| 3.95 | 1.97 | 21.86 | 10:07 |
| 3.98 | 2.01 | 21.85 | 10:08 |
| 4.00 | 2.02 | 21.75 | 10:09 |
| 4.02 | 2.00 | 21.76 | 10:10 |
| 4.04 | 1.99 | 21.77 | 10:11 |
| 3.99 | 1.99 | 21.82 | 10:12 |
| 4.06 | 1.97 | 21.76 | 10:13 |
| 4.04 | 2.03 | 21.78 | 10:14 |
4.1 隨機誤差
首先計算10個流量值的平均值：
(3)
將表5中的數(shù)據(jù)代入式(3)得：
計算其偏差值的平方和：
(4)
將表5中的數(shù)據(jù)代入式(4)得：
計算測量值的均方根誤差和極限誤差：
(5)
(6)
將數(shù)據(jù)分別代入式(5)、(6)得到：
同時檢查Vi的值，如其中有大于△lim者，應將該測量值剔除，再重復上述步驟。
計算算術平均值的均方根誤差及其極限誤差：
(7)
(8)
將數(shù)據(jù)分別代入式(7)、(8)得到：
計算算術平均值的相對極限誤差：
(9)
將數(shù)據(jù)代入式(9)得到：
4．2 系統(tǒng)誤差
(1)根據(jù)系統(tǒng)配置的流量測試儀表精度等級得到：δy=±0.5%
(2)溫度變化引起的測量誤差：
試驗過程中由于水的密度隨水溫有所變化，將帶來流量測量誤差。設最大溫升為5℃(如溫度由28℃升高到33℃)，查水的物性表知：在一個大氣壓下，密度由996.23Kg/m3。變?yōu)?94.70Kg/m3，變化率為±0.1％，也就是說由于溫度升高給流量帶來的測量誤差為δt=±0.1%。
(3)水泵的非穩(wěn)定運行引起的測量誤差：
試驗過程中由于電網(wǎng)波動，水泵的揚程和流量產(chǎn)生波動所帶來流量測量誤差：δp=±0.1%。(計算過程略)
4．3 測試誤差
由上述隨機誤差和系統(tǒng)誤差，得到總測量誤差為：δ=±(1.5+0.5+0.1+0.1)%=±2.2%。
同理可計算得出閥前壓力、閥前后壓差的測量誤差分別為±2.1％和±2.3％。
5．結論
廠所合作研制減壓閥動態(tài)性能與壽命試驗裝置經(jīng)專家技術鑒定和使用效果證明，系統(tǒng)測試范圍寬、功能全、運行穩(wěn)定，測試項目及精度等均達到GB/12246—2006的要求，填補了國內(nèi)目前提出測試要求而無實測條件的空白。
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