Стандарты испытаний Института Гидравлики

Грегг Романишин и Мэтт Золник, Гидравлический институт
31 января 2013 года
Pumps & Systems, февраль 2013 года

Новый стандарт испытаний Гидравлического института ANSI/HI 14.6 Rotodynamic Pumps for Hydraulic Performance Acceptance Tests предоставляет насосному сообществу глобально признанный стандарт для тестирования ротодинамических насосов центробежного, смешанного и осевого типов. Этот стандарт заменяет два предыдущих: ANSI/HI 1.6 Centrifugal Pump Tests и ANSI/HI 2.6 Vertical Pump Tests. Новый стандарт содержит значительные изменения в требованиях к приемке испытаний и образовательном содержании. Также он включает важнейшие требования, которые необходимо знать всем, кто участвует в гидростатических или эксплуатационных испытаниях насосов.

С введением ANSI/HI 14.6 два значимых стандарта теперь имеют идентичные критерии приемки насосов с глобальным признанием. Вторым стандартом является ANSI/HI 11.6 Rotodynamic Submersible Pumps for Hydraulic Performance, Hydrostatic Pressure, Mechanical, and Electrical Acceptance Tests.

Более десяти лет предыдущие версии — ANSI/HI 1.6 и ANSI/HI 2.6 — служили стандартами, определяющими требования к испытаниям центробежных насосов. ANSI/HI 14.6 использует схожие методы и процедуры испытаний, но с заметными изменениями в требованиях к приемке и информационном содержании. Обновленный стандарт также имеет формат и структуру, которые обеспечивают быстрый и удобный доступ к информации о ротодинамических насосах, терминам и определениям, различным испытаниям на приемку, процедурам тестирования и полезным сведениям о характеристиках, производительности и рекомендациях по эксплуатации насосов.

Особенности применения ANSI/HI 14.6

ANSI/HI 14.6 предназначен исключительно для испытаний на специализированных испытательных стендах или в лабораториях и не может использоваться в полном объеме для полевых испытаний. Этот стандарт применяется к самому насосу (в пределах его фланцевого соединения), без учета арматуры и другого оборудования. Однако дополнительная информация об испытаниях насосов с использованием арматуры и других устройств содержится в приложениях стандарта. Если это согласовано между производителем/поставщиком и покупателем, насос также может быть испытан в комбинации с дополнительными элементами.

Различия между предыдущими версиями стандартов и новым стандартом достаточно значительны, чтобы привлечь внимание всего насосного сообщества.

Новые термины

• Нормативный (Normative): «То, что указано в стандарте, должно соблюдаться для его выполнения».
  (ANSI/HI 14.6, стр. vii)
• Информационный (Informative): «Написано для информирования и обучения пользователя, не требует обязательного соблюдения».
  (ANSI/HI 14.6, стр. vii)
• Гарантированная точка (Guarantee point): «Указанная и согласованная по контракту номинальная точка (рабочая точка)».
  (ANSI/HI 14.6, стр. 10)
• NPSH3: «Если не указано иное, используется 3-процентное снижение напора (принятое в отрасли), определяемое как NPSH3».
  (ANSI/HI 14.6, стр. 19)

Эти термины помогают насосному сообществу понять, какие процессы и процедуры обязательны для выполнения, а какие рекомендуется учитывать дополнительно. Определение NPSH3 уточняет, какой именно процент снижения напора используется для определения требуемого NPSH (NPSHR), устраняя двусмысленность. Таким образом, вместо термина NPSHR используется NPSH3.

Общие разделы

• испытания приемки насосов,
• неопределенность измерений,
• процедуры и условия испытаний,
• испытания гидростатического давления,
• рекомендуемые испытания,
• требования к испытаниям NPSH,
• измерение потребляемой мощности насосом,
• специальные методы испытаний.

Эти разделы предоставляют вводную информацию и контекст, предваряющие основные процедуры и методы. Такая структура улучшает логическую последовательность документа, подчеркивая значимость каждой темы и облегчая переход между разделами.

Классы приемки и допуски

Классы приемки производительности насосов по расходу, напору, КПД и мощности используются в стандарте ANSI/HI 14.6 для оценки соответствия насоса гарантированной точке. Важно отметить, что можно указать либо мощность, либо КПД, но не оба параметра одновременно. Предыдущие версии стандарта использовали два класса точности для критериев приемки насосов, в то время как ANSI/HI 14.6 вводит три класса. Таблица 14.6.3.4 добавлена в новый стандарт и используется для определения классов приемки и диапазонов допусков.

В стандарте используются шесть классов приемки производительности насосов: 1B, 1E, 1U, 2B, 2U и 3B.

• Класс 1 является наиболее строгим.
• Буква "U" указывает на односторонний диапазон допусков.
• Буква "B" указывает на двусторонний диапазон допусков.

Класс приемки 1E может использоваться, если важна энергоэффективность, и также подразумевает двусторонний диапазон допусков.

Примечания:

• Отклонения мощности и КПД не являются результатом точного расчета, выполненного с использованием максимальных значений, указанных в соответствующем столбце. Они отражают реальный опыт эксплуатации. Для классов 1E и 1U отрицательные допуски по КПД не допускаются.
• Все отклонения выражены в процентах от гарантированных значений.
• Другие рабочие точки и их допуски должны быть отдельно согласованы между поставщиком и покупателем. Если согласование по этим точкам отсутствует, по умолчанию используется класс приемки 3B.

Согласование класса приемки

Заказчик и производитель должны согласовать конкретный класс приемки, который будет использоваться для оценки соответствия насоса гарантированной точке. Если класс приемки не указан, стандарт по умолчанию применяет тестовый класс приемки, указанный в таблице 14.6.4.

Примечание: Эта таблица применяется только в случаях, когда заказчик и производитель согласовали контрольную точку производительности, но не указали класс приемочных испытаний.

Другие контрольные точки, включая их допуски, согласовываются между производителем и заказчиком. Если другие точки оговорены, но не указаны допуски, то для этих точек по умолчанию используется класс 3B.

Таблица 14.6.4. Стандартный класс приемки в зависимости от предполагаемого использования заказчиком

Оценка гарантированной точки

Оценка расхода, напора, мощности и КПД насоса проводится при номинальной скорости вращения. Чтобы определить, соответствует ли насос критериям приемки, строится график зависимости полного напора насоса от расхода и сравнивается с диапазонами допусков, установленными для указанного класса приемки. Гарантированная точка для приемки определяется как расход и напор при одном наборе условий. Аналогично строятся графики зависимости КПД и мощности от расхода, которые также оцениваются по диапазонам допусков, указанным для выбранного класса приемки.

Новый стандарт подробно объясняет, как использовать диапазоны допусков для определения соответствия насоса критериям приемки. Заказчик и поставщик должны договориться о допустимом уровне неопределенности при приемке.

Диапазоны допусков

В зависимости от класса приемки диапазоны допусков могут быть односторонними или двусторонними. Эти допуски формируют пересекающиеся линии ("крест"), и если кривая зависимости напора от расхода проходит хотя бы через одну из линий креста, производительность насоса считается приемлемой.

• Односторонний диапазон допусков:
  Определяются только две метки, ограничивающие длину двух линий креста, по которым должна проходить кривая производительности, при этом отрицательные допуски не допускаются.
• Двусторонний диапазон допусков:
  Определяются четыре линии креста, через которые может проходить кривая производительности, с допуском как положительных, так и отрицательных значений.

Этот подход обеспечивает точное и прозрачное определение соответствия насосов заявленным параметрам. 

• Кривая 1: Пересекает диапазон допусков по напору (P = зачет).
• Кривая 2: Пересекает диапазон допусков по расходу (P = зачет).
• Кривая 3: Пересекает как диапазон допусков по напору, так и по расходу (P = зачет).
• Кривая 4: Не пересекает ни один из диапазонов допусков (F = незачет).
• Кривая 5: Не пересекает ни один из диапазонов допусков (F = незачет).

Рисунок 14.6.3.4.2a. Односторонний допуск для приемки

На горизонтальной линии напора метки обозначают пределы допуска для расхода, а на вертикальной линии расхода метки обозначают пределы допуска для напора. Чтобы кривая успешно соответствовала критериям приемки, она должна проходить через линию, а не через метку.

На рисунке 14.6.3.4.2a приведены примеры односторонних и двусторонних допусков для приемки.

Этот подход обеспечивает ясное визуальное определение допустимых отклонений и помогает точно оценить, соответствует ли насос заявленным параметрам. 

• Кривая 1: Пересекает диапазон допусков по напору (P = зачтено).
• Кривая 2: Пересекает диапазон допусков по расходу (P = зачтено).
• Кривая 3: Пересекает оба диапазона допусков — по напору и расходу (P = зачтено).
• Кривая 4: Не пересекает ни один диапазон допусков (F = не зачтено).
• Кривая 5: Не пересекает ни один диапазон допусков (F = не зачтено). 

Рисунок 14.6.3.4.2b. Двусторонний допуск для приемки

Малые насосы

Новый стандарт включает критерии приемки для "малых" насосов с потребляемой мощностью до 10 кВт (13,4 л.с.), но больше 1 кВт (1,3 л.с.). Основные характеристики таких насосов:

• Низкая мощность,
• Малый диаметр рабочего колеса,
• Небольшие размеры.

Из-за этих характеристик допускается более широкий допуск по КПД, чем указано в таблице 14.6.3.4, поскольку строгие допуски могут быть слишком ограничивающими.

Особенности малых насосов делают их более чувствительными к обычным производственным отклонениям, а механические потери составляют значительную часть энергии, используемой для привода насоса. Кроме того, во время испытаний измеренные значения часто малы и сложны для точного измерения. Эти факторы повлияли на принятие следующих диапазонов допусков для насосов с потребляемой мощностью 10 кВт (13,4 л.с.) и менее:

• Расход (tQ): ± 10%
• Полный напор насоса (tH): ± 8%

Производитель и заказчик должны договориться о наборе допусков, которые будут использоваться при тестировании малых насосов. Если мощность насоса составляет 1 кВт (1,3 л.с.) или меньше, должны быть достигнуты специальные соглашения о допусках между производителем и заказчиком.

Рекомендации по испытаниям

Новый стандарт включает раздел, описывающий рекомендуемые испытания, помимо приемочных испытаний, основанных на расходе и напоре. Этот раздел находится в Приложении D и содержит информацию о типах испытаний в зависимости от типа насоса.

Типы испытаний включают:

• Производственные,
• Гидростатические,
• NPSH (доступный напор на входе),
• Механические.

Таблица D.1 (из Приложения D) служит руководством для определения дополнительных испытаний для насоса. 

Рекомендуемая матрица спецификаций для испытаний

Определения:

• Стандартные насосы: Насосы, которые ранее производились и имеют историю соответствия стандартам испытаний HI.
• Новый/уникальный дизайн: Насосы нового размера или с новыми конструктивными характеристиками.
• Критически важный сервис или приложение: Определяется заказчиком.

Таблица D.1. Матрица рекомендуемых испытаний

Приложение D включает таблицу D.1, которая представляет собой матрицу рекомендуемых испытаний, основанных на типах насосов. Эта таблица помогает определить дополнительные испытания, которые могут быть необходимы для обеспечения соответствия насоса эксплуатационным требованиям.

Испытание полной системы (String Test)

Еще одним важным дополнением нового стандарта является Приложение G (string test), которое охватывает тестирование производительности всей насосной системы, включая:

• двигатель,
• насос,
• привод (например, редуктор, ременной привод и т. д.).

Этот метод менее точен для определения реального КПД насоса, поскольку мощность, подаваемая на вал насоса, рассчитывается с учетом опубликованных КПД двигателя и привода. Однако эти значения КПД не всегда известны с высокой точностью, что делает расчет подводимой мощности менее точным по сравнению с методами, где крутящий момент и частота вращения вала измеряются напрямую.

Несмотря на ограниченную точность, string test может быть полезен для общей оценки работы всей насосной системы в реальных условиях эксплуатации.

Примечания:

• Точность КПД насоса уменьшается с увеличением количества влияющих факторов.
• ЧРП (частотно-регулируемый привод) добавляет дополнительные коррекционные факторы в расчет КПД.

Таблица G.1. Факторы, влияющие на расчет КПД насоса для различных конфигураций

Когда частотно-регулируемый привод (ЧРП/VFD) используется в составе системы, точное определение подводимой мощности к валу насоса становится сложной задачей. Хотя многие ЧРП предоставляют данные о выходной мощности, это значение является приблизительным и обычно недостаточно точным для приемочных испытаний. Кроме того, такие измерения не учитывают снижение КПД двигателя при работе от ЧРП. Таблица G.1 может быть использована для сравнения факторов, влияющих на расчет КПД насоса в конфигурациях с полным тестированием системы (string test).

Гидростатическое испытание

Обновлены параметры гидростатического давления и продолжительности испытания. Давление испытания связано с номинальным давлением при температуре окружающей среды для тестируемого элемента и определяется следующим уравнением:

Ptest = K1 × K2 × Prated

Где:

• Ptest — гидростатическое давление испытания,
• Prated — номинальное давление при рабочей температуре,
• K1 — коэффициент, значение которого определяется спецификацией насоса, но не должно быть менее 1.3 (за исключением термореактивных частей),
• K2 — коэффициент, определяемый прочностью материала: допустимое напряжение при температуре окружающей среды/допустимое напряжение при рабочей температуре.\text{допустимое напряжение при температуре окружающей среды} / \text{допустимое напряжение при рабочей температуре}.допустимое напряжение при температуре окружающей среды/допустимое напряжение при рабочей температуре.

Продолжительность испытания определяется уровнем номинального давления: для частей, подвергаемых более высоким давлениям, требуется больше времени на испытание.

Почему следует применять стандарт ANSI/HI 14.6?

Гидравлический институт (HI) публикует стандарты, охватывающие определения, номенклатуру, области применения насосов, их установку, эксплуатацию и важные процедуры тестирования для различных типов насосов.

Эти стандарты помогают избежать дорогостоящих ошибок в проектах насосных систем, повышают их эффективность, предоставляют подробные рекомендации по устранению неполадок и предлагают множество других преимуществ. Поэтому для пользователей насосов, инжиниринговых компаний, производителей насосов (OEM), дистрибьюторов и поставщиков оборудования крайне важно следить за актуальными версиями стандартов.

Контакты авторов:

• Грегг Романишин — технический директор Гидравлического института.

• Мэтт Золник — инженер по стандартам Гидравлического института.