专利名称：一种测试管道内壁摩擦阻力系数的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测试管道内壁摩擦阻力系数的方法及其装置，更特别的说，是指一种采用测试管道不同位置处的压强以及管道末端气体流速的方法，计算出管道内壁摩擦阻力系数的方法，并设计加工了整套试验装置，属于管道压力及摩擦阻力测试技术领域。
背景技术：
在天然气管道的输送过程中，泵站的全部动力几乎用于管道内壁的摩擦阻力，因此在泵站动力设计的过程中，管道内壁摩擦阻力系数是设计的关键因素，如何快速、高效、 准确地测试出管道内壁的摩擦阻力系数，为天然气管道泵站设计提供数据支持，是目前研究的热点和难点。高速风洞是一种测试管道内壁摩擦阻力系数的方法，但是风洞的消耗费用非常大，而且在试验测试过程中，对测试样品的直线度、圆度、圆柱度、垂直度、挠度变形等的要求非常高，不能快速准确地测试出管道内壁的摩擦阻力系数，因此新的测试方法和手段需要开发、研究和探讨。
发明内容
1、目的本发明的目的是提供一种测试管道内壁摩擦阻力系数的方法及其装置， 它能够快速、准确、高效地测试出管道内壁的摩擦阻力系数。而且通过湍流舒缓段的控制保证了湍流强度，可升降管道支架保证了管道的直线度和水平度，多管倾斜式微压计保证了实验精度。因此，本发明在测试管道内壁摩擦阻力系数的过程中具有重要的意义。2、技术方案1)本发明一种测试管道内壁摩擦阻力系数的装置，它是由高速风机、变频器、湍流舒缓段、管道支架、管道、多管压力计、皮托管、斜管微压计组成。它们之间的位置连接关系是变频器通过导线和高速风机相连，用来控制高速风机的转速，以保证整个测试装置的风速；湍流舒缓段的前端和高速风机出口连接，后端和管道连接，以降低高速风机出口出的湍流强度，得到相对舒缓和稳定的气流；为了保证管道中心和高速风机出口中心在同一高度，管道要放置于管道支架上，同时为了保证管道连接处的水平，管道支架要设计可调机构；该装置中为了测试管道不同位置处的压强，要在管道的不同位置加工测压孔，测压孔通过三通以及橡胶软管与多管微压计相连，从而来测试管道不同位置处的压强；在管道末端，用皮托管测试管道内部的风速，皮托管和斜管微压计相连，通过斜管微压计的显示数测试管道内部的风速。所述高速风机是离心式高速风机，产地为中国台湾省，流量为70立方米/分钟 (以m7min代替，以下同)，全压为550毫米(以mm代替，以下同)水柱，最大功率为15千瓦(以KW代替，以下同)；所述变频器是东元牌的数字可调变频器，产地为中国台湾省，可调频率为0-50赫兹(以Hz代替，以下同)，精度为0.01Hz，额定最大功率为18. 5Kw；
4
所述湍流舒缓段是通过机械加工的方法制造的管状件，管的一端连接普通平法兰，另一端连接大小喇叭口法兰；其功能是降低高速风机出口处气流的湍流强度；所述管道支架是通过机械加工的方法制造的普通金属结构支架，见图4，管道支架的四个立柱或支腿通过丝杆机构，可以实现高度上下可调；所述管道为要测试内壁摩擦阻力系数的金属管测试段，外径为11. km，壁厚为 0. 45cm ；所述多管压力计是通过机械加工方式组装而成的压力测试仪，它主要由13根玻璃管组成，玻璃管的外径为8mm，壁厚为1mm，长度为50mm，工作介质为分析纯酒精，最小刻度为1mm，最大量程为3000帕(以pa代替，以下同)；所述毕托管主要由6根内径为Imm的铁质细管组成，通过升降杆机构调节高度；其功能是测试管道末端出口处的风速；所述斜管微压计，主要由一根壁厚为3mm，外径为15mm，长度为40cm的玻璃管组成，最小刻度为1mm，读数精度为0. 2mm,倾斜系数可调为0. 2,0. 4,0. 6,0. 8，最大量程为 20001 ;其功能是通过读取斜管微压计的显示数，确定毕托管测量点的压强。其中，该高速风机的型号为TB20020 ；其中，该变频器型号为SPEEC0N7300PA ；其中，该管道的长度为6米，每组数量为6根；其中，该湍流舒缓的长度为80厘米，法兰直径为22cm，法兰厚度为3cm ；其中，该管道支架的可调范围为20cm-45cm ；其中，该斜管微压计型号为YYT-200压力计。2)本发明一种测试管道内壁摩擦阻力系数的方法，该方法具体步骤如下步骤一测试方案的选
为保证测试的精度以及仪器的量程满足测试要求，在管道内壁摩擦阻力系数测试前，要对试验方案进行选择和研究。圆管流动管道内壁流体压强随轴向距离的增加呈线性下降趋势，壁面切应力(摩擦阻力)正比于单位管长压降，也就是说管道越长，管道内壁的流体压强下降，而相应的摩擦阻力加大；这使得我们可以简单有效地通过管流测压实验来对管道内壁的摩擦阻力系数进行测试。步骤二 测试段的选择考虑到实验的可行性，选取了 114*4. 5(外径*壁厚，单位毫米)的无缝钢管作为测试管道。钢管通过管钳箍连接起来，连接处用密封胶密封。该测试装置的总体布局图如图1、图5所示。其中采用离心式高速风机提供气源，用变频器调节风速，高速风机与管道之间要有湍流舒缓段，并采用法兰连接，如图2所示。变频器可以在0-50Hz之间以0. OlHz的精度调节。实验中最小频率为0Hz，最大为50Hz。步骤三测压孔的布置测压孔布置如图3所示。第一个测压位置距管道入口约562倍管道内径，满足大于40倍管径的条件-即5. 9米左右的位置。测压孔布置在接缝前100毫米和接缝后300 毫米，这样可以评估接缝的形状阻力对测量结果的影响。每个测压位置打两个测压孔，间隔四分之一圆弧，通过三通连接到一根测压管。测压孔直径1. 6毫米。
5
步骤四实验精度分析在实验过程中，压力测量采用多管压力计，管道中心风速测量采用毕托管和斜管微压计，其中环境温度由温度计监测。压强和风速测量的误差主要来自多管压力计酒精柱的读数误差。假设多管压力计倾角为45度，工质为分析纯酒精，环境温度为0度，当地重力加速度为9. 8米/秒2，多管微压计的读数误差为0. 5毫米(二分之一最小刻度)，则压强测量的绝对误差为2. 8帕(以 1 代替，以下同)。而管道的总压降和管道中心动压誉为300-3000Pa，因此测量的误差可以控制在0. 1% -1%之间，完全满足实验要求。步骤五管道支架的设计与制造由于地面的高低不平，在实验过程中，要保证管道之间的对接有足够的水平度和直线度，因此要设计并制造可升降的管道支架，如图4所示。步骤六测试装置总装、接线及调试将变频器和高速风机通过导线连接；将湍流舒缓段前端和后端通过螺栓分别和高速风机出气口和管道连接，在连接过程中保证接口的密封性；将管道置于管道支架之上，通过高度调节装置来保证管道接口处的水平，并在接口处涂覆密封胶后用卡箍抱紧；将多管微压计通过橡胶软管和测压孔相连；将毕托管放置于管道中心处，通过橡胶软管和斜管微压计相连接；接通电源，通过调节变频器的频率控制测试装置风速，每调节一次变频器读数，记录多管微压计的数值，从而可以得出管道的内壁摩擦阻力系数的测试。其中，步骤二中所述的变频器的调节是每间隔2. 5Hz测量一次；其中，步骤三中所述的测压孔直径为1. 6毫米。3、优点及功效本发明一种测试管道内壁摩擦阻力系数的方法及其装置(1)高速稳定风机的选择保证了实验过程中气流的平稳，在风机和管道之间设计了湍流舒缓段保证了气体的湍流强度。(2)测试装置中可升降的管道支架保证了管道和管道之间连接的直线度和水平度。(3)测试装置中的多管压力计保证了测试的实验精度。
图1是 f道内壁测试管段示意图
图2是测试装置系统的湍流舒缓段
图3是测试装置系统测压孔示意图
图4是可升降调节支架图
图5是本发明的测试装置结构方框平面示意图
图6是本发明的流程方框示意图
图7是1f道压力测量结果图
图8是1f道中心风速测量图
图9是1f道内壁摩擦系数测量结果图
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。1)见图5，本发明一种测试管道内壁摩擦阻力系数的装置，它是由高速风机、变频器、湍流舒缓段、管道支架、管道、多管压力计、皮托管、斜管微压计组成。它们之间的位置连接关系是变频器通过导线和高速风机相连，用来控制高速风机的转速，以保证整个测试装置的风速；湍流舒缓段的前端和高速风机出口连接，后端和管道连接，以降低高速风机出口出的湍流强度，得到相对舒缓和稳定的气流；为了保证管道中心和高速风机出口中心在同一高度，管道要放置于管道支架上，同时为了保证管道连接处的水平，管道支架要设计可调机构；该装置中为了测试管道不同位置出的压强，要在管道的不同位置加工测压孔，测压孔通过三通以及橡胶软管与多管微压计相连，从而来测试管道不同位置处的压强；在管道末端，用皮托管测试管道内部的风速，皮托管和斜管微压计相连，通过斜管微压计的读数来测试管道内部的风速。所述高速风机是离心式高速风机，产地为中国台湾省，型号为TB20020，流量为70 立方米/分钟(以m7min代替，以下同)，全压为550毫米(以mm代替，以下同)水柱， 最大功率为15千瓦(以KW代替，以下同)；所述变频器是东元牌的数字可调变频器，产地为中国台湾省，型号为SPEEC0N7300PA，可调频率为0_50赫兹(以Hz代替，以下同)，精度为0. 01Hz，额定最大功率为18. 5Kw ；所述湍流舒缓段为通过机械加工的方法制造的，长度为80厘米(以cm代替，以下同)，前后两端焊接法兰，法兰直径为22cm，法兰厚度为3cm， 见图2 ；所述管道支架是通过机械加工的方法制造的，通过丝杆机构，可以实现高度可调， 支撑部位可调范围为20cm，见图4 ；所述管道为要测试内壁摩擦阻力系数的测试段，外径为 11. 4cm，壁厚为0.45cm，单根管道长度为6米(以m代替，以下同)每组数量为6根，共四组，见图1 ；所述多管压力计是通过机械加工方式组装而成的，由13根玻璃管组成，玻璃管的外径为8mm，壁厚为1mm，长度为50mm，工作介质为分析纯酒精，最小刻度为1mm，最大量程为3000帕(以pa代替，以下同)；所述毕托管主要由6根内径为Imm的细管组成，通过升降杆机构调节高度；所述斜管微压计型号为YYT-200压力计，由一根壁厚为3mm，外径为15mm， 长度为40cm的玻璃管组成，最小刻度为1mm，读数精度为0. 2mm，倾斜系数可调为0. 2,0. 4、 0. 6,0. 8，最大量程为2000Pao2)见图6，本发明一种管道内壁摩擦系数的测试方法，该方法具体步骤如下步骤一测试方案选择为保证测试的精度以及仪器的量程满足测试要求，在管道内壁摩擦阻力系数测试前，要对试验方案进行选择和研究。圆管流动管道内壁流体压强随轴向距离的增加呈线性下降趋势，壁面切应力(摩擦阻力)正比于单位管长压降，这使得可以简单有效地通过管流测压实验来对管道内壁的摩擦阻力系数进行测试。步骤二 测试段的选择考虑到实验的可行性，选取了 114*4. 5(外径*壁厚，单位毫米)的无缝钢管作为测试管道。钢管通过管钳连接起来，连接处用胶密封。步骤三测压孔的布置测压孔布置在接缝前100毫米和接缝后300毫米，这样可以评估接缝的形状阻力对测量结果的影响。每个测压位置打两个测压孔，间隔四分之一圆弧，通过三通连接到一根测压管。步骤四实验精度的保证
在实验过程中，压力测量采用倾斜式多管微压计管道中心风速测量采用皮托管和倾斜式微压计其中环境温度由温度计监测。步骤五管道支架的设计与制造由于地面的高低不平，在实验过程中，要保证管道之间的对接有足够的水平度和直线度，因此要设计并制造可升降的管道支架。如图4所示。步骤六测试装置总装、接线及调试将变频器和高速风机通过导线连接；将湍流舒缓段前端和后端通过螺栓分别和高速风机出气口和管道连接，在连接过程中保证接口的密封性；将管道置于管道支架之上，通过高度调节装置来保证管道接口处的水平，并在接口处涂覆密封胶后用卡箍抱紧；将多管微压计通过橡胶软管和测压孔相连；将毕托管放置于管道中心处，通过橡胶软管和斜管微压计相连接；接通电源，通过调节变频器的频率控制测试装置风速，每调节一次变频器读数，记录多管微压计的数值，从而可以得出管道的内壁摩擦阻力系数的测试。其中，步骤二中所述的钢管长度为6米，数量为6根；其中，步骤三中所述的测压孔直径为1. 6毫米；实施例1 步骤一测试方案选择在试验过程中，圆管流动管道内壁流体压强随轴向距离的增加呈线性下降趋势， 壁面切应力(摩擦阻力)正比于单位管长压降，这使得可以简单有效地通过管流测压实验来对管道内壁的摩擦阻力系数进行测试。步骤二 测试段的选择测试实验选取了 114*4. 5 (外径*壁厚，单位毫米)的无缝钢管作为测试管道。 每根钢管长6米，6根钢管连接处用胶密封，每组数量为6根，共四组；外面通过卡箍抱紧。步骤三测压孔的布置测试试验中，测压孔布置在接缝前100毫米和接缝后300毫米，每个测压位置打两个测压孔，间隔四分之一圆弧，通过三通连接到一根测压管，该测压管的外径为114mm，壁厚为4. 5mm，长度是6m，测压孔直径1. 6mm，贯穿管道壁。见图3.步骤四实验精度的保证在实验过程中，压力测量采用多管压力计，管道中心风速，采用皮托管和斜管微压计，其中环境温度由温度计监测，压力测量的结果是如图7所示，管道中心风速测量的结果如图8所示，环境温度是-2摄氏度，结论是采用本测试方法和装置可以快速准确地测试出管道内壁的摩擦阻力系数。步骤五管道支架的设计与制造由于地面的高低不平，在实验过程中，要保证管道之间的对接有足够的水平度和直线度，因此要设计并制造可升降的管道支架。该可升降管道支架的可调范围在20mm，通过螺纹机构保证了可升降功能的实现。步骤六测试装置总装、接线及调试将变频器和高速风机通过导线连接；将湍流舒缓段前端和后端通过螺栓分别和高速风机出气口和管道连接，在连接过程中保证接口的密封性；将管道置于管道支架之上，通过高度调节装置来保证管道接口处的水平，并在接口处涂覆密封胶后用卡箍抱紧；将多管微压计通过橡胶软管和测压孔相连；将毕托管放置于管道中心处，通过橡胶软管和斜管微压计相连接；接通电源，通过调节变频器的频率控制测试装置风速，每调节一次变频器读数，记录多管微压计的数值，得到管道内壁测试结果如图9所示。
从而完成管道的内壁摩擦阻力系数的测试。
权利要求
1.一种测试管道内壁摩擦阻力系数的装置，其特征在于它是由高速风机、变频器、湍流舒缓段、管道支架、管道、多管压力计、毕托管和斜管微压计组成，变频器通过导线和高速风机相连，用来控制高速风机的转速，以保证整个测试装置的风速；湍流舒缓段的前端和高速风机出口连接，后端和管道连接，以降低高速风机出口出的湍流强度，得到舒缓稳定的气流；管道放置于设有可调机构的管道支架上；为了测试管道不同位置处的压强，在管道的不同位置加工有测压孔，测压孔通过三通和橡胶软管与多管压力计相连；在管道末端，用毕托管测试管道内部的风速，毕托管和斜管微压计相连，通过斜管微压计的显示数测试管道内部的风速；所述高速风机是离心式高速风机； 所述变频器是数字可调变频器；所述湍流舒缓段是管状件，管的一端连接普通平法兰，另一端连接大小喇叭口法兰，其功能是降低风机出口处气流的湍流强度；所述管道支架是普通金属结构支架，管道支架的四个立柱通过丝杆机构，实现高度上下可调；所述管道是要测试内壁摩擦阻力系数的金属管测试段；所述多管压力计是一种压力测试仪，它由13根玻璃管组成，工作介质为分析纯酒精； 所述毕托管由6根内径为Imm的铁质细管组成，通过升降杆机构调节高度；其功能是测试管道末端的出口处的风速；所述斜管微压计由一根壁厚为3mm，外径为15mm，长度为40cm的玻璃管组成，最小刻度为1mm，读数精度为0. 2mm，倾斜系数可调为0. 2,0. 4,0. 6,0. 8，最大量程为2000Pa，其功能是通过读取斜管微压计的示数，确定毕托管测量点的压强。
2.一种测试管道内壁摩擦阻力系数的方法，其特征在于该方法具体步骤如下 步骤一测试方案的选择为保证测试的精度以及仪器的量程满足测试要求，在管道内壁摩擦阻力系数测试前， 对试验方案进行选择和研究；圆管流动管道内壁流体压强随轴向距离的增加呈线性下降趋势，壁面切应力即摩擦阻力正比于单位管长压降，也即管道越长，管道内壁的流体压强下降，而相应的摩擦阻力加大；这有效地通过管流测压实验来对管道内壁的摩擦阻力系数进行测试；步骤二 测试段的选择选取114*4. 5的无缝钢管作为测试管道，钢管通过管钳箍连接，连接处用密封胶密封； 用离心式高速风机提供气源，用变频器调节风速，高速风机与管道之间有湍流舒缓段，并采用法兰连接，变频器在0-50Hz之间以0. OlHz的精度调节； 步骤三测压孔的布置第一个测压孔位置距管道入口 40-56. 2倍管道内径，测压孔布置在接缝前100毫米和接缝后300毫米，每个测压位置设置两个测压孔，间隔四分之一圆弧，通过三通连接到一根测压管；步骤四实验精度分析压力测量采用多管压力计，管道中心风速测量采用毕托管和斜管微压计，环境温度由温度计监测；压强和风速测量的误差来自多管压力计酒精柱的读数误差；设多管压力计倾角为45度，工质为分析纯酒精，环境温度为0度，当地重力加速度为9. 8米/秒2，多管压力计的读数误差为0. 5毫米，压强测量的绝对误差为2. 8帕，而管道的总压降和管道中心动压约为300-3000Pa，因此测量的误差控制在0. 1% _1 %之间，满足实验要求；步骤五管道支架的设计与制造由于地面的高低不平，在实验过程中，要保证管道之间的对接有足够的水平度和直线度，因此，设计并制造能升降的管道支架；步骤六测试装置总装、接线及调试将变频器和高速风机通过导线连接；将湍流舒缓段前端和后端通过螺栓分别和高速风机出气口和管道连接，在连接过程中保证接口的密封性；将管道置于管道支架之上，通过高度调节装置来保证管道接口处的水平，并在接口处涂覆密封胶后用卡箍抱紧；将多管压力计通过橡胶软管和测压孔相连；将毕托管放置于管道中心处，通过橡胶软管和斜管微压计相连接；接通电源，通过调节变频器的频率控制测试装置风速，每调节一次变频器读数，记录多管压力计的数值，从而完成管道的内壁摩擦阻力系数的测试。
3.根据权利要求1所述的一种测试管道内壁摩擦阻力系数的装置，其特征在于该高速风机的流量为70立方米/分钟，全压为550毫米水柱，最大功率为15千瓦。
4.根据权利要求1所述的一种测试管道内壁摩擦阻力系数的装置，其特征在于该变频器可调频率为0-50赫兹，精度为0. 01Hz，额定最大功率为18. 5Kw。
5.根据权利要求1所述的一种测试管道内壁摩擦阻力系数的装置，其特征在于该管道的外径为11. 4cm，壁厚为0. 45cm，长度为6米，数量为6根。
6.根据权利要求1所述的一种测试管道内壁摩擦阻力系数的装置，其特征在于该多管压力计，其玻璃管的外径为8mm，壁厚为1mm，长度为50mm，最小刻度为1mm，最大量程为 3000 帕。
7.根据权利要求1所述的一种测试管道内壁摩擦阻力系数的装置，其特征在于该湍流舒缓段的长度为80厘米，法兰直径为22cm，法兰厚度为3cm。
8.根据权利要求1所述的一种测试管道内壁摩擦阻力系数的装置，其特征在于该管道支架的可调范围为20cm-45cm。
9.根据权利要求2所述的一种测试管道内壁摩擦阻力系数的方法，，其特征在于在步骤二中所述的变频器的调节是每间隔2. 5Hz测量一次。
10.根据权利要求2所述的一种测试管道内壁摩擦阻力系数的方法，其特征在于在步骤三中所述测压孔的直径为1. 6毫米。
全文摘要
一种测试管道内壁摩擦阻力系数的装置，它是由高速风机、变频器、湍流舒缓段、管道支架、管道、多管压力计、毕托管和斜管微压计组成，变频器和高速风机相连，湍流舒缓段的前端和高速风机出口连接，后端和管道连接；管道置于设有可调机构的管道支架上；在管道的不同位置加工有测压孔，测压孔通过三通及软管与多管微压计相连；在管道末端，用皮托管测试管道内部的风速，皮托管和斜管微压计相连。一种测试管道内壁摩擦阻力系数的方法，它有六大步骤一、测试方案的选择；二、测试段的选择；三、测压孔的布置；四、实验精度分析；五、管道支架的设计与制造；六、测试装置总装、接线及调试。本发明在管道压力及摩擦阻力测试技术领域里具有应用价值。
文档编号G01N19/02GK102269690SQ20111011263
公开日2011年12月7日 申请日期2011年5月3日 优先权日2011年5月3日
发明者姜兴刚, 张德远, 张景建, 陈华伟, 雒悦豪 申请人:北京航空航天大学