介质流向对偏心旋转阀冲蚀的影响

刘柏圻，王伟波，廖 静，杨恒虎

(1.重庆川仪自动化股份有限公司 技术中心调节阀研究所，重庆 400707；2.重庆川仪调节阀有限公司，重庆 400707)

引言

偏心旋转阀是一种结构特殊的调节阀。其最主要的结构特点是阀芯旋转轴线与阀芯密封球面中心有一定偏心距，除了全关位置，阀芯阀座始终不接触。主要用于大容量、可调范围大、含软质料浆流体的调节。由于其严苛的工况条件，冲蚀现象时有发生，严重影响阀门寿命。因此提高阀门耐磨损、抗冲蚀的能力对企业降本增效尤为重要。

柴震宇等[1]、徐维普等[2]提出采用喷涂或堆焊阀体内腔及阀内件等表面处理方法提高阀门的耐冲蚀性能，但成本较高。汪新春等[3]、金伟等[4]、干敏耀等[5]采用数值模拟进行了阀门性能分析，得到内部流场的可视化云图，为实际工程优化设计提供技术支撑。邵洋等[6]、张伟政等[7]研究介质流向对阀门流通能力和流阻的影响，为阀门安装方式提供了一定的参考依据。姚静等[8]进行了开关阀不同温度、压差、阀口开度对其液压力的影响研究。王洋定等[9]进行了阀芯行程对角座阀流量特性的研究。崔宝玲等[10]研究了阀芯结构对阀门流阻特性和内部流动特性的影响。

某石化公司焦化装置偏心旋转阀已采用零件喷焊及阀体内腔喷涂硬化处理，但冲蚀破坏仍然严重，伴随异响及喘振，寿命只有3个月左右，其零部件受损照片如图1所示。本研究以其为研究对象，并基于上述研究，通过流场分析，研究了介质流向与其流量特性之间的关系，以及流向对阀芯及阀座冲蚀的影响[11-17]。

图1 某石化公司焦化装置偏心旋转阀冲蚀破坏受损照片

1 模型建立

DN50-ANSI600偏心旋转阀三维实体模型采用UG软件建立，为方便分析，在不影响分析结果的基础上对3D实体模型的铸字和圆角等进行适当简化，其中全关时的3D实体模型如图2所示。

图2 偏心旋转阀3D结构模型

2 流量特性分析

2.1 流量系数计算理论

根据GB/T 17213.9—2005《工业过程控制阀 第2-3部分：流通能力 试验程序》对流量试验的要求[18]，计算流量系数，具体见式(1)：

(1)

式中，Q—— 被测体积流量，m3/h

Δp—— 阀门上下游取压口的压力差，kPa

ρ1—— 流体的密度，kg/m3

ρ0—— 15.5 ℃时的水密度为999, kg/m3

N1—— 为0.0865

2.2 流体域模型建立

根据上述标准要求，入口管道长度取2倍管道公称通径，出口管道长度取6倍管道公称通径，模型为对称结构，取一半模型计算。偏心旋转阀90°流开和流闭流体域模型及流向如图3所示。

图3 流场计算模型

2.3 网格划分

分别建立偏心旋转阀90°,80°,70°,60°,50°,40°,30°,20°,10°的位置模型，采用Meshing进行网格划分。阀前后流道区域划分六面体网格，阀内区域划分四面体网格，并对阀芯边缘、阀座边缘附近的网格进行细化处理，保证最小节流处的网格在3层及以上。以阀门出口流体流量和平均流速作为流道区域网格无关性检验的依据，其中90°流开模型数据如表1所示。

表1 流体域网格无关性检验数据

由表1可知：网格数从342564增加到453880时，流量增加0.79%，速度提高0.69%。网格数从453880增加到561123时，流量减小0.35%，速度提高0.17%。相比较而言，当网格数达到453880以上时，流量及速度变化量可以忽略不计。同时考虑模拟计算精度、时间成本和工作量，控制网格数在453880左右较为合适。

偏心旋转阀90°流开和流闭流体域最终网格模型如图4所示。

图4 流体域网格划分

2.4 CFD理论模型

基于连续性方程、动量方程和能量方程，本研究偏心旋转阀稳态流场仿真计算采用标准k-ε湍流双方程构成封闭方程组，其理论方程如下：

(1)湍动能k方程：

(2)

(2)湍流耗散率ε方程：

(3)

式中,Gk—— 平均速度梯度引起的湍动能生成项

ρ—— 为介质密度

μ—— 介质黏度

Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

2.5 边界条件

通过Fluent软件对偏心旋转阀进行流场仿真分析。介质为常温水；入口介质流速为5 m/s，出口静压为0(大气压)；设置对称面，湍流强度为5%，水力直径为50 mm；流体域介质接触面设置为绝热、边壁无滑移；采用SIMPLE算法。

2.6 流量系数模型流场分析

以偏心旋转阀90°流开和流闭流体域模型流场分析结果为例进行说明，横截面流线云图如图5所示。

由图5可知：流开横截面最大流速为30.31 m/s，阀腔内形成大量旋涡；流闭横截面最大流速为37.01 m/s，旋涡主要集中在阀后管道处；流开和流闭模型最大流速均出现在阀座和阀芯节流部位。

图5 横截面流线云图

2.7 开度-Cv曲线分析

分别对偏心旋转阀流开、流闭2类模型10°～90°下的内部流场进行模拟分析，得到各开度下的阀门流量和进出口压差。根据式(1)计算得到各开度Cv值，如表2所示，另外“开度-Cv”特性曲线如图5所示。

表2 “开度-Cv”数据表

结果表明：对偏心旋转阀流开和流闭模型，在0～30°之间流量增长均较为平缓，30°～70°流量增长均较为迅速，30°流通能力均达到全开流量的20%；两模型70°时Cv已接近额定Cv，且在0～70°之间均可进行有效的流量调节，70°～90°之间不具备流量调节能力；除80°外，其余开度流闭模型Cv均大于流开模型Cv。

根据图6曲线，分别拟合出流开和流闭模型“开度-Cv多项式，如式(4)和式(5)所示。

图6 “开度-Cv”特性曲线

y1=4.50551E-10x6-5.93707E-08x5-

2.59958E-06x4+5.93148E-04x3-

1.93247E-02x2+3.04431E-01x-

1.97212E-02

(4)

y2=3.02544E-10x6+5.60468E-09x5-

1.16823E-05x4+1.11060E-03x3-

3.09213E-02x2+3.92282E-01x-

3.74927E-02

(5)

式中，y1—— 流开Cv值

y2—— 流闭Cv值

x—— 阀门开度

3 实际工况阀门内部流场分析

3.1 工况说明

本研究偏心旋转阀实际工况介质为360 ℃焦化油，密度为774 kg/m3，动力黏度为4.666 MPa·s。根据实际工况的流量和压差(阀前后压力均为表压)，由式(1)分别计算流开和流闭模型各工况Cv，然后通过式(4)和式(5)分别计算相应工况的开度，具体参数如表3所示。

表3 工况参数表

3.2 设计工况流场分析

根据3.1部分计算的开度，建立偏心旋转阀在各实际工况的三维流体域模型，仿真计算采用进出口实际压力边界，理论模型、网格划分和其余设置与流量特性分析设置相同。

1)流量分析

通过仿真计算得到偏心旋转阀流开和流闭模型对应的各工况流量大小，具体如表4所示。

表4 各工况流量数据表 kg·h-1

由表4可知：流开和流闭模型各工况开度仿真流量均与实际工况流量非常接近，证明了“开度-Cv多项式”拟合的正确性。

2)云图分析

偏心旋转阀工况1，2，3的流开和流闭模型的阀内流线云图分别如图7～图9所示。

图7 工况1流线云图

图8 工况2流线云图

图9 工况3流线云图

分析上述云图可知：对流开和流闭两类模型，介质流经阀门时，3种工况均在阀芯和阀座节流处形成最大流速；阀门流开，工况1最大流速为93 m/s，工况2最大流速为97.6 m/s，工况3最大流速为97.92 m/s，且3种工况介质在阀腔内部流动极不稳定，形成大量的涡旋；阀门流闭，工况1最大流速为99.1 m/s，工况2最大流速为104.2 m/s，工况3最大流速为89.96 m/s，且3种工况介质在阀腔内部流动较为稳定，形成少量的涡旋；从工况1到工况3，即随阀门开度减小，流开和流闭模型形成的旋涡均逐渐增加，流体流动均更加紊乱。

通过对比流开和流闭模型可知：工况1和工况2，流开模型阀内部最大流速均小于流闭模型，工况3流开模型阀内部最大流速均大于流闭模型，但两模型各工况流速相差不是太大。只对阀腔内部而言，流闭模型腔内旋涡明显远少于流开模型，而旋涡的存在会使阀体内腔介质分布不均匀，不仅严重阻碍流体流动，也会导致介质不断旋转反复冲刷阀腔，易对阀门产生冲蚀破坏，一些严重情况下可能发生涡激共振现象，产生振动噪声，甚至带来安全生产问题。因此相比于流速，旋涡导致的阀门冲蚀会更加严重，流闭模型更有利于防止阀门的冲蚀破坏。

通过分析流开模型3种工况流场云图可知：介质经阀芯与阀座节流后，高速冲击阀体内腔、阀杆及阀芯正面，与图1冲蚀破坏受损照片部位相符。此焦化装置偏心旋转阀维修方案为重新供货，并采用流闭安装方式，目前用户反馈使用良好，无异响及喘振情况，问题得到有效解决，验证了模拟的可靠性。

4 结论

通过FLUENT软件对偏心旋转阀流量特性和实际工况流场特性进行了仿真分析，研究了介质流向对阀门冲蚀的影响，得到如下结论：

(1)偏心旋转阀无论流开还是流闭，均可在0～70°之间进行有效的流量调节，70°已接近额定Cv值。在70°～90°之间时，不具有调节能力，选型额定开度应控制在70°；

(2)偏心旋转阀流开和流闭流量特性曲线趋势相同，在有效流量调节开度范围内，流闭模型Cv均大于流开模型Cv，流闭更有利于流体流动；

(3)随开度减小，偏心旋转阀流开和流闭阀腔形成的旋涡均逐渐增加，流体流动均更加紊乱，但流闭模型腔内旋涡明显远少于流开模型，流闭模型更有利于防止阀门的冲蚀破坏；

(4)偏心旋转阀在各开度下，流闭相比于流开，阀腔内部流体流动稳定性更好。在某些流开工况，若阀门出现冲刷、振动和噪声严重，寿命较短的问题，可以考虑改变流向。