防冲刷V 型球阀设计仿真与试验研究

余瑞明，刘翔宇，张玉金，吴 兵

（1.上海理工大学 机械工程学院，上海 200093；2.浙江力诺流体控制科技股份有限公司，浙江温州 325200）

0 引言

V 型球阀是一种直角回转的高级控制阀，主要作调节阀使用，也可作开关阀使用。V 型球阀阀体采用一体化结构设计，结构性能稳定，阀芯设计成带有特殊形状的V 型缺口，所以具有良好的剪切力及自洁功能［1-3］，尤其适用于含有黏稠、纤维颗粒或有微小固体颗粒状介质的控制［4-5］；具有良好的等百分比流量特性，控制精确，可调比范围广。因此V 型球阀广泛应用于气体、液体、蒸汽等流体自控系统中，以及化工、生化、石油、多晶硅、化纤、制药、环保、造纸等工业部门［6-7］。

V 型球阀与阀座具有V 型切口的球体配合，当V 型球阀处于小开度工作时，流经通道截面处的介质由于节流使流速增大，压力较高，流向改变，并会产生涡流［8-11］。长时间小开度工作，高速且高压的介质从小开度的侧面空间喷射，进行单点冲刷，从而导致阀体内腔和阀座冲刷磨损，特别是当介质中含砂粒时，情况会更严重。导致V型球阀使用寿命不长，通常只有1～3 个月就需要更换整台阀门。

针对单点冲刷磨损等问题，设计研究使用寿命较高的防冲刷V 型球阀。该阀在阀体中设置具有挡流板的阀座，挡流板阀座具有挡流功能（降低流量）和改变介质流向，能够使介质从靠近中间的部位通过。V 型球阀在小开度工作时，带砂粒的浆水对阀体内腔的磨损极少，从而大大提高了产品的使用寿命，降低了产品的现场维修率，并提高了安全性能。

1 结构设计

1.1 材料和结构特征

防冲刷V 型球阀的主要材料为ASTM A216 中的高温用可熔焊碳钢铸件材料WCA，热处理为退火、或正火、或正火加回火，化学成分和拉伸性能要求分别见表1，2。

表1 WCA 化学成分Tab.1 Chemical composition of WCA %

表2 WCA 拉伸性能Tab.2 Tensile performance of WCA

防冲刷V 型球阀结构包括阀体、阀芯、阀座、O 型圈、预紧弹簧、上阀杆、下阀杆、执行器、流道、入口、出口，其结构如图1 所示。

图1 防冲刷V 型球阀结构Fig.1 Structure diagram of anti-scouring V-shaped ball valve

防冲刷V 型球阀设计结构特征为：

（1）防冲刷V 型球阀包括阀体，阀体内设有阀座和阀芯，阀芯为具有V 型切口的球体，阀芯的密封球面与阀座配合密封，阀座的通道内具有挡流板，挡流板与阀座连为一体，V 型切口位于球体的左侧，挡流板连在阀座的通道左侧；

（2）挡流板的右侧边缘为V 型口，V 型口与球体的V 型切口配合；

（3）球体设置在阀体内腔中，球体的上端连接上阀杆，球体的下端连接下阀杆，阀座与阀体之间设有O 型圈，阀座的外圈设有凹槽圈供O 型圈设置，阀座由预紧弹簧向阀芯预紧配合密封。

1.2 防冲刷V 型球阀设计

防冲刷V 型球阀的阀体内设有阀座和阀芯，阀芯为具有V 型切口的球体，阀芯的密封球面与阀座配合密封，球体（即阀芯）设置在阀体内腔中，球体的上端连接上阀杆，球体的下端连接下阀杆，上、下阀杆均采用花键与阀芯连接，连接在阀体上的执行器带动阀芯在阀体内转动，按工况的流量调节需求使阀芯转动对应的开度。阀体内设有填料，填料由压盖压住，上阀杆穿过填料。介质从球阀阀座这侧进入，从另一侧流出，如图2 所示。

图2 介质流动结构Fig.2 Media flow structure diagram

阀体左端为流道的入口，右端为流道的出口，阀座位于流道的入口处。阀座与阀体之间设有O型圈，阀座的外圈设有凹槽圈供O 型圈设置，方便设置O 型圈起密封作用。阀座由预紧弹簧（如六角弹簧）向阀芯预紧配合密封，以便球体与阀座密封配合。

阀座中间孔道为通道，该阀座的通道内具有挡流板，挡流板与阀座连为一体，V 型切口位于球体的左侧，挡流板连在阀座通道的左侧。阀座的挡流板具有挡流以及改变介质流向的功能，介质通过阀座时会改变方向，使介质从阀体内腔通道的中间部位通过，对阀体内腔的磨损极少，起防冲刷作用。比如某种工况的流量需要阀芯转动较小的开度（角度），较小开度导致流速大、压力大且单侧单点冲击阀体内腔壁；通过阀座的挡流板挡流，为满足该工况的流量则需要增加阀芯转动的开度，降低了流速和压力，并且通过挡流板改变了流向不会单侧冲击，而是从中部通过。V 型球阀在小开度工作时，带砂粒的浆水对阀体内腔的磨损极少。从而大大提高了产品的使用寿命，降低了产品的现场维修率，并提高了安全性能。

挡流板的右侧边缘为V 型口，如图3 所示。

图3 连接一体的V 字型阀座与挡流板结构Fig.3 Integrated V-shaped seat and baffle structure

挡流板的阀座上下对称，V 型口与球体的V型切口配合。当V 型球阀小开度时，V 型口与V型切口相互配合形成菱形口，如图4 所示。菱形口供介质流过。

图4 菱形口结构Fig.4 Diamond-shaped mouth structure

阀芯采用不锈钢铸件制造［12-16］，阀芯的密封球面全部喷焊镍基合金，喷焊层加工后不小于0.7 mm，硬度HRC58～65，球体基材与表面材料冶金熔化结合，结合强度高，确保喷焊材料在使用中不会脱落。阀座采用不锈钢锻件制造［17］，密封面喷焊镍基合金，加工后厚度不小于2 mm，硬度HRC56～60，基材与表面材料冶金熔化结合，结合强度高，确保喷焊材料在使用中不会脱落。

2 挡流板工作仿真分析

介质包含单相液体或气体、液固两相、气固两相和气液两相等工况条件，流体流动要满足守恒：

式中，ρ为流体密度；Φ为通用变量，代表k，l，m 变量；t 为时间；k 为速度矢量在x 方向的分量；Γ为广义扩散系数；Q 为广义源项；l 为速度矢量在y方向的分量；m 为速度矢量在z 方向的分量。

由SolidWorks 软件对防冲刷V 型球阀进行建模，三维模型如图5 所示。

图5 防冲刷V 型球阀三维模型Fig.5 3D model of anti-scouring V-shaped ball valve

为了验证挡流板在球阀小开度时如何起作用来改变液流方向及减少涡流，将模型导入SolidWorks Flow Simulation 进行流体动力学仿真，选取球阀（DN65）相对小开度40%和30%进行分析。介质为带有固体颗粒的常温水，对球阀定义计算域，定义出、入口边界条件，入口质量流量为0.5 kg/s，出口为静压。

插入压力和速度全局目标，划分网格和运行计算。总网格为114 757，流体网格为114 757，接触固体的流体网格为41 143。

相对开度为40%时，球阀压力云图、速度云图和流动迹线如图6～8 所示。

图6 相对开度40%压力云图Fig.6 Pressure cloud chart at relative opening of 40%

由图6 可知，流入方向的最大压力为913.26 Pa，位于入口位置，接近球芯压力逐渐减小，在挡流板位置口径中部，最大压力为467.24 Pa，最小压力为212.30 Pa，位于挡流板与阀芯配合口径处。流出方向，阀腔区域至出口，压力从39.98 Pa 逐步下降，下降幅度较大。压力变化表明，挡流板作用使流体在阀腔中的压力大幅下降，降低了流体对阀体的冲击和磨损，减少了涡流。由图7 可知，挡流板位置最大速度为0.597 m/s，流体流过挡流板进入阀腔处速度最大，最大速度为0.845 m/s，阀腔区域中部至出口流体速度逐渐减小，出口最大速度为0.113 m/s，位于出口口径中部，阀腔其余部位流速均很小。速度变化表明挡流板作用使流体的速度发生了突变，改变了液流方向，速度降低的同时也减少了涡流。由图8 可知，流体经过挡流板后，由于挡流板作用使液流改变了方向，集中于阀腔中部流动，对阀腔冲击很低，流过球芯后，液流改变方向，流动区域逐渐增加，到出口位置以阀腔大小区域流出。阀腔无可见小涡流，滞留在阀腔中的液流速度接近于零，未对球芯、阀体和阀腔产生冲击和磨损。

图7 相对开度40%速度云图Fig.7 Velocity cloud chart at relative opening of 40%

图8 相对开度40%流动迹线Fig.8 Flow trace chart at relative opening of 40%

相对开度为30%时，球阀压力云图、速度云图和流动迹线如图9～11 所示。

图9 相对开度30%压力云图Fig.9 Pressure cloud chart at relative opening of 30%

进一步先减小开度，由图9 可知，在流入方向，流体最大压力为1 815.35 Pa，位于入口口径中部，流经挡流板流体压力呈阶梯式减小，挡流板位置最大压力为1 271.59 Pa，在流出方向，流过挡流板后，流体压力从374.67 Pa 迅速减小至37.84 Pa，压力下降明显。压力变化表明，挡流板作用使流体在经过挡流板后压力阶梯式大幅下降，压力发生变化，流体流动方向改变，同时也减少了涡流。

由图10 可知，流体流经挡流板速度呈阶梯式增加，挡流板位置处的最大速度为0.863 m/s，流过挡流板进入阀腔处速度达到最大，最大速度为0.936 m/s，流过阀腔区域速度迅速减小，最小速度为0.127 m/s，位于出口口径中部。速度变化表明挡流板作用使流体的速度发生了阶梯式变化，速度变化改变了液流方向，阀腔低速减少了涡流。由图11 可知，流动迹线与相对开度40%的迹线相似，挡流板作用使液流更集中于阀腔中部流动，接近出口处流动区域增大。挡流板改变流体方向，减少涡流效果明显。

图10 相对开度30%速度云图Fig.10 Velocity cloud chart at relative opening of 30%

图11 相对开度30%流动迹线Fig.11 Flow trace chart at relative opening of 30%

挡流板位置和阀腔位置流体最大压力均随开度的减小而减小，当开度从40%降至30%时，挡流板位置流体最大压力从1 271.59 Pa 减小至467.24 Pa，阀腔位置流体最大压力从374.67 Pa 减小至39.98 Pa，挡流板位置流体最大压力远大于阀腔位置流体最大压力。挡流板位置和阀腔位置流体最大速度也均随开度减小而减小，当开度从40%降至30%时，挡流板位置流体最大速度从0.845 m/s 减小至0.597 m/s，阀腔位置流体最大速度从0.936 m/s 减小至0.863 m/s，挡流板位置流体最大速度小于阀腔位置流体最大速度。表明挡流板阻挡作用明显，从挡流板至阀腔流体压力大幅降低，速度增加，压力和速度变化使得流体改变流动方向，减少了涡流。

通过流体动力学计算分析，可以得出在小开度时防冲刷V 型球阀有效地起到了挡流板防固体颗粒进入阀腔的作用，挡流板结构有效地解决颗粒物质冲刷磨损问题。

3 流量仿真分析

V 型球阀工作时，流体流动的雷诺系数Re ＞4 000 为紊流［18-20］。紊流流过球阀会产生与比速能成正比的不可恢复比压能损失：

式中，Wc为压能损失，J/kg；ΔE 为静压损失，Pa；σ为无量纲损失系数；v1为流体平均流速，m/s。

由式（1）求得流过球阀的体积流量：

式中，Y 为体积流量，m3/s；S 为有效流通面积，m2。

流量系数为规定条件下球阀流通能力系数［21］。在室温为278～313 K（5～40 ℃）范围内，介质为水。当流动为紊流，不出现空化或闪蒸，球阀公称通径与管道公称通径相同时，流量系数Mb为流过球阀的特定体积流量：

式中，Mb为流量系数，m3/h；ΔE0为阀两端静压损失，ΔE0=1×105Pa；ρ0为水密度，kg/m3。

当流动为紊流，不出现空化或闪蒸，球阀公称通径与管道公称通径不相同时，流量系数Nb为压力下降6 894.8 Pa，室温在40～100 ℉（4～38 ℃）范围内，介质水在1 min 内流过球阀的美加仑数。流量系数Mb为流过球阀的体积流量：

式中，k 为系数，k=83。

由ANSYS 软件对防冲刷V 型球阀进行流量仿真测试［22-23］，介质为水，流量参数类型为质量流率，质量流率为0.507 15 kg/s，场变量为静压。

流量测试如图12 所示。横坐标为时间，测试总时间为100 s，纵坐标为流量，正为入口流量，负为出口流量。在0～4 s 内，入口流量呈直线上升，上升较快，在2.7 s 时达到最高值为6.8 kg/s，出口流量也呈直线上升，但比入口流量的上升速度缓慢很多，在2.5 s 时达到最高值为2.2 kg/s，说明了挡板降低了流量，入口流量在2.7～4 s 内快速回落，由于刚开始不稳定，入口流量在4 s 时达到小峰值为-0.8 kg/s，出口流量在2.5～3 s 回落，在2.7～4 s 内小幅上升，在4 s 时达到小峰值为-1.4 kg/s，入口流量值小于出口流量值，是由于挡板的挡流作用，入口流量在4～10 s 内小幅回落，10 s 后在0 附近入口流量微量，趋于水平，出口流量在4～10 s 内小幅回落，10 s 后在0 附近出口流量微量，趋于水平，出口流量大于入口流量，说明了挡板具有降低流量、改变介质流向的作用，使得出口流量比入口流量大。

图12 流量测试Fig.12 Flow test

4 试验与分析

4.1 试验条件

防冲刷V 型球阀DN65，PN1.6 MPa，驱动方式为气动，泄漏等级IV，执行标准为GB/T 4213，试验装卡方式为手动，试验设备为全自动阀门试验台。

对防冲刷V 型球阀进行阀体强度试验和阀座密封试验。在阀门性能试验系统上对防冲刷V 型球阀进行小开度液流方向改变及涡流试验。

4.2 分析与结果

阀体耐压试验和阀座密封试验结果见表3。

表3 耐压和密封试验结果Tab.3 Pressure withstand and sealing test results

试验分为2 个试验程序：一是压力测试，阀体耐压试验；二是泄漏测试，阀芯阀座密封试验。试验介质为5～40 ℃的水，试验方向为入口方向，阀体试验保压时间设定为180 s，密封试验保压时间设定为60 s。阀体试验用于测试阀体的耐压强度，球阀PN16，通常现场使用最高压力为1.6 MPa，试验时用1.5 倍系数压力进行强度测试，即压力设定值为2.4 MPa，根据国家标准GB/T 4213-2008，在180 s 内阀体无可见外漏，阀体耐压强度合格。密封试验是测试阀芯阀座的侧内漏，目前测试设备压力最高为0.4 MPa，因此设压力定值为0.35 MPa，根据国家标准GB/T 4213-2008，泄漏量在15 mL/min 以下为合格，实际在60 s 内泄漏量为12.5 mL/min，阀芯阀座密封合格。

性能试验结果见表4。

表4 性能试验结果Tab.4 Performance test results

球阀性能测试，测试流量、液流改变和涡流。保压时间为10 s，相对开度分别为40%，30%和20%，测得入口质量流量分别为0.32，0.24，0.19 kg，出口质量流量分别为0.05，0.03，0.016 kg/s。随着开度减小，入口流量和出口流量均减小，且入口流量远大于出口流量。相对开度从40%到30%，涡流逐渐减少，相对开度20%时，涡流很少。流量和涡流的变化表明挡流板作用使V 型球阀对流体及颗粒起到了阻挡过滤作用，在改变液流流向的同时，减少了涡流，从而降低了砂粒物质对球阀内腔的冲刷磨损。

5 结论

（1）防冲刷V 型球阀具有挡流板阀座，挡流板阀座由于挡流作用降低了介质流量和改变了介质流向，介质集中流经中间部位，使得带砂粒或颗粒介质对内腔磨损大大降低。

（2）对挡流板工作进行了仿真，挡流板位置流体最大压力从1 271.59 Pa 减小至467.24 Pa，阀腔位置流体最大压力从374.67 Pa 减小至39.98 Pa，流体最大速度从0.845 m/s 减小至0.597 m/s，流体最大速度从0.936 m/s 减小至0.863 m/s，表明挡流板对液流起到了防颗粒、改变流向和减小涡流的作用。对流体流量进行了仿真分析，表明挡流板的作用使得V 型球阀流量显著下降。

（3）对防冲刷V 型球阀进行阀体耐压试验、阀座密封试验和小开度液流方向改变及涡流试验，在挡流板阀座结构下，阀体无可见变形和渗漏，内侧泄漏量为12.5 mL/min，小于国家标准15 mL/min泄漏量，阀体耐压强度和阀座密封性能均满足要求；小开度液流方向改变及涡流试验结果显示，入口和出口质量流量分别为0.32，0.24，0.19 kg 和0.05，0.03，0.016 kg/s，表明挡流板对流体及砂粒具有阻挡过滤作用，改变了液流方向，减少了涡流，降低了颗粒砂粒流体物质对球阀内腔的磨损，提高了球阀使用性能。