管道球阀冲蚀磨损失效问题研究

管道球阀冲蚀磨损失效问题研究

彭东娇

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摘要：本文主要就管道球阀在应用过程中因冲蚀磨损而使其失去效用这一问题进行研究和分析。具体参照会根据欧拉-拉格朗日流体描述方法进行，并会借助现有的技术优势来实现对气固两相流球阀冲蚀磨损的实际数值进行模拟。而根据研究可知，当球阀内流速发生变化但仍在一定区间时，冲蚀的出现多是因为二次流漩涡；而球阀冲蚀磨损会随开度减小，但同流速、粒径和质量流率则呈线性正相关。

关键词：球阀；气固两相流；失效；冲蚀磨损；数值模拟

引言

冲蚀磨损的出现多是因为液体和固体以松散颗粒的形式以一定的频率和角度冲击球阀而使其表面产生变化进而出现耗损。就工业元件的使用来看，无疑是极为不利的。这一现象不但会严重影响到元件的使用寿命，还会在一定程度上降低元件质量。而据调查可知，绝大多数工业生产磨损破坏均因此而形成。可占比达80%，这无疑代表了极为重要的影响。因此，国内外专家均极为重视，并一直致力通过各种方式获得阀门磨损的数据。一般常用数值模拟方法进行，并会配合实际需要调整参数。比如说国内的刘先冬等人，会通过控制变量法来研究金属硬密封球阀内液固两相流冲蚀数值模拟，再就实验数据进行球阀磨损严重程度分析。而张一帆等人，则选择就CFD－EM方法获得阀门内部颗粒流动特性同壁面冲蚀磨损分布的实际数据。而球阀冲蚀磨损的研究在其中也占有较为重要的地位。这是因为球阀广泛运用于各行各业中，但气固两相流对球阀的冲蚀影响极大。不过，现在的研究侧重于直管和弯管，而较少就气固两相流对球阀的冲蚀磨损进行研究。因此，本文会主要就这一问题进行研究，并会充分结合实际情况进行分析，同时会借助有限元法Comsol Multiphysics进行数值模拟。如此，才可以更好地就球阀冲蚀磨损方面进行预测。

1物理模型

一般来说，物理模型固体金属球阀的球阀结构多按照以下标准生产。首先管道外径在711mm，壁厚则是16mm，阀门是579mm。此外，为了更好地进行冲蚀磨损数据模拟，会按照需要适当地延长阀门前后，一般会延长100mm。

2管道球阀冲蚀磨损失效模拟研究

首先必然会借助E/CRC模型来进行模拟研究，并会在此基础上利用欧拉-拉格朗日流描述方法获得连续流体方程和离散颗粒运动方程。至于近壁面区域，也会根据需要采用壁函数，再将出口取消，将壁条件改为无滑移。然后，则可以就此划分物理场，通过控制网格序列来实现层流模型的细化。同时，要保证自动臂处理功能的正常运行。此外，则是精准度和内存压力。因此，各网格的单元质量必须在0.84，对接精度计算也必须达到对应标准。

2.1不同开度影响

一般会将开度分别设置成以下几个数值：10%、30%、50%、70%、90%。然后，会根据流线分布和球阀流程分布实际情况，推测出高速流动区域集中区域。一般多为阀芯出入口。若入口流速始终小于出口流速。那么当开度减小时，进出口的流速增大的同时，会产生更多的动能。此外，开度减小，下游内衣带和阀芯拐角处必然会面对更多的来自二次流漩涡强度。在此情形下，颗粒会高度紊乱。而通过研究也能发现，开度为90%时，流动处十分平稳，无漩涡形成条件。而10%时则恰恰相反，颗粒高度紊乱。并会就球阀冲蚀磨损实际情况设置对应的参数。而根据不同参数获得对应模型，可模拟出球阀冲蚀磨损分布状态。就研究中的5种模拟分析可知，开度越大，冲蚀磨损越低。同时位置分散，多在内通道壁面和球心引流面。而开度减小时，射流流速会因此增大，故而入口截流处两端流速变化大，且磨损面增大。至于冲蚀率和最大冲蚀率变化趋势则需要进一步研究，可先将开度设为10%、50%和90%三种。而就研究获得的变化图可知，当开度在10%时，最大冲蚀率会在0.05—1.5s时处于缓慢上升，但在1.5s后，则会急剧上升。而50%和90%大体相同，均是在0.05—3.0s时最大冲蚀率急剧上升。不同点在于0.3—1.0s时，开度为90%的平均冲蚀率开始趋于平稳。

2.2粒径大小影响

如要研究不同粒径对球阀冲蚀磨损的影响，则可将开度设置为50%，入口流水速则固定在7m/s。然后在设置变量，分别研究粒径在3μe，m、25μe，m、50μe，m时，球阀的实际冲蚀磨损情况。而就研究可知，粒径为3μe，m时，球芯迎面受到的颗粒冲击会比较小，因此冲蚀磨损的程度较轻；但当粒径为25μe，m时，冲蚀磨损分布较为集中；粒径为50μe，m时，则球阀迎面受到的磨损最重。因此，可知粒径和球心冲蚀磨损开度关系为正相关。也就是说，粒径越大，冲蚀磨损程度越严重，磨损部位也会更为集中。

2.3球阀流场特征影响

就球阀流场特征影响这一点来讲，如果在形成速度场流体速度变化图后，原流动方向发生改变，那么必然是有气体位于阀芯拐角位置处。同时，由于气体变窄，流道内的射流速度必然会变快，并会产生较大冲击力，进而使得内通道壁面出现冲蚀磨损。而且，这时候阀芯内气流状态必然十分不稳定，且该气体速度将在5—25m/s的范围内变化。如果是在节流作用下，当气体被传输至出口时，一样会存在高速射流的现象。所以，阀内最低和最高流速多会出现在下游阀芯死角和阀芯出口。而借助一定手段获得漩涡变化和流体通过球阀时的速度变化详细信息，则可以知道流漩涡会两次出现在球阀内部通道。其一为阀芯内通道处，其二为阀芯拐角处。第一处的气体因从入口处截流，会以喷射形式快速进入内通道。由于其反复冲击壁面，状态十分混乱，极为贴合高度紊乱特征，故而这里的流漩涡最多且最为复杂。第二处则是由于阀芯阻挡而产生回旋流动，因此球阀内的流漩涡会出现2次。

3结果讨论与分析

根据研究和分析表明，速度为7m/s时，球阀冲蚀磨损分布较为分散，会出现多处磨损较为严重的区域。而就模拟数据可知，冲蚀磨损最严重的有六处。其原因在于：一因颗粒会在通道内锐缘处反弹撞击2次而导致其发生磨损；二颗粒此时处于高度紊乱状态，会反复多次撞击球阀内通道，且时速会出现较大变化；三则是因为入口截流处会出现高速射流，此时，截流面会面对较大冲击力；四颗粒撞击阀芯迎流面，会出现反弹进而加深冲蚀磨损痕迹；五阀芯会直面高速气流。综上，粒子速度为7m/s时，颗粒在多种力的作用下常常呈无规则运动状态。而根据动能作用原理，冲蚀磨损必然会存在。而据分析也可知，冲蚀磨损越严重，去颗粒动能就越大。

结束语

一般来说，研究管道球阀冲蚀磨损，都会采用两种模型。其一为E/CRC，其二为Ika模型。而在失效模型研究中会更倾向于使用E/CRC模型。这是因为它更契合气固两相流球阀是冲蚀磨损变化，得出的模拟结果也会更准确。而根据对不同开度、不同粒径大小和球阀流程特征的研究和分析，则可以就模拟数据得出：开度增加，则冲蚀率减小；粒径增大，则球阀内冲蚀磨损会更严重；球阀流场特征则会影响到冲蚀磨损情况。因为最低流速常在下游阀芯死角，最高流速则多出现在三个部位——在阀芯出口拐角、阀芯内通道和阀芯入口拐角。如要尽可能最大程度降低冲蚀磨损情况，就必须充分考虑到粒径和开度等影响因素，如此才能更好地确保球阀的正常运行。

参考文献

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