固液输送系统用闸阀磨损特性的分析与研究

摘要 分析了含有大颗粒固液输送系统中闸阀的使用特性，利用数值模拟的方法，并结合其开度、入口流速、固体颗粒直径等因素对闸板和管路冲蚀磨损的影响情况进行了研究。

01 概述

闸阀主要由阀体、阀杆、闸板和驱动装置等组成，在石油输送、水利水电等许多领域都有广泛的使用，闸阀具有密封性能好、使用寿命长、适用范围广等特点，但是闸阀的密封面非常容易磨损，维修复杂。多相流磨损在阀门工业上具有广泛的背景，是阀门失效和管路材料冲蚀磨损的重要原因。随着工业技术的发展，阀门运行环境逐渐复杂化和多变化，阀门在大颗粒固相输送系统中的冲蚀磨损特性和流场特性的研究具有重要的工业价值。

02 模型建立

2.1 几何模型

图１ 闸阀

图２ 模型及 格划分

2.2 数值模拟方法分析

入口边界条件为速度入口，出口边界条件为压力出口，出口压力为101kPa，固壁满足无滑移及无剪切应力条件。在Fluent数值模拟过程中，颗粒冲蚀定义为

03 模拟结果分析

3.1 速度特性分析

对闸阀内部流场进行分析，取入口速度为3m/s，固相颗粒直径为100μｍ，开度为70%、50%、30%的闸阀进行固液多相流数值模拟，通过图3的速度云图可知，闸阀内部流场受到闸板开度的影响较大。在闸阀闸板的前后均会形成回流区，且开度减小，回流速度明显下降。在开度为70%时，没有观察到明显的高速射流区，但是随着开度的减小使得流体的流通面积降低，流体速度受到严重影响。在开度为30%的条件下，可以观察到明显的回流区。

图３ 不同开度的速度云图

通过对闸阀内部速度矢量的分析，可以得出流体的流动规律，在一定程度上反应了固体颗粒的运动状态。图4为不同开度情况下的速度矢量图，可以看到随着闸板开度的减小，闸阀的节流作用加强，平均流速和最大流速均会增加，因此流体获得的动能也越大，对闸板和管路的冲蚀作用加强。同时，随着开度的减小，闸板后回流区面积增加，这也是导致闸板背面冲蚀磨损的主要因素，回流的流体占据了流道，也会影响闸阀的流量系数。在实际生产中发现，当回流情况严重时，阀门会产生明显振动和噪声，降低阀门的使用寿命，影响管道系统的生产环境。

图４ 不同开度情况的速度矢量图

3.2 冲蚀磨损分析

在固液物系输送过程中，冲蚀磨损一直是影响设备可靠性的重要因素，也是导致固液输送系统中的闸阀失效的主要原因，不仅影响阀门的使用寿命，造成生产连续性下降，还会造成严重的生产事故。

3.2.1 开度对闸阀冲蚀磨损的影响

图5为不同开度情况下闸阀闸板的冲蚀磨损云图，从其中可以看出阀门的开度对冲蚀磨损的程度和位置均有影响。当开度为70%条件时，仅在闸板下部发生冲蚀磨损现象，且程度较轻，这是由于闸板对固液流体的节流作用不强。当开度为50%时，冲蚀磨损主要以条带状为主，靠近管壁位置的冲蚀磨损情况较为严重。这是由于闸阀的过流截面减小，流体的流速增加，对固体颗粒运动的扰动情况增强。当开度为70%时，冲蚀磨损情况较开度为50%时减轻，这是由于在闸板下部形成的高速射流区具有较高流速，形成了低压区，卷吸作用使部分固体颗粒与闸板的碰撞几率下降，在一定程度缓解了冲蚀磨损情况。

图５ 开度对闸阀闸板冲蚀磨损的影响

为分析在大开度情况下的管壁冲蚀磨损情况， 分析了开度为70%情况下的管壁冲蚀磨损云图，如图6所示。冲蚀磨损主要发生在闸板的尾缘处，且有一定长度的延伸，在管路下方没有明显的冲蚀磨损，这是由于闸板尾缘处会形成大量的脱落涡旋，流体流动复杂，使得固体颗粒的无规则运动加强，对管壁的磨损、划伤情况加剧。

图６ 固体颗粒对管路冲蚀磨损情况

图７为开度对闸阀闸板和管壁冲蚀磨损情况的定量分析。随着阀门开度的减小，闸板的冲蚀率呈现先增加后减小的趋势，而管路的冲蚀率呈现先减小后增加的趋势，二者趋势相反。这说明了在流速相同的情况下，固体颗粒携带能量的总值基本保持恒定。在减弱对闸板的冲蚀磨损情况下，对管路冲蚀磨损的几率就增加，所以在实际阀门设计工作中应根据具体的工况重视闸板和管路的材料、厚度等重要工艺参数进行针对性设计。另外从其中可以看出闸板的冲蚀情况较管壁严重，相差2个数量级，其原因在于闸板的冲蚀磨损范围集中，而管路的磨损较广。

图７ 开度对闸阀冲蚀磨损的影响

3.2.2 入口速度对闸阀冲蚀磨损的影响

为分析入口速度对闸阀冲蚀磨损的影响，研究入口速度为1m/s、3m/s、5m/s情况下闸板的冲蚀磨损情况，其结果如图8所示。当入口速度为3m/s时，冲蚀磨损呈现带状和点状分布相结合的特征，面积相较其他两种情况分布更广。而当入口速度增加为5m/s时，冲蚀磨损主要为带状分布特点，在靠近管壁位置冲蚀磨损现象明显，但在闸板中部只存在较少的冲蚀点。另外由于高速流动的固液混合物在闸板的尾缘剧烈湍动使得该位置冲蚀情况严重。

图８ 入口速度对闸阀闸板冲蚀磨损的影响

图9为流速为3m/s情况下的管壁冲蚀磨损情况。与图6不同的是，冲蚀磨损严重的位置位于管路的下方，这是另一种典型的阀门内部冲蚀磨损情况，发生这种现象的原因是固体颗粒在闸板的节流作用下，流动速度明显增加，同时发生强烈湍动，并在重力的作用下，对管路下部区域进行冲蚀磨损。但随着远离闸板，流体流速下降，涡旋的耗散，冲蚀磨损现象减弱。

图９ 固体颗粒对管路冲蚀磨损情况

图10为入口流速对闸阀冲蚀磨损情况的定量说明。随着入口流速的增加，闸板和管路的冲蚀率均呈现增加的趋势，这是由于随着入口流速的增加，流体携带了更多的能量，固体颗粒具有的动能也越大。与图7相比，闸板与管路冲蚀率的相差减小。

图10 入口速度对闸阀冲蚀磨损的影响

3.2.3 固相颗粒直径对闸阀冲蚀磨损的影响

固体颗粒直径是影响冲蚀磨损的重要因素。取固体颗粒直径为50μｍ、100μｍ、150μｍ的3种固体颗粒进行固液两相模拟，冲蚀磨损特点基本一致，均为带状和点状分布相结合的形式。随着颗粒直径的增加，冲蚀磨损的程度和范围均明显增加。这是由于固体颗粒直径的增加，使得动能增加，与闸板和管壁的碰撞更加剧烈，如图11所示。在实际生产中，管路中的固体颗粒直径应尽量减小，这样有利于增加阀门的使用寿命。

图11 固体颗粒直径对闸阀闸板冲蚀磨损的影响

随着固体颗粒直径的增加，闸板的冲蚀率呈现增加趋势，而管路的冲蚀率呈现下降趋势，二者表现出一定的拮抗作用（图12）。

图12 固相颗粒直径对闸阀冲蚀磨损的影响

04 结语

下期论文：高温油浆专用阀的选型与设计