超高壓閘閥啟閉過程沖蝕磨損分析

韓棟 江鑫 吳晗

（江蘇蘇鹽閥門機(jī)械有限公司，江蘇 鹽城224500）

0 引言

閘閥是采油、采氣井口裝置中的重要組成部件。閘閥的內(nèi)腔形狀復(fù)雜，流體介質(zhì)在流經(jīng)流道時會產(chǎn)生漩渦、回流等現(xiàn)象，加劇閘板、閥座及閥體中腔的腐蝕、振動和磨損，降低閘閥的服役壽命。閥體和閘板是超高壓閘閥的核心零件，沖蝕磨損是其主要損傷形式之一。閘板作為閘閥啟閉過程中的重要密封元件，其表面的沖蝕磨損會直接影響密封的可靠性。因此有必要研究閘閥在啟閉過程中的沖蝕磨損行為。

材料固體表面與流體中固體顆粒在流體流動中發(fā)生接觸，并且在接觸中使固體材料發(fā)生耗損[1]。沖蝕磨損造成由多種因素造成，比如，流體的速度和性質(zhì)、流體內(nèi)顆粒物的濃度、大小、形狀以及沖擊角度等[2]。當(dāng)前主要應(yīng)用以下2種手段改善構(gòu)件表面的沖蝕磨損[3，4]：一是使用耐磨材料或鍍耐磨材料對壁面進(jìn)行改性處理以提高壁面材料的抗磨性；二是改變流道截面形狀來改善近壁面流場，減小顆粒的速度并改變沖擊方向，減輕顆粒對壁面的沖蝕。

本文擬采用數(shù)值仿真方法，模擬不同開度下閘板及中腔流道的沖蝕行為，分析不同開度時閘閥的沖蝕位置及規(guī)律，為閘閥關(guān)鍵零部件表面強(qiáng)化處理提供參考。

1 流體動力學(xué)模型及沖蝕模型

1.1 流體動力學(xué)模型

閘閥啟閉過程中，從閘閥流動及閘閥通道流過介質(zhì)的連續(xù)性方程和動量可由公式（1）和公式（2）表示。其中，ρ為液體密度，kg/m3；u、v、w分別為x，y，z方向的速度分量，m/s；τxx、τyx和τzx分別為xx，yx和zx平面上的表面力，MPa；F為合外力，N。

閘閥啟閉過程可采用k-ε方程求解，如下：

式中，Pk、Pb表示湍流動能，J；k為紊流脈動能，J；ε為紊流脈動動能的耗散率，%；μ為粘性系數(shù)，Pa·s；YM為可壓縮湍流過渡擴(kuò)散的波動，J；Sk為用戶定義的常數(shù)；σε和σK為 湍流Prantl數(shù)，且σε=1.2；σK=1.0；C2e=1.9。

式中，C1為常量，η為動力粘性，m2/s；Sij為各方向的應(yīng)變率。

1.2 沖蝕模型

顆粒沖蝕定義為壁面材料在單位時間單位面積上損失的質(zhì)量，可由公式（6）表示：

式中，Re為沖蝕磨損速率，kg/(m2s)，Np為顆粒數(shù)量；mp為質(zhì)量流量，kg/s；C（dp）為粒徑函數(shù)，dp為顆粒直徑，mm；α為路徑與壁面的沖擊角，rad；F（α）為沖擊角函數(shù)；v為相對于壁面的速度，m/s；b(v)為相對速度函數(shù)；Af為壁面面積，mm2。

2 閘閥啟閉過程流道模型

2.1 流道模型

為超高壓明桿式閘閥，如圖1所示。閘板與閥桿利用T型槽掛接，閘板與閥座之間采用金屬浮動式自緊密封。

圖1 超高壓平板閘閥

為了便于數(shù)值模擬研究，將與閘閥流道無關(guān)部分簡化。由于流體經(jīng)水平流道穿過閥體，在閘板的開關(guān)會改變流道的截面，影響流體的流速，沖蝕主要發(fā)生于閘板附近區(qū)域。閘閥流道模型簡化示意圖如圖2所示。為了保證顆粒及流體兩相在流經(jīng)閘板時為充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)，在閘板的上游和下游均設(shè)置長度為650 mm的流道，閥體的進(jìn)出口直徑為200 mm，閘板厚度為46 mm。閘板將流體計算域分割為3個部分，即閥前流道、閘板處流道與閥后流道。閘板的交界處結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此本文采用四面體網(wǎng)格對閘閥流道模型進(jìn)行劃分。為保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對閘板和管壁處進(jìn)行單獨加密處理。網(wǎng)格尺寸為5 mm，網(wǎng)格數(shù)量約為38萬個。

圖2 流道模型及網(wǎng)格劃分

2.2 求解方法及邊界條件

設(shè)置分析介質(zhì)為水，其密度為998.2 kg/m3。參考相關(guān)文獻(xiàn)[3]，湍流模型采用realizablek-ε模型，湍流模型中近壁面采用Scalable Wall Functions（可放縮壁面函數(shù)），壓力和速度的耦合采用SIMPLEC算法，動量、湍動能、湍動能耗散率均采用二階迎風(fēng)格式離散。

入口邊界條件為速度入口，湍流強(qiáng)度為5%，水力直徑為0.05 m。出口邊界條件為出流邊界。

開展閘閥啟閉過程流場分析時，取入口速度為5 m/s，固相顆粒直徑為100 μm，閘閥開度分別設(shè)置為10%、30%、50%、70%、90%，采用固液兩相流方法模擬閘閥內(nèi)沖蝕行為。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同開度的顆粒軌跡

按照閥門開度的定義，即開度=實際行程/全開行程[5]，計算不同開度下的閥門過流截面的截面積，10%、30%、50%、70%、90%開度的截面積之比約為1:5:10:15:20。對閘閥作無泄漏假設(shè)，可以認(rèn)為流體進(jìn)出閘閥的流量嚴(yán)格守恒，則有，

式中，V1為閥門入口的平均速度，m/s；A1為垂直于平均速度方向截面積，m2；V2為閥門過流截面上的平均速度，m/s；A2為閥門過流截面積，m2。

由公式（7）可知，在閘閥開度越小的情況下，通過閘板底部的流速會越大，因此閘板下游流道將出現(xiàn)高速射流。在開度為10%時，在閥門過流截面上的平均速度為入口處的20倍左右。不同開度的顆粒軌跡分布圖如圖3所示。

圖3 不同開度的顆粒軌跡分布圖

通過圖3的顆粒軌跡云圖可知，閘閥內(nèi)部流場受閘板開度的影響較大，且流體在流過閘板的過程中，顆粒軌跡發(fā)生急劇變化，這與前面的流量守恒方程的理論情況一致。在開度為10%和30%時，在閘板的上游形成明顯回流區(qū)，但是隨著開度的增加使得流體的流通面積增加，通過閘板下端區(qū)域處的流體速度減小，在開度為70%和90%的情況下，沒有明顯的回流區(qū)。

3.2 不同開度的沖蝕磨損

不同開度情況下閘閥的沖蝕率分布圖。從圖4中可以看出，閥門的開度對沖蝕磨損的程度和位置均有影響。在開度為10%時，沖蝕磨損最嚴(yán)重位置位于閘板連接處的上游端，且沖蝕率相比于其他開度最大。

圖4 不同開度條件下沖蝕率

當(dāng)閘閥開度為30%時，沖蝕磨損主要以條帶狀為主，靠近閘板的上游壁面分布最廣，但沖蝕率的最大值相比開度為10%有所下降。這是由于閘閥的過流截面增加，流體的流速相對減小，對固體顆粒運動的擾動情況減弱。當(dāng)閘閥開度為50%和70%時，兩種沖蝕磨損情況分布大致相同，沖蝕位置主要集中于閘板附近，且沖蝕率最大值也相差不多。原因在于流體在開度50%和70%時閘板底部的流速變化相差不大。當(dāng)閘閥開度為90%時，沖蝕磨損主要發(fā)生流道上游的閘板底部，在流道下游未見明顯的沖蝕磨損。綜合看來，不同開度條件下，閘閥主要沖蝕區(qū)域主要集中于閘閥的底部和閘板閥座密封面處。

圖5為不同開度條件下閘板沖蝕速率變化情況。隨著閥門開度的增加，閘閥的最大沖蝕率呈現(xiàn)出先減小后穩(wěn)定再繼續(xù)減小的趨勢。閥門在開度10%時，沖蝕率最大。在開度為50%附近時，沖蝕率沒有明顯變化。上述分析表明，閘閥的啟閉過程中閘板的沖蝕最為顯著，在實際使用過程中，應(yīng)盡可能地縮短閘閥啟閉時間，避免閘板密封面沖蝕磨損累積發(fā)生泄漏。上述分析也表明，閘閥啟閉的全過程中沖蝕磨損現(xiàn)象均存在，現(xiàn)場使用過程中應(yīng)禁止用閘閥用作調(diào)節(jié)流量，保證閘閥使用過程中閘板處于全開或全關(guān)狀態(tài)，延長閘板的使用壽命。

圖5 開度對閘閥沖蝕磨損的影響

4 結(jié)論

本文針對超高壓閘閥的沖蝕行為，分析了10%、30%、50%、70%、90%開度下的顆粒軌跡和沖蝕速率，所得結(jié)論如下：

（1）閘閥隨著開度增加，沖蝕率會呈現(xiàn)先減小后不變在減小的趨勢。

（2）閘閥啟閉過程中閘板的沖蝕率最大。

（3）閘閥啟閉過程中閘閥全程存在沖蝕，應(yīng)盡可能快速實現(xiàn)閘板的全開或全關(guān)。