V 型調(diào)節(jié)球閥閥蓋內(nèi)壁氣- 固沖蝕的數(shù)值模擬

馬志銳，李福寶*，霍英妲，王張勇，狄軍濤，吳 恒，王 悅

（1.沈陽工業(yè)大學(xué)化工裝備學(xué)院，遼寧遼陽；2.上海紐京閥門有限公司，上海）

引言

沖蝕磨損是導(dǎo)致機(jī)械零件故障的重要原因之一[1-3]。閥門作為工業(yè)輸送系統(tǒng)中的重要調(diào)節(jié)部件，具有控制流體介質(zhì)通路的功能，對于保證系統(tǒng)正常運(yùn)行非常重要。它可以完成啟閉、換向、調(diào)節(jié)流量和壓力等功能，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[4-5]。閥門在使用過程中，由于流體的沖擊和摩擦力的作用，也會遭受沖蝕磨損，需要進(jìn)行定期檢修和更換，以確保其正常工作。這種沖蝕磨損不僅會消耗能源和材料，還會導(dǎo)致設(shè)備故障和經(jīng)濟(jì)損失。因此，在工業(yè)生產(chǎn)中，減少閥門沖蝕磨損，對于提高設(shè)備的可靠性和經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

1 氣動V 型調(diào)節(jié)球閥存在問題

以內(nèi)蒙古新特股份有限公司高純多晶硅項(xiàng)目為例，在優(yōu)化改造前采用的閥蓋未加硬金屬套的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品在使用過程中平均每不到2 個月就會出現(xiàn)1次泄漏，從而需要更換或維修閥門。不僅影響多晶硅產(chǎn)量，還會造成直接物料損失、裝置停車經(jīng)濟(jì)損失，并且會導(dǎo)致潛在的重大安全隱患。

2 二維模型及網(wǎng)格

筆者運(yùn)用CAD 軟件繪制改造前調(diào)節(jié)閥的二維結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 金剛石V 型調(diào)節(jié)球閥的二維結(jié)構(gòu)

二維模型結(jié)構(gòu)尺寸如表1 所示。

表1 二維模型結(jié)構(gòu)尺寸

二維簡圖如圖2 所示。

圖2 調(diào)節(jié)球閥閥道簡圖

筆者進(jìn)行了不同網(wǎng)格數(shù)量密度的仿真分析，并使用最大沖蝕磨損速率作為檢驗(yàn)參數(shù)。將單元尺寸設(shè)置為0.1 mm 時，其與單元尺寸0.05、0.15、0.2 mm 相差不到1%，因此設(shè)置單元尺寸為0.1 mm 作為后續(xù)仿真使用。

3 沖蝕磨損模型

氣流流過閥蓋會對閥蓋內(nèi)壁處的壁面造成一定的沖蝕磨損。

針對由于沖蝕磨損造成的閥蓋表面材料損失，筆者此處采用EDWARDS J K 等人[6-8]通過大量試驗(yàn)得到的計(jì)算模型，即Edwards 模型

式中：Rerosion- 單元壁面面積在單位時間內(nèi)的磨損量；NP- 單位時間內(nèi)固體顆粒撞擊單元面積的顆粒數(shù)量；mp- 進(jìn)口處的顆粒質(zhì)量流；dp- 顆粒的直徑；Aface- 單元壁面面積；v- 顆粒運(yùn)動速度；b（v）- 速度的相對函數(shù)；C（dp）- 顆粒直徑函數(shù)；f（θ）- 沖擊角函數(shù)。

筆者對C（dp）、f（θ）、b（v）函數(shù)的默認(rèn)值分別為1.8×10-9、1、0。當(dāng)3 個函數(shù)均為常量時，無法正確反映管內(nèi)沖蝕過程與顆粒大小及顆粒沖擊角等之間的關(guān)系，從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏離實(shí)際情況。

入口處流體的速度為4.2 m/s，施加速度入口邊界條件；出口處假設(shè)流動已經(jīng)局部單向化施加壓力出口邊界條件，其他壁面施加脆性無滑移固壁的邊壁條件。

4 數(shù)值模擬及分析

在此次研究中發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥閥蓋內(nèi)壁破裂擊穿的問題，筆者決定首先進(jìn)行不同開度下的閥內(nèi)流場模擬分析。選擇三個不同的閥球旋轉(zhuǎn)角度（30°、50°、70°）來模擬正常工作壓差、臨界壓差和超壓差情況。此外，進(jìn)行不同球體內(nèi)通道直徑對閥內(nèi)介質(zhì)速率的影響。

通過數(shù)值模擬分析閥內(nèi)流場，可以深入了解閥蓋擊穿問題的原因，并為解決該問題提供有價值的參考。

4.1 閥芯不同開合角度下閥內(nèi)流場特性

不同閥芯開度下閥內(nèi)流場流速分布情況，如圖3所示。

圖3 不同開度下流場流速分布

由圖3 不難看出：閥內(nèi)流體速度主要分布區(qū)域?yàn)殚y蓋一側(cè)區(qū)域。流體在進(jìn)入閥蓋，會對閥蓋某一部位形成一種沖擊。而且開度一定的條件下，沖擊點(diǎn)始終不變。隨著開度的增加，沖擊點(diǎn)會向閥蓋出口處移動，而且沖擊力也會逐漸增加，仔細(xì)觀察不難發(fā)現(xiàn)，隨著閥球的開合角度的增加與減少，介質(zhì)始終沖蝕在閥蓋某一條線上，這說明在不同開度情況下，球閥閥壁內(nèi)壁會承受高速流體的沖刷，這對閥門的壽命有嚴(yán)重影響。

筆者以閥體通道直徑40 mm 為定量，閥芯開合角度為變量進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，分析得到不同開合角度下介質(zhì)對閥蓋沖蝕速率如圖4 所示。

圖4 閥芯不同開合角度下閥蓋內(nèi)壁處沖蝕速率

通過圖4 分析得知：

（1） 當(dāng)閥芯開合角度由30°到80°整個過程中，閥蓋內(nèi)壁介質(zhì)的沖蝕速率先增高再減小的趨勢。

（2） 經(jīng)分析可知，閥芯開合角度為40°～50°時，沖蝕速率為最大區(qū)間，閥芯開合角度為70°左右時，閥蓋內(nèi)壁的沖蝕速率相對較小。

4.2 不同閥體通道直徑對介質(zhì)沖蝕速率的影響

閥體通道直徑對介質(zhì)速率有直接的影響，通常情況下，較大的閥體通道直徑會導(dǎo)致更高的介質(zhì)流速，而較小的閥體通道直徑則會導(dǎo)致較低的介質(zhì)流速，為了嚴(yán)重這一結(jié)論，我們做了以下分析。

筆者以閥芯開度50°為定量，閥體通道直徑為變量進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，分析得到不同閥體通道直徑下介質(zhì)對閥蓋沖蝕速率如圖5 所示。

圖5 閥體不同通道直徑下閥蓋內(nèi)壁處沖蝕速率

通過圖5 分析得知：

（1） 閥體通道越小，介質(zhì)對閥蓋處的沖蝕速率也就越小，而且沖蝕速率減小趨勢越來越明顯，當(dāng)閥體通道直徑與閥座直徑相等時，閥蓋內(nèi)壁沖蝕速率減小的最明顯，且減小速率在這一零界點(diǎn)處減小的趨勢也越來越小。

（2） 當(dāng)閥體通道直徑較大時，相同的介質(zhì)在通過閥門時可以獲得更大的通道面積，從而減少了流體的阻力，促使介質(zhì)以較高的速度通過。較高的流速，致使閥蓋內(nèi)壁處有較高的沖蝕速率。

總結(jié)起來，較大的閥體通道直徑通常會導(dǎo)致更高的介質(zhì)速率，而較小的直徑則會導(dǎo)致較低的速率。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)具體需求和系統(tǒng)要求，通過考慮沖蝕磨損和適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)速率選擇適當(dāng)?shù)拈y體通道直徑以獲得最佳的需求。

4.3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)及效果分析

為了更有效更直接地解決閥蓋內(nèi)壁沖蝕磨損泄露問題，筆者提出了一種采用為閥蓋內(nèi)壁加裝硬金屬套的方法來減小介質(zhì)對閥蓋內(nèi)壁的沖蝕，而且當(dāng)金屬套被沖蝕穿透后，可以定期的更換金屬套。這樣，更加降低了直接更換閥蓋而帶來的巨大成本。該金屬套加裝到閥門后的二維圖如圖6 所示。

圖6 改進(jìn)后調(diào)節(jié)球閥二維結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后閥門內(nèi)加裝的金屬套可以有效幫助閥蓋內(nèi)壁抵擋介質(zhì)的沖蝕磨損，對閥蓋起到了一定的保護(hù)作用。該方案在內(nèi)蒙某高純多晶硅項(xiàng)目中已到了了充分的應(yīng)用，以該項(xiàng)目為例，自2022 年11 月起，在相同工況的運(yùn)行條件下，已實(shí)現(xiàn)“零維修”，閥蓋從未出現(xiàn)過泄露情況。

通過改進(jìn)閥門結(jié)構(gòu)、加工工藝等各個方向進(jìn)行了有針對性的系統(tǒng)優(yōu)化，有效解決了調(diào)節(jié)閥的使用壽命、運(yùn)行可靠性和安全性等問題。

5 結(jié)論

通過以不同閥芯開度和閥體入口直徑為變量分析了兩者對介質(zhì)流速的影響。得出了以下結(jié)論。

（1） 當(dāng)閥芯開度在40°～50°時，介質(zhì)對閥蓋內(nèi)壁的沖蝕最大，當(dāng)在使用時，可以盡量避開此開度區(qū)間。

（2） 介質(zhì)的沖蝕速率與閥體入口直徑成正比，入口直徑越大，閥蓋內(nèi)壁處的沖蝕速率也就越大。所以在應(yīng)用中，根據(jù)具體工況選用盡可能小的閥體入口直徑，提高閥門的使用壽命。

（3） 當(dāng)閥體入口直徑與閥座直徑相等時，介質(zhì)在閥蓋處的沖蝕磨損速率減小的最為明顯，且閥體入口直徑繼續(xù)變小時，閥蓋處的沖蝕磨損速率減小得更為明顯。

在后續(xù)的工作中，筆者將研究介質(zhì)對閥芯以及閥桿的沖蝕磨損，通過用SolidWorks 軟件對閥門整體進(jìn)行三維的仿真分析研究，對閥門結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體的改進(jìn)。