劉柏圻，王偉波，廖 靜，楊恒虎

(1.重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司 技術(shù)中心調(diào)節(jié)閥研究所，重慶 400707；2.重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，重慶 400707)

引言

偏心旋轉(zhuǎn)閥是一種結(jié)構(gòu)特殊的調(diào)節(jié)閥。其最主要的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是閥芯旋轉(zhuǎn)軸線與閥芯密封球面中心有一定偏心距，除了全關(guān)位置，閥芯閥座始終不接觸。主要用于大容量、可調(diào)范圍大、含軟質(zhì)料漿流體的調(diào)節(jié)。由于其嚴(yán)苛的工況條件，沖蝕現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響閥門壽命。因此提高閥門耐磨損、抗沖蝕的能力對(duì)企業(yè)降本增效尤為重要。

柴震宇等[1]、徐維普等[2]提出采用噴涂或堆焊閥體內(nèi)腔及閥內(nèi)件等表面處理方法提高閥門的耐沖蝕性能，但成本較高。汪新春等[3]、金偉等[4]、干敏耀等[5]采用數(shù)值模擬進(jìn)行了閥門性能分析，得到內(nèi)部流場(chǎng)的可視化云圖，為實(shí)際工程優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。邵洋等[6]、張偉政等[7]研究介質(zhì)流向?qū)﹂y門流通能力和流阻的影響，為閥門安裝方式提供了一定的參考依據(jù)。姚靜等[8]進(jìn)行了開關(guān)閥不同溫度、壓差、閥口開度對(duì)其液壓力的影響研究。王洋定等[9]進(jìn)行了閥芯行程對(duì)角座閥流量特性的研究。崔寶玲等[10]研究了閥芯結(jié)構(gòu)對(duì)閥門流阻特性和內(nèi)部流動(dòng)特性的影響。

某石化公司焦化裝置偏心旋轉(zhuǎn)閥已采用零件噴焊及閥體內(nèi)腔噴涂硬化處理，但沖蝕破壞仍然嚴(yán)重，伴隨異響及喘振，壽命只有3個(gè)月左右，其零部件受損照片如圖1所示。本研究以其為研究對(duì)象，并基于上述研究，通過流場(chǎng)分析，研究了介質(zhì)流向與其流量特性之間的關(guān)系，以及流向?qū)﹂y芯及閥座沖蝕的影響[11-17]。

圖1 某石化公司焦化裝置偏心旋轉(zhuǎn)閥沖蝕破壞受損照片

1 模型建立

DN50-ANSI600偏心旋轉(zhuǎn)閥三維實(shí)體模型采用UG軟件建立，為方便分析，在不影響分析結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)3D實(shí)體模型的鑄字和圓角等進(jìn)行適當(dāng)簡化，其中全關(guān)時(shí)的3D實(shí)體模型如圖2所示。

圖2 偏心旋轉(zhuǎn)閥3D結(jié)構(gòu)模型

2 流量特性分析

2.1 流量系數(shù)計(jì)算理論

根據(jù)GB/T 17213.9—2005《工業(yè)過程控制閥 第2-3部分：流通能力 試驗(yàn)程序》對(duì)流量試驗(yàn)的要求[18]，計(jì)算流量系數(shù)，具體見式(1)：

(1)

式中，Q—— 被測(cè)體積流量，m3/h

Δp—— 閥門上下游取壓口的壓力差，kPa

ρ1—— 流體的密度，kg/m3

ρ0—— 15.5 ℃時(shí)的水密度為999, kg/m3

N1—— 為0.0865

2.2 流體域模型建立

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)要求，入口管道長度取2倍管道公稱通徑，出口管道長度取6倍管道公稱通徑，模型為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，取一半模型計(jì)算。偏心旋轉(zhuǎn)閥90°流開和流閉流體域模型及流向如圖3所示。

圖3 流場(chǎng)計(jì)算模型

2.3 網(wǎng)格劃分

分別建立偏心旋轉(zhuǎn)閥90°,80°,70°,60°,50°,40°,30°,20°,10°的位置模型，采用Meshing進(jìn)行網(wǎng)格劃分。閥前后流道區(qū)域劃分六面體網(wǎng)格，閥內(nèi)區(qū)域劃分四面體網(wǎng)格，并對(duì)閥芯邊緣、閥座邊緣附近的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理，保證最小節(jié)流處的網(wǎng)格在3層及以上。以閥門出口流體流量和平均流速作為流道區(qū)域網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)的依據(jù)，其中90°流開模型數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 流體域網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可知：網(wǎng)格數(shù)從342564增加到453880時(shí)，流量增加0.79%，速度提高0.69%。網(wǎng)格數(shù)從453880增加到561123時(shí)，流量減小0.35%，速度提高0.17%。相比較而言，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到453880以上時(shí)，流量及速度變化量可以忽略不計(jì)。同時(shí)考慮模擬計(jì)算精度、時(shí)間成本和工作量，控制網(wǎng)格數(shù)在453880左右較為合適。

偏心旋轉(zhuǎn)閥90°流開和流閉流體域最終網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4 流體域網(wǎng)格劃分

2.4 CFD理論模型

基于連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程，本研究偏心旋轉(zhuǎn)閥穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)仿真計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流雙方程構(gòu)成封閉方程組，其理論方程如下：

(1)湍動(dòng)能k方程：

(2)

(2)湍流耗散率ε方程：

(3)

式中,Gk—— 平均速度梯度引起的湍動(dòng)能生成項(xiàng)

ρ—— 為介質(zhì)密度

μ—— 介質(zhì)黏度

Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

2.5 邊界條件

通過Fluent軟件對(duì)偏心旋轉(zhuǎn)閥進(jìn)行流場(chǎng)仿真分析。介質(zhì)為常溫水；入口介質(zhì)流速為5 m/s，出口靜壓為0(大氣壓)；設(shè)置對(duì)稱面，湍流強(qiáng)度為5%，水力直徑為50 mm；流體域介質(zhì)接觸面設(shè)置為絕熱、邊壁無滑移；采用SIMPLE算法。

2.6 流量系數(shù)模型流場(chǎng)分析

以偏心旋轉(zhuǎn)閥90°流開和流閉流體域模型流場(chǎng)分析結(jié)果為例進(jìn)行說明，橫截面流線云圖如圖5所示。

由圖5可知：流開橫截面最大流速為30.31 m/s，閥腔內(nèi)形成大量旋渦；流閉橫截面最大流速為37.01 m/s，旋渦主要集中在閥后管道處；流開和流閉模型最大流速均出現(xiàn)在閥座和閥芯節(jié)流部位。

圖5 橫截面流線云圖

2.7 開度-Cv曲線分析

分別對(duì)偏心旋轉(zhuǎn)閥流開、流閉2類模型10°～90°下的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，得到各開度下的閥門流量和進(jìn)出口壓差。根據(jù)式(1)計(jì)算得到各開度Cv值，如表2所示，另外“開度-Cv”特性曲線如圖5所示。

表2 “開度-Cv”數(shù)據(jù)表

結(jié)果表明：對(duì)偏心旋轉(zhuǎn)閥流開和流閉模型，在0～30°之間流量增長均較為平緩，30°～70°流量增長均較為迅速，30°流通能力均達(dá)到全開流量的20%；兩模型70°時(shí)Cv已接近額定Cv，且在0～70°之間均可進(jìn)行有效的流量調(diào)節(jié)，70°～90°之間不具備流量調(diào)節(jié)能力；除80°外，其余開度流閉模型Cv均大于流開模型Cv。

根據(jù)圖6曲線，分別擬合出流開和流閉模型“開度-Cv多項(xiàng)式，如式(4)和式(5)所示。

圖6 “開度-Cv”特性曲線

y1=4.50551E-10x6-5.93707E-08x5-

2.59958E-06x4+5.93148E-04x3-

1.93247E-02x2+3.04431E-01x-

1.97212E-02

(4)

y2=3.02544E-10x6+5.60468E-09x5-

1.16823E-05x4+1.11060E-03x3-

3.09213E-02x2+3.92282E-01x-

3.74927E-02

(5)

式中，y1—— 流開Cv值

y2—— 流閉Cv值

x—— 閥門開度

3 實(shí)際工況閥門內(nèi)部流場(chǎng)分析

3.1 工況說明

本研究偏心旋轉(zhuǎn)閥實(shí)際工況介質(zhì)為360 ℃焦化油，密度為774 kg/m3，動(dòng)力黏度為4.666 MPa·s。根據(jù)實(shí)際工況的流量和壓差(閥前后壓力均為表壓)，由式(1)分別計(jì)算流開和流閉模型各工況Cv，然后通過式(4)和式(5)分別計(jì)算相應(yīng)工況的開度，具體參數(shù)如表3所示。

表3 工況參數(shù)表

3.2 設(shè)計(jì)工況流場(chǎng)分析

根據(jù)3.1部分計(jì)算的開度，建立偏心旋轉(zhuǎn)閥在各實(shí)際工況的三維流體域模型，仿真計(jì)算采用進(jìn)出口實(shí)際壓力邊界，理論模型、網(wǎng)格劃分和其余設(shè)置與流量特性分析設(shè)置相同。

1)流量分析

通過仿真計(jì)算得到偏心旋轉(zhuǎn)閥流開和流閉模型對(duì)應(yīng)的各工況流量大小，具體如表4所示。

表4 各工況流量數(shù)據(jù)表 kg·h-1

由表4可知：流開和流閉模型各工況開度仿真流量均與實(shí)際工況流量非常接近，證明了“開度-Cv多項(xiàng)式”擬合的正確性。

2)云圖分析

偏心旋轉(zhuǎn)閥工況1，2，3的流開和流閉模型的閥內(nèi)流線云圖分別如圖7～圖9所示。

圖7 工況1流線云圖

圖8 工況2流線云圖

圖9 工況3流線云圖

分析上述云圖可知：對(duì)流開和流閉兩類模型，介質(zhì)流經(jīng)閥門時(shí)，3種工況均在閥芯和閥座節(jié)流處形成最大流速；閥門流開，工況1最大流速為93 m/s，工況2最大流速為97.6 m/s，工況3最大流速為97.92 m/s，且3種工況介質(zhì)在閥腔內(nèi)部流動(dòng)極不穩(wěn)定，形成大量的渦旋；閥門流閉，工況1最大流速為99.1 m/s，工況2最大流速為104.2 m/s，工況3最大流速為89.96 m/s，且3種工況介質(zhì)在閥腔內(nèi)部流動(dòng)較為穩(wěn)定，形成少量的渦旋；從工況1到工況3，即隨閥門開度減小，流開和流閉模型形成的旋渦均逐漸增加，流體流動(dòng)均更加紊亂。

通過對(duì)比流開和流閉模型可知：工況1和工況2，流開模型閥內(nèi)部最大流速均小于流閉模型，工況3流開模型閥內(nèi)部最大流速均大于流閉模型，但兩模型各工況流速相差不是太大。只對(duì)閥腔內(nèi)部而言，流閉模型腔內(nèi)旋渦明顯遠(yuǎn)少于流開模型，而旋渦的存在會(huì)使閥體內(nèi)腔介質(zhì)分布不均勻，不僅嚴(yán)重阻礙流體流動(dòng)，也會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)不斷旋轉(zhuǎn)反復(fù)沖刷閥腔，易對(duì)閥門產(chǎn)生沖蝕破壞，一些嚴(yán)重情況下可能發(fā)生渦激共振現(xiàn)象，產(chǎn)生振動(dòng)噪聲，甚至帶來安全生產(chǎn)問題。因此相比于流速，旋渦導(dǎo)致的閥門沖蝕會(huì)更加嚴(yán)重，流閉模型更有利于防止閥門的沖蝕破壞。

通過分析流開模型3種工況流場(chǎng)云圖可知：介質(zhì)經(jīng)閥芯與閥座節(jié)流后，高速?zèng)_擊閥體內(nèi)腔、閥桿及閥芯正面，與圖1沖蝕破壞受損照片部位相符。此焦化裝置偏心旋轉(zhuǎn)閥維修方案為重新供貨，并采用流閉安裝方式，目前用戶反饋使用良好，無異響及喘振情況，問題得到有效解決，驗(yàn)證了模擬的可靠性。

4 結(jié)論

通過FLUENT軟件對(duì)偏心旋轉(zhuǎn)閥流量特性和實(shí)際工況流場(chǎng)特性進(jìn)行了仿真分析，研究了介質(zhì)流向?qū)﹂y門沖蝕的影響，得到如下結(jié)論：

(1)偏心旋轉(zhuǎn)閥無論流開還是流閉，均可在0～70°之間進(jìn)行有效的流量調(diào)節(jié)，70°已接近額定Cv值。在70°～90°之間時(shí)，不具有調(diào)節(jié)能力，選型額定開度應(yīng)控制在70°；

(2)偏心旋轉(zhuǎn)閥流開和流閉流量特性曲線趨勢(shì)相同，在有效流量調(diào)節(jié)開度范圍內(nèi)，流閉模型Cv均大于流開模型Cv，流閉更有利于流體流動(dòng)；

(3)隨開度減小，偏心旋轉(zhuǎn)閥流開和流閉閥腔形成的旋渦均逐漸增加，流體流動(dòng)均更加紊亂，但流閉模型腔內(nèi)旋渦明顯遠(yuǎn)少于流開模型，流閉模型更有利于防止閥門的沖蝕破壞；

(4)偏心旋轉(zhuǎn)閥在各開度下，流閉相比于流開，閥腔內(nèi)部流體流動(dòng)穩(wěn)定性更好。在某些流開工況，若閥門出現(xiàn)沖刷、振動(dòng)和噪聲嚴(yán)重，壽命較短的問題，可以考慮改變流向。