余瑞明，劉翔宇，張玉金，吳 兵

（1.上海理工大學 機械工程學院，上海 200093；2.浙江力諾流體控制科技股份有限公司，浙江溫州 325200）

0 引言

V 型球閥是一種直角回轉的高級控制閥，主要作調節(jié)閥使用，也可作開關閥使用。V 型球閥閥體采用一體化結構設計，結構性能穩(wěn)定，閥芯設計成帶有特殊形狀的V 型缺口，所以具有良好的剪切力及自潔功能［1-3］，尤其適用于含有黏稠、纖維顆粒或有微小固體顆粒狀介質的控制［4-5］；具有良好的等百分比流量特性，控制精確，可調比范圍廣。因此V 型球閥廣泛應用于氣體、液體、蒸汽等流體自控系統(tǒng)中，以及化工、生化、石油、多晶硅、化纖、制藥、環(huán)保、造紙等工業(yè)部門［6-7］。

V 型球閥與閥座具有V 型切口的球體配合，當V 型球閥處于小開度工作時，流經(jīng)通道截面處的介質由于節(jié)流使流速增大，壓力較高，流向改變，并會產(chǎn)生渦流［8-11］。長時間小開度工作，高速且高壓的介質從小開度的側面空間噴射，進行單點沖刷，從而導致閥體內腔和閥座沖刷磨損，特別是當介質中含砂粒時，情況會更嚴重。導致V型球閥使用壽命不長，通常只有1～3 個月就需要更換整臺閥門。

針對單點沖刷磨損等問題，設計研究使用壽命較高的防沖刷V 型球閥。該閥在閥體中設置具有擋流板的閥座，擋流板閥座具有擋流功能（降低流量）和改變介質流向，能夠使介質從靠近中間的部位通過。V 型球閥在小開度工作時，帶砂粒的漿水對閥體內腔的磨損極少，從而大大提高了產(chǎn)品的使用壽命，降低了產(chǎn)品的現(xiàn)場維修率，并提高了安全性能。

1 結構設計

1.1 材料和結構特征

防沖刷V 型球閥的主要材料為ASTM A216 中的高溫用可熔焊碳鋼鑄件材料WCA，熱處理為退火、或正火、或正火加回火，化學成分和拉伸性能要求分別見表1，2。

表1 WCA 化學成分Tab.1 Chemical composition of WCA %

表2 WCA 拉伸性能Tab.2 Tensile performance of WCA

防沖刷V 型球閥結構包括閥體、閥芯、閥座、O 型圈、預緊彈簧、上閥桿、下閥桿、執(zhí)行器、流道、入口、出口，其結構如圖1 所示。

圖1 防沖刷V 型球閥結構Fig.1 Structure diagram of anti-scouring V-shaped ball valve

防沖刷V 型球閥設計結構特征為：

（1）防沖刷V 型球閥包括閥體，閥體內設有閥座和閥芯，閥芯為具有V 型切口的球體，閥芯的密封球面與閥座配合密封，閥座的通道內具有擋流板，擋流板與閥座連為一體，V 型切口位于球體的左側，擋流板連在閥座的通道左側；

（2）擋流板的右側邊緣為V 型口，V 型口與球體的V 型切口配合；

（3）球體設置在閥體內腔中，球體的上端連接上閥桿，球體的下端連接下閥桿，閥座與閥體之間設有O 型圈，閥座的外圈設有凹槽圈供O 型圈設置，閥座由預緊彈簧向閥芯預緊配合密封。

1.2 防沖刷V 型球閥設計

防沖刷V 型球閥的閥體內設有閥座和閥芯，閥芯為具有V 型切口的球體，閥芯的密封球面與閥座配合密封，球體（即閥芯）設置在閥體內腔中，球體的上端連接上閥桿，球體的下端連接下閥桿，上、下閥桿均采用花鍵與閥芯連接，連接在閥體上的執(zhí)行器帶動閥芯在閥體內轉動，按工況的流量調節(jié)需求使閥芯轉動對應的開度。閥體內設有填料，填料由壓蓋壓住，上閥桿穿過填料。介質從球閥閥座這側進入，從另一側流出，如圖2 所示。

圖2 介質流動結構Fig.2 Media flow structure diagram

閥體左端為流道的入口，右端為流道的出口，閥座位于流道的入口處。閥座與閥體之間設有O型圈，閥座的外圈設有凹槽圈供O 型圈設置，方便設置O 型圈起密封作用。閥座由預緊彈簧（如六角彈簧）向閥芯預緊配合密封，以便球體與閥座密封配合。

閥座中間孔道為通道，該閥座的通道內具有擋流板，擋流板與閥座連為一體，V 型切口位于球體的左側，擋流板連在閥座通道的左側。閥座的擋流板具有擋流以及改變介質流向的功能，介質通過閥座時會改變方向，使介質從閥體內腔通道的中間部位通過，對閥體內腔的磨損極少，起防沖刷作用。比如某種工況的流量需要閥芯轉動較小的開度（角度），較小開度導致流速大、壓力大且單側單點沖擊閥體內腔壁；通過閥座的擋流板擋流，為滿足該工況的流量則需要增加閥芯轉動的開度，降低了流速和壓力，并且通過擋流板改變了流向不會單側沖擊，而是從中部通過。V 型球閥在小開度工作時，帶砂粒的漿水對閥體內腔的磨損極少。從而大大提高了產(chǎn)品的使用壽命，降低了產(chǎn)品的現(xiàn)場維修率，并提高了安全性能。

擋流板的右側邊緣為V 型口，如圖3 所示。

圖3 連接一體的V 字型閥座與擋流板結構Fig.3 Integrated V-shaped seat and baffle structure

擋流板的閥座上下對稱，V 型口與球體的V型切口配合。當V 型球閥小開度時，V 型口與V型切口相互配合形成菱形口，如圖4 所示。菱形口供介質流過。

圖4 菱形口結構Fig.4 Diamond-shaped mouth structure

閥芯采用不銹鋼鑄件制造［12-16］，閥芯的密封球面全部噴焊鎳基合金，噴焊層加工后不小于0.7 mm，硬度HRC58～65，球體基材與表面材料冶金熔化結合，結合強度高，確保噴焊材料在使用中不會脫落。閥座采用不銹鋼鍛件制造［17］，密封面噴焊鎳基合金，加工后厚度不小于2 mm，硬度HRC56～60，基材與表面材料冶金熔化結合，結合強度高，確保噴焊材料在使用中不會脫落。

2 擋流板工作仿真分析

介質包含單相液體或氣體、液固兩相、氣固兩相和氣液兩相等工況條件，流體流動要滿足守恒：

式中，ρ為流體密度；Φ為通用變量，代表k，l，m 變量；t 為時間；k 為速度矢量在x 方向的分量；Γ為廣義擴散系數(shù)；Q 為廣義源項；l 為速度矢量在y方向的分量；m 為速度矢量在z 方向的分量。

由SolidWorks 軟件對防沖刷V 型球閥進行建模，三維模型如圖5 所示。

圖5 防沖刷V 型球閥三維模型Fig.5 3D model of anti-scouring V-shaped ball valve

為了驗證擋流板在球閥小開度時如何起作用來改變液流方向及減少渦流，將模型導入SolidWorks Flow Simulation 進行流體動力學仿真，選取球閥（DN65）相對小開度40%和30%進行分析。介質為帶有固體顆粒的常溫水，對球閥定義計算域，定義出、入口邊界條件，入口質量流量為0.5 kg/s，出口為靜壓。

插入壓力和速度全局目標，劃分網(wǎng)格和運行計算。總網(wǎng)格為114 757，流體網(wǎng)格為114 757，接觸固體的流體網(wǎng)格為41 143。

相對開度為40%時，球閥壓力云圖、速度云圖和流動跡線如圖6～8 所示。

圖6 相對開度40%壓力云圖Fig.6 Pressure cloud chart at relative opening of 40%

由圖6 可知，流入方向的最大壓力為913.26 Pa，位于入口位置，接近球芯壓力逐漸減小，在擋流板位置口徑中部，最大壓力為467.24 Pa，最小壓力為212.30 Pa，位于擋流板與閥芯配合口徑處。流出方向，閥腔區(qū)域至出口，壓力從39.98 Pa 逐步下降，下降幅度較大。壓力變化表明，擋流板作用使流體在閥腔中的壓力大幅下降，降低了流體對閥體的沖擊和磨損，減少了渦流。由圖7 可知，擋流板位置最大速度為0.597 m/s，流體流過擋流板進入閥腔處速度最大，最大速度為0.845 m/s，閥腔區(qū)域中部至出口流體速度逐漸減小，出口最大速度為0.113 m/s，位于出口口徑中部，閥腔其余部位流速均很小。速度變化表明擋流板作用使流體的速度發(fā)生了突變，改變了液流方向，速度降低的同時也減少了渦流。由圖8 可知，流體經(jīng)過擋流板后，由于擋流板作用使液流改變了方向，集中于閥腔中部流動，對閥腔沖擊很低，流過球芯后，液流改變方向，流動區(qū)域逐漸增加，到出口位置以閥腔大小區(qū)域流出。閥腔無可見小渦流，滯留在閥腔中的液流速度接近于零，未對球芯、閥體和閥腔產(chǎn)生沖擊和磨損。

圖7 相對開度40%速度云圖Fig.7 Velocity cloud chart at relative opening of 40%

圖8 相對開度40%流動跡線Fig.8 Flow trace chart at relative opening of 40%

相對開度為30%時，球閥壓力云圖、速度云圖和流動跡線如圖9～11 所示。

圖9 相對開度30%壓力云圖Fig.9 Pressure cloud chart at relative opening of 30%

進一步先減小開度，由圖9 可知，在流入方向，流體最大壓力為1 815.35 Pa，位于入口口徑中部，流經(jīng)擋流板流體壓力呈階梯式減小，擋流板位置最大壓力為1 271.59 Pa，在流出方向，流過擋流板后，流體壓力從374.67 Pa 迅速減小至37.84 Pa，壓力下降明顯。壓力變化表明，擋流板作用使流體在經(jīng)過擋流板后壓力階梯式大幅下降，壓力發(fā)生變化，流體流動方向改變，同時也減少了渦流。

由圖10 可知，流體流經(jīng)擋流板速度呈階梯式增加，擋流板位置處的最大速度為0.863 m/s，流過擋流板進入閥腔處速度達到最大，最大速度為0.936 m/s，流過閥腔區(qū)域速度迅速減小，最小速度為0.127 m/s，位于出口口徑中部。速度變化表明擋流板作用使流體的速度發(fā)生了階梯式變化，速度變化改變了液流方向，閥腔低速減少了渦流。由圖11 可知，流動跡線與相對開度40%的跡線相似，擋流板作用使液流更集中于閥腔中部流動，接近出口處流動區(qū)域增大。擋流板改變流體方向，減少渦流效果明顯。

圖10 相對開度30%速度云圖Fig.10 Velocity cloud chart at relative opening of 30%

圖11 相對開度30%流動跡線Fig.11 Flow trace chart at relative opening of 30%

擋流板位置和閥腔位置流體最大壓力均隨開度的減小而減小，當開度從40%降至30%時，擋流板位置流體最大壓力從1 271.59 Pa 減小至467.24 Pa，閥腔位置流體最大壓力從374.67 Pa 減小至39.98 Pa，擋流板位置流體最大壓力遠大于閥腔位置流體最大壓力。擋流板位置和閥腔位置流體最大速度也均隨開度減小而減小，當開度從40%降至30%時，擋流板位置流體最大速度從0.845 m/s 減小至0.597 m/s，閥腔位置流體最大速度從0.936 m/s 減小至0.863 m/s，擋流板位置流體最大速度小于閥腔位置流體最大速度。表明擋流板阻擋作用明顯，從擋流板至閥腔流體壓力大幅降低，速度增加，壓力和速度變化使得流體改變流動方向，減少了渦流。

通過流體動力學計算分析，可以得出在小開度時防沖刷V 型球閥有效地起到了擋流板防固體顆粒進入閥腔的作用，擋流板結構有效地解決顆粒物質沖刷磨損問題。

3 流量仿真分析

V 型球閥工作時，流體流動的雷諾系數(shù)Re ＞4 000 為紊流［18-20］。紊流流過球閥會產(chǎn)生與比速能成正比的不可恢復比壓能損失：

式中，Wc為壓能損失，J/kg；ΔE 為靜壓損失，Pa；σ為無量綱損失系數(shù)；v1為流體平均流速，m/s。

由式（1）求得流過球閥的體積流量：

式中，Y 為體積流量，m3/s；S 為有效流通面積，m2。

流量系數(shù)為規(guī)定條件下球閥流通能力系數(shù)［21］。在室溫為278～313 K（5～40 ℃）范圍內，介質為水。當流動為紊流，不出現(xiàn)空化或閃蒸，球閥公稱通徑與管道公稱通徑相同時，流量系數(shù)Mb為流過球閥的特定體積流量：

式中，Mb為流量系數(shù)，m3/h；ΔE0為閥兩端靜壓損失，ΔE0=1×105Pa；ρ0為水密度，kg/m3。

當流動為紊流，不出現(xiàn)空化或閃蒸，球閥公稱通徑與管道公稱通徑不相同時，流量系數(shù)Nb為壓力下降6 894.8 Pa，室溫在40～100 ℉（4～38 ℃）范圍內，介質水在1 min 內流過球閥的美加侖數(shù)。流量系數(shù)Mb為流過球閥的體積流量：

式中，k 為系數(shù)，k=83。

由ANSYS 軟件對防沖刷V 型球閥進行流量仿真測試［22-23］，介質為水，流量參數(shù)類型為質量流率，質量流率為0.507 15 kg/s，場變量為靜壓。

流量測試如圖12 所示。橫坐標為時間，測試總時間為100 s，縱坐標為流量，正為入口流量，負為出口流量。在0～4 s 內，入口流量呈直線上升，上升較快，在2.7 s 時達到最高值為6.8 kg/s，出口流量也呈直線上升，但比入口流量的上升速度緩慢很多，在2.5 s 時達到最高值為2.2 kg/s，說明了擋板降低了流量，入口流量在2.7～4 s 內快速回落，由于剛開始不穩(wěn)定，入口流量在4 s 時達到小峰值為-0.8 kg/s，出口流量在2.5～3 s 回落，在2.7～4 s 內小幅上升，在4 s 時達到小峰值為-1.4 kg/s，入口流量值小于出口流量值，是由于擋板的擋流作用，入口流量在4～10 s 內小幅回落，10 s 后在0 附近入口流量微量，趨于水平，出口流量在4～10 s 內小幅回落，10 s 后在0 附近出口流量微量，趨于水平，出口流量大于入口流量，說明了擋板具有降低流量、改變介質流向的作用，使得出口流量比入口流量大。

圖12 流量測試Fig.12 Flow test

4 試驗與分析

4.1 試驗條件

防沖刷V 型球閥DN65，PN1.6 MPa，驅動方式為氣動，泄漏等級IV，執(zhí)行標準為GB/T 4213，試驗裝卡方式為手動，試驗設備為全自動閥門試驗臺。

對防沖刷V 型球閥進行閥體強度試驗和閥座密封試驗。在閥門性能試驗系統(tǒng)上對防沖刷V 型球閥進行小開度液流方向改變及渦流試驗。

4.2 分析與結果

閥體耐壓試驗和閥座密封試驗結果見表3。

表3 耐壓和密封試驗結果Tab.3 Pressure withstand and sealing test results

試驗分為2 個試驗程序：一是壓力測試，閥體耐壓試驗；二是泄漏測試，閥芯閥座密封試驗。試驗介質為5～40 ℃的水，試驗方向為入口方向，閥體試驗保壓時間設定為180 s，密封試驗保壓時間設定為60 s。閥體試驗用于測試閥體的耐壓強度，球閥PN16，通?，F(xiàn)場使用最高壓力為1.6 MPa，試驗時用1.5 倍系數(shù)壓力進行強度測試，即壓力設定值為2.4 MPa，根據(jù)國家標準GB/T 4213-2008，在180 s 內閥體無可見外漏，閥體耐壓強度合格。密封試驗是測試閥芯閥座的側內漏，目前測試設備壓力最高為0.4 MPa，因此設壓力定值為0.35 MPa，根據(jù)國家標準GB/T 4213-2008，泄漏量在15 mL/min 以下為合格，實際在60 s 內泄漏量為12.5 mL/min，閥芯閥座密封合格。

性能試驗結果見表4。

表4 性能試驗結果Tab.4 Performance test results

球閥性能測試，測試流量、液流改變和渦流。保壓時間為10 s，相對開度分別為40%，30%和20%，測得入口質量流量分別為0.32，0.24，0.19 kg，出口質量流量分別為0.05，0.03，0.016 kg/s。隨著開度減小，入口流量和出口流量均減小，且入口流量遠大于出口流量。相對開度從40%到30%，渦流逐漸減少，相對開度20%時，渦流很少。流量和渦流的變化表明擋流板作用使V 型球閥對流體及顆粒起到了阻擋過濾作用，在改變液流流向的同時，減少了渦流，從而降低了砂粒物質對球閥內腔的沖刷磨損。

5 結論

（1）防沖刷V 型球閥具有擋流板閥座，擋流板閥座由于擋流作用降低了介質流量和改變了介質流向，介質集中流經(jīng)中間部位，使得帶砂?；蝾w粒介質對內腔磨損大大降低。

（2）對擋流板工作進行了仿真，擋流板位置流體最大壓力從1 271.59 Pa 減小至467.24 Pa，閥腔位置流體最大壓力從374.67 Pa 減小至39.98 Pa，流體最大速度從0.845 m/s 減小至0.597 m/s，流體最大速度從0.936 m/s 減小至0.863 m/s，表明擋流板對液流起到了防顆粒、改變流向和減小渦流的作用。對流體流量進行了仿真分析，表明擋流板的作用使得V 型球閥流量顯著下降。

（3）對防沖刷V 型球閥進行閥體耐壓試驗、閥座密封試驗和小開度液流方向改變及渦流試驗，在擋流板閥座結構下，閥體無可見變形和滲漏，內側泄漏量為12.5 mL/min，小于國家標準15 mL/min泄漏量，閥體耐壓強度和閥座密封性能均滿足要求；小開度液流方向改變及渦流試驗結果顯示，入口和出口質量流量分別為0.32，0.24，0.19 kg 和0.05，0.03，0.016 kg/s，表明擋流板對流體及砂粒具有阻擋過濾作用，改變了液流方向，減少了渦流，降低了顆粒砂粒流體物質對球閥內腔的磨損，提高了球閥使用性能。