李運龍，曹衛(wèi)國，裴耀貴，陳 勇

（1.凱瑞特閥業(yè)集團有限公司，浙江瑞安 325207；2.大港油田檢測監(jiān)督評價中心，天津 300280）

0 引言

為改善能源結構，推動經(jīng)濟發(fā)展，開發(fā)利用天然氣等清潔環(huán)保資源成為目前工程建設的重點。由于長輸管線遍布全國多個地區(qū)，其中所使用的管道球閥數(shù)量也隨之增加。對于管道球閥來講，使用過程中會產(chǎn)生沖蝕磨損。當松散顆粒以固體或液體形式，在不同角度和速度的作用下，會對材料表面造成影響，出現(xiàn)沖蝕磨損，將有可能造成天然氣泄漏或爆炸等危險事件。因此，解決管道球閥沖蝕磨損失效問題，是當前管網(wǎng)正常運行和安全生產(chǎn)的重中之重。由于球閥的工況參數(shù)源于經(jīng)驗公式所總結的結果，在實際應用中需要對球閥實時流動特性有所認識。引入計算機數(shù)值模擬技術，探討實際工況下球閥磨損情況和整體沖蝕速率，以此指導結構優(yōu)化，延長球閥使用壽命。

1 管道球閥沖蝕磨損模型

（1）E/CRC 模型：此模型適用于研究沖擊角度、沖擊速度等要素對管道球閥沖蝕磨損的影響，具備較高計算精度，可直觀描述顆粒流場分布狀態(tài)[1]。

其中，n 為模型指數(shù)；FS為顆粒形狀系數(shù)；BH 為表面材料的布氏硬度；C 為模型系數(shù)[2]。

（2）Oka 模型：此模型同樣具備較高計算精度，能夠在考慮材料物性和顆粒硬度的前提下，計算出不銹鋼、銅、碳鋼、鋁等材料球閥的沖蝕磨損情況。

其中，K為模型系數(shù)；Vref為參考速度；p 為面質(zhì)量密度；Hv為表面硬度[3]。

2 管道球閥沖蝕磨損失效模擬研究

模擬研究借助E/CRC 模型，契合氣固兩相流球閥的沖蝕磨損特征。運用歐拉-拉格朗日流體描述辦法，將固體顆粒轉變?yōu)殡x散相顆粒，使用有限元軟件耦合數(shù)值模擬離散顆粒相互作用，從而形成連續(xù)向流體方程和離散相顆粒運動方程[4]。處理近壁面區(qū)域，借助壁函數(shù)，出口設置為消失，設置壁條件為無滑移。劃分物理場，控制網(wǎng)格序列，細化生成層流模型，兼顧自動臂處理功能。提高計算精準度，緩解內(nèi)存需求，保證各網(wǎng)格平均單元質(zhì)量為0.84，對接精度計算需要[5]。

2.1 不同開度影響

分別設置開度為10%、30%、50%、70%和90%的模擬實驗條件，通過分析流線分布和球閥流場分布圖，得到高速流動區(qū)域主要集中于閥芯出入口處。入口流速低于出口流速，當開度減小時，進出口流速增大對應所產(chǎn)生的動能也隨之增加。在開度減小的條件下，二次流旋渦尺度與強度作用于下游管道內(nèi)通道和閥芯拐角處的強度增加，使得顆粒高度紊亂。當開度為90%時，流動處于平穩(wěn)狀態(tài)，無漩渦形成。而開度為10%時，顆粒處于高度紊亂狀態(tài)，回流漩渦控制下游流體和閥體內(nèi)的流體流動狀態(tài)[6]。設定的模擬顆粒質(zhì)量流率為0.002 kg/s，粒徑為180 μm，入口流速為7 m/s。通過分析模擬5 種不同開度下球閥沖蝕磨損的分布狀態(tài)可得到，當開度逐漸增大時，沖蝕磨損程度降低，且位置較為分散，主要的沖蝕磨損區(qū)域為內(nèi)通道壁面和球心引流面。當開度減小時，射流流速增加，入口截流處兩端梯度變化大，由此生成沖擊力，使得沖蝕磨損面積加大。根據(jù)沖蝕結果來看，由月牙形轉變成圓形。

表1 為不同開度下球閥沖蝕率變化情況。通過表1 可以看出，沖蝕率隨開度減小而增大，即當開度為10%時，沖蝕率達到最大，平均沖蝕率和最大沖蝕率分別為6.034 54×10-7kg/（m2·s）、6.693 52×10-6kg/（m2·s）。當開度處于10%～30%時，沖蝕率下降速度較快；處于30%～70%時，下降較為緩慢；當開度大于70%后，整體變化趨于穩(wěn)定[7]。

表1 不同開度下球閥沖蝕率變化情況

為研究不同開度狀態(tài)下，平均沖蝕率和最大沖蝕率的變化趨勢，分別選定開度為10%、50%和90% 3 種不同情況。得到不同時刻下球閥沖蝕率變化圖，根據(jù)所形成的變化圖可以得到：當開度為10%時，處于0.05～1.5 s 范圍內(nèi)的最大沖蝕率呈現(xiàn)出緩慢上升的特點，并于1.5 s 后急劇上升[8]。當開度為50%時最大沖蝕率先上升后平穩(wěn)，此種規(guī)律與開度為90%狀態(tài)下的變化規(guī)律大體相符。同時，當處于0.05～3.0 s 范圍內(nèi)，最大沖蝕率急劇上升。當0.3～1.0 s 范圍內(nèi)最大沖蝕率變?yōu)槠椒€(wěn)。而開度為10%時的平均沖蝕率，具備先平穩(wěn)后驟降的特點。開度為50%的平均沖蝕率具備驟降的特點，開度為90%的平均沖蝕率先驟降后平穩(wěn)。

2.2 粒徑大小影響

分析不同粒徑對球閥沖蝕磨損的影響，將開度設定為50%，入口流速確定為7 m/s，分別探究當粒徑為3 μm、25 μm 和50 μm 狀態(tài)下，球閥沖蝕磨損的情況。通過分析得到：當粒徑為3 μm 時，球芯迎流面受到顆粒的沖擊作用較小，產(chǎn)生的沖蝕磨損程度較低，且程度較為均勻；當粒徑為25 μm 時，球閥沖蝕磨損分布不再均勻，呈現(xiàn)出集中的特點；當粒徑為50 μm 時，球閥迎流面受到顆粒的沖蝕磨損作用效果較為明顯。由此可見，粒徑與球心沖蝕磨損程度間呈現(xiàn)正相關關系，即粒徑增大，沖蝕磨損程度也隨之加大，且磨損位置更為集中[9]。

2.3 球閥流場特征影響

球閥流場特征影響方面，在形成速度場流體速度變化云圖后，發(fā)現(xiàn)當氣體處于閥芯拐角位置時，改變原流動方向。由于此時氣體變窄，流道處出現(xiàn)高速射流，直接帶來較大沖擊力作用于內(nèi)通道壁面上。此時閥芯內(nèi)氣流狀態(tài)不穩(wěn)定，會反復在壁面上碰撞，此種情況下閥體內(nèi)氣體速度變化處于5～25 m/s。而在節(jié)流作用影響下，氣體傳輸至出口也會帶來高速射流情況，因此，閥內(nèi)最低和最高流速分別置于下游閥芯死角和閥芯出口2 個部位。通過分析漩渦變化和流體通過球閥時的速度變化，發(fā)現(xiàn)流漩渦在球閥內(nèi)出現(xiàn)2 次，一次為閥芯內(nèi)通道處，一次為閥芯入口拐角處。前者經(jīng)入口截流的氣體，以噴射流形式加速進入內(nèi)通道，并因反復沖擊作用，狀態(tài)不穩(wěn)定，符合高度紊亂特征，此處的旋流旋渦最為復雜且數(shù)量最多。后者是閥芯阻擋帶來回旋流動，使得球閥出現(xiàn)2 次流旋渦。截面2 與4 旋渦尺度隨著壓差作用逐漸變大，并且截面四出現(xiàn)方向相反、大小相等的一對漩渦，使得閥體內(nèi)部高度紊亂，顆粒運動符合不規(guī)則狀態(tài)，因而說明此時沖蝕磨損程度最高[10]。

通過分析，當速度為7 m/s 時，球閥的沖蝕磨損分布情況，可以得到在球閥上會產(chǎn)生多處沖蝕磨損區(qū)域。對于此模擬實驗而言，主要產(chǎn)生6 處沖蝕磨損，分別為：顆粒在內(nèi)通到閥芯銳緣處2 次反彈撞擊所產(chǎn)生；顆粒沖擊至出口閥芯銳緣處的反彈作用而產(chǎn)生的沖蝕磨損；顆粒處于高度紊亂狀態(tài)下，反復碰撞沖擊閥芯銳緣處，帶來沖蝕磨損；在閥芯入口截流處內(nèi)通道壁面受到高速射流直接沖擊影響，出現(xiàn)沖蝕磨損；顆粒撞擊迎流面后，反彈形成的沖蝕磨損；閥芯迎流面阻擋高速氣流而產(chǎn)生的沖蝕磨損。通過分析，當粒子速度為7 m/s 時的運動軌跡圖可以得出：在來流顆粒沖擊作用下，球心引流面上的顆粒向后推移，在反彈作用下做無規(guī)則運動。由于入口流速大，且寬度變窄，壓力梯度變化強度大，造成球閥內(nèi)氣體處于高度混亂狀態(tài)，顆粒于閥內(nèi)無規(guī)則運動，在動能作用下會沖擊壁面，從而形成沖蝕磨損。由此可見，沖蝕磨損較為嚴重區(qū)域的顆粒動能較大。

3 結束語

給出常見的兩種管道球閥沖蝕磨損模型，分別為E/CRC 模型和OKa 模型。在失效模擬研究中所使用的模型為E/CRC 模型，其更為貼合氣固兩相流球閥的沖蝕磨損變化規(guī)律。通過分析不同開度、不同粒徑大小和球閥流場特征對沖蝕磨損的影響，可以得到：當開度增加時，沖蝕率減??；當粒徑增大時，沖蝕磨損程度增大；球閥流場特征會對沖蝕磨損產(chǎn)生一定作用效果，且最低流速出現(xiàn)在下游閥芯死角，最高流速出現(xiàn)在閥芯出口球閥內(nèi)，多為二次流旋渦，主要存在于閥芯出口拐角、閥芯內(nèi)通道和閥芯入口拐角處。若要控制沖蝕磨損，應當控制粒徑、開度等影響因素，以此保證球閥可處于安全運行狀態(tài)。