偏心旋轉閥在煤氣化工藝下的失效分析

　　利用了先進(jìn)的流體動(dòng)力學(xué)模型模擬計算偏心旋轉閥在不同操作工況下流體介質(zhì)的通過(guò)情況。從理論上分析了閥門(mén)設計中潛在的設計缺陷，改進(jìn)了閥門(mén)的結構設計。

1、概述

　　在煤化工及煤制油的系統裝置中，要求閥門(mén)具有高耐磨、耐沖刷、防結垢、防結疤和快速切斷等功能。偏心旋轉閥以其體積小，流路簡(jiǎn)單，流量大，自潔性能好，可調范圍廣，流體阻力小，流路平滑，雜質(zhì)不易沉淀，偏心旋轉無(wú)磨擦，密封壽命長(cháng)，導流翼使流體動(dòng)態(tài)調節平穩，允許壓差大，通用性強，使用可靠，維修方便和泄漏率低等特點(diǎn)得到了越來(lái)越多的應用。本文針對偏心旋轉閥使用中出現的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并做了相應的結構改進(jìn)，基本滿(mǎn)足了大容量，大調節范圍，適用于粘度較大工況的要求。

2、結構性能分析

　　偏心旋轉閥( 圖1) 是一種結構新穎的調節閥，其回轉中心與旋轉軸不同心。工作時(shí)利用一個(gè)偏心轉動(dòng)的扇形球體與閥座相切。閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)，球體脫離閥座。閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，球體逐漸接觸閥座，并對閥座產(chǎn)生壓緊力。有些球體后部設有一個(gè)導流翼，有利于流體穩定流動(dòng)，并具有優(yōu)良的穩定性。

圖1 偏心旋轉閥

　　偏心旋轉閥在煤化工裝置中使用時(shí)，介質(zhì)為含固量較高的黑水，流速大于10m /s，壓差大于5MPa。為了適應苛刻的工況條件，閥體及其內件采用了噴涂碳化鎢或堆焊處理，閥門(mén)表面材料具有很強的抗沖刷能力。但是，閥門(mén)在使用幾十天后，球體沖蝕嚴重，兩端的軸孔破壞更為嚴重，經(jīng)過(guò)返修后，不到一周時(shí)間閥體沖漏，閥內件損壞( 圖2) 。

(a) 超音速?lài)娡刻蓟�鎢的球體(b) 堆焊處理的球體(c) PTA 加非晶態(tài)堆焊的球體

圖2 閥內件損壞情況

3、流體模擬計算

　　為了明確閥門(mén)沖蝕的區域，需要分析流體的分布規律，包括高流速區、高顆粒濃度區、易閃蒸氣蝕區等信息，從而尋找閥門(mén)的易沖刷薄弱環(huán)節。通過(guò)現場(chǎng)使用破壞的情況可以看出，閥門(mén)在不同使用位置處于不同開(kāi)度及不同顆粒濃度有不同的沖蝕破壞狀況。因此按閥門(mén)不同開(kāi)度情況下介質(zhì)對閥門(mén)的沖刷損壞和介質(zhì)中不同煤粉含量工況下對閥門(mén)的損壞兩種情況進(jìn)行分析。

　　3.1、不同位置開(kāi)度下流體模型

　　偏心旋轉閥的全行程為60°，在5 種不同開(kāi)度情況下，通過(guò)閥門(mén)的介質(zhì)流量也不同( 表1) 。通過(guò)質(zhì)量流量設計進(jìn)出口的邊界條件( 表2) 。在該工況下，介質(zhì)為水和蒸汽，所以采用歐拉兩相流建立計算模型。對于湍流模型選擇k-ω 模型。閥門(mén)全開(kāi)時(shí)，不同煤粉含量的介質(zhì)通過(guò)閥門(mén)(表3) 。采用歐拉三相流模型分析水、蒸汽和煤粉三相介質(zhì)的流動(dòng)狀況。

表1 閥門(mén)開(kāi)度和質(zhì)量流量

　　利用歐拉兩相和三相流模型計算介質(zhì)的流動(dòng)狀況，控制方程有能量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和質(zhì)量守恒方程。創(chuàng )建CFD 模型( 圖3 ) ，利用ANSYSICEM CFD 劃分網(wǎng)格( 圖4) ，直接用于A(yíng)NSYS CFX計算。通過(guò)理論分析，可以初步估計介質(zhì)的性質(zhì)、流速、成分、以及壓力等因素與閥門(mén)的沖刷破壞有關(guān)系。所以在計算時(shí)，更多地關(guān)注這幾個(gè)因素對閥門(mén)的影響。

表2 計算模型的初始條件參數設置

表3 閥門(mén)全開(kāi)時(shí)初始參數設置

圖3 CFD 模型

圖4 網(wǎng)格劃分

　　3.2、計算參數及結果分析

　　(1) 不同開(kāi)度下的定濃度流場(chǎng)

　　在整個(gè)模擬過(guò)程中，介質(zhì)都是高粘度的水。通過(guò)不同開(kāi)度下介質(zhì)通過(guò)閥門(mén)的流動(dòng)狀態(tài)( 表4) 可以看出，介質(zhì)流被分為兩部分，一部分通過(guò)球體上端間隙流出，另一部分直接流過(guò)閥體空腔。在小開(kāi)度下( 6°) 有60%的介質(zhì)都經(jīng)過(guò)球體上端間隙流出，僅有40%的介質(zhì)通閥體空腔。閥門(mén)開(kāi)度從6°增加到30°過(guò)程中，介質(zhì)的最高流速從32. 4m/s 降到13. 1m/s，但是當閥門(mén)達到全開(kāi)度時(shí)，速度又急劇增加到41. 5m/s。隨著(zhù)閥門(mén)開(kāi)度的不斷增加，介質(zhì)流方向也發(fā)生了改變，直接流過(guò)球體下端閥體空腔的介質(zhì)增加到了90% 左右，通過(guò)球體上端間隙的介質(zhì)減少，但是介質(zhì)流過(guò)的速度卻達到了最大( 37m/s) ，這樣的高速流體很容易對球體表面造成侵蝕破壞。

表4 閥門(mén)不同開(kāi)度下流速

　　由理想介質(zhì)的伯努利方程可知，當介質(zhì)的流速增加時(shí)，壓力下降，當壓力下降到液體飽和壓力以下時(shí)，液體就發(fā)生汽化。對于流型復雜的閥門(mén)設計，氣蝕位置的確定有助于找到閥門(mén)易發(fā)生破壞的點(diǎn)，以及閥門(mén)結構設計的缺陷之處。在60° 開(kāi)度下，氣蝕主要集中在球體的主副軸部分( 圖5) ，而在后部的導流翼部分基本沒(méi)有氣蝕集中區。

　　通過(guò)球體沖刷圖( 圖2) 可以看出，球體的主副軸部分都有嚴重沖刷。分析介質(zhì)的速度分布以及氣蝕情況，反映出大開(kāi)度時(shí)相應位置處在高速沖刷和氣蝕區域。因此閥門(mén)大開(kāi)度是關(guān)注的重點(diǎn)。

圖5 閥門(mén)60°開(kāi)度氣蝕情況

　　(2) 最大開(kāi)度下變濃度流場(chǎng)

　　通過(guò)不同濃度介質(zhì)在閥門(mén)中的流動(dòng)狀態(tài)( 圖6)分析，煤粉的含量對介質(zhì)整體流速的影響不大，但是介質(zhì)在閥體下端流道產(chǎn)生紊流，對閥體的下端流道沖刷明顯增加。所以閥體內流道的結構設計還有待進(jìn)一步改進(jìn)。由于煤粉大量集中在球體的主副軸上，球體尾部區域的煤粉含量很少( 表5) 。在粘性流體中，煤粉的大量集中很容易破壞球體。隨著(zhù)煤粉含量的增加，球體的沖刷破壞越嚴重。經(jīng)過(guò)對比分析，閥門(mén)全開(kāi)度時(shí)的高速沖刷和氣蝕及煤粉顆粒磨損較為嚴重。

表5 煤粉集中區域和煤粉侵蝕率

(a) 3% (b) 5% (c) 20%

圖6 濃度不同介質(zhì)的速度流線(xiàn)分布

4、結語(yǔ)

　　計算機模擬結果顯示，當閥門(mén)處于最小開(kāi)度時(shí)，流場(chǎng)的最高流速在最小開(kāi)度時(shí)比較高。隨著(zhù)開(kāi)度增加，最高流速可達32.4m /s。但是當閥門(mén)繼續打開(kāi)時(shí)，最高流速逐步降低，在18°左右降至最低點(diǎn)。隨著(zhù)閥門(mén)繼續打開(kāi)，最高流速逐漸增加，當在全開(kāi)度時(shí)，流速達到過(guò)程之中的最高值41. 5m /s。在全開(kāi)度時(shí)，在主副軸部分發(fā)生氣蝕，而球體處沒(méi)有發(fā)生。最高流速區處于主副軸及球體中段，但并非實(shí)際沖刷所示的前端。煤粉高濃度區出現的位置與沖刷零件的實(shí)際狀況較為符合。從流速、氣蝕和濃度三種因素對球體實(shí)際沖刷結果對比分析發(fā)現，最大破壞因素依次為高濃度、高流速和氣蝕產(chǎn)生的作用。介質(zhì)對閥門(mén)的破壞在閥門(mén)中流動(dòng)受多種因素相關(guān)和疊加的影響，非常復雜。應用計算機模擬計算分析，可為閥門(mén)的結構改進(jìn)和優(yōu)化設計提供重要的理論參考依據。