偏心旋转阀/凸轮挠曲阀在煤气化工艺下的失效分析

利用了先进的流体动力学模型模拟计算偏心旋转阀在不同操作工况下流体介质的通过情况。从理论上分析了阀门设计中潜在的设计缺陷，改进了阀门的结构设计。

1、概述

　　在煤化工及煤制油的系统装置中，要求阀门具有高耐磨、耐冲刷、防结垢、防结疤和快速切断等功能。偏心旋转阀以其体积小，流路简单，流量大，自洁性能好，可调范围广，流体阻力小，流路平滑，杂质不易沉淀，偏心旋转无磨擦，密封寿命长，导流翼使流体动态调节平稳，允许压差大，通用性强，使用可靠，维修方便和泄漏率低等特点得到了越来越多的应用。本文针对偏心旋转阀使用中出现的问题进行了分析，并做了相应的结构改进，基本满足了大容量，大调节范围，适用于粘度较大工况的要求。

2、结构性能分析

　　偏心旋转阀( 图1) 是一种结构新颖的调节阀，其回转中心与旋转轴不同心。工作时利用一个偏心转动的扇形球体与阀座相切。阀门开启时，球体脱离阀座。阀门关闭时，球体逐渐接触阀座，并对阀座产生压紧力。有些球体后部设有一个导流翼，有利于流体稳定流动，并具有优良的稳定性。

　　偏心旋转阀在煤化工装置中使用时，介质为含固量较高的黑水，流速大于10m /s，压差大于5MPa。为了适应苛刻的工况条件，阀体及其内件采用了喷涂碳化钨或堆焊处理，阀门表面材料具有很强的抗冲刷能力。但是，阀门在使用几十天后，球体冲蚀严重，两端的轴孔破坏更为严重，经过返修后，不到一周时间阀体冲漏，阀内件损坏( 图2) 。

(a) 超音速喷涂碳化钨的球体(b) 堆焊处理的球体(c) PTA 加非晶态堆焊的球体

3、流体模拟计算

　　为了明确阀门冲蚀的区域，需要分析流体的分布规律，包括高流速区、高颗粒浓度区、易闪蒸气蚀区等信息，从而寻找阀门的易冲刷薄弱环节。通过现场使用破坏的情况可以看出，阀门在不同使用位置处于不同开度及不同颗粒浓度有不同的冲蚀破坏状况。因此按阀门不同开度情况下介质对阀门的冲刷损坏和介质中不同煤粉含量工况下对阀门的损坏两种情况进行分析。

　　3.1、不同位置开度下流体模型

　　偏心旋转阀的全行程为60°，在5 种不同开度情况下，通过阀门的介质流量也不同( 表1) 。通过质量流量设计进出口的边界条件( 表2) 。在该工况下，介质为水和蒸汽，所以采用欧拉两相流建立计算模型。对于湍流模型选择k-ω 模型。阀门全开时，不同煤粉含量的介质通过阀门(表3) 。采用欧拉三相流模型分析水、蒸汽和煤粉三相介质的流动状况。

　　利用欧拉两相和三相流模型计算介质的流动状况，控制方程有能量守恒方程、动量守恒方程和质量守恒方程。创建CFD 模型( 图3 ) ，利用ANSYSICEM CFD 划分网格( 图4) ，直接用于ANSYS CFX计算。通过理论分析，可以初步估计介质的性质、流速、成分、以及压力等因素与阀门的冲刷破坏有关系。所以在计算时，更多地关注这几个因素对阀门的影响。

　　3.2、计算参数及结果分析

　　(1) 不同开度下的定浓度流场

　　在整个模拟过程中，介质都是高粘度的水。通过不同开度下介质通过阀门的流动状态( 表4) 可以看出，介质流被分为两部分，一部分通过球体上端间隙流出，另一部分直接流过阀体空腔。在小开度下( 6°) 有60%的介质都经过球体上端间隙流出，仅有40%的介质通阀体空腔。阀门开度从6°增加到30°过程中，介质的最高流速从32. 4m/s 降到13. 1m/s，但是当阀门达到全开度时，速度又急剧增加到41. 5m/s。随着阀门开度的不断增加，介质流方向也发生了改变，直接流过球体下端阀体空腔的介质增加到了90% 左右，通过球体上端间隙的介质减少，但是介质流过的速度却达到了最大( 37m/s) ，这样的高速流体很容易对球体表面造成侵蚀破坏。

　　由理想介质的伯努利方程可知，当介质的流速增加时，压力下降，当压力下降到液体饱和压力以下时，液体就发生汽化。对于流型复杂的阀门设计，气蚀位置的确定有助于找到阀门易发生破坏的点，以及阀门结构设计的缺陷之处。在60° 开度下，气蚀主要集中在球体的主副轴部分( 图5) ，而在后部的导流翼部分基本没有气蚀集中区。

　　通过球体冲刷图( 图2) 可以看出，球体的主副轴部分都有严重冲刷。分析介质的速度分布以及气蚀情况，反映出大开度时相应位置处在高速冲刷和气蚀区域。因此阀门大开度是关注的重点。

　　(2) 最大开度下变浓度流场

　　通过不同浓度介质在阀门中的流动状态( 图6)分析，煤粉的含量对介质整体流速的影响不大，但是介质在阀体下端流道产生紊流，对阀体的下端流道冲刷明显增加。所以阀体内流道的结构设计还有待进一步改进。由于煤粉大量集中在球体的主副轴上，球体尾部区域的煤粉含量很少( 表5) 。在粘性流体中，煤粉的大量集中很容易破坏球体。随着煤粉含量的增加，球体的冲刷破坏越严重。经过对比分析，阀门全开度时的高速冲刷和气蚀及煤粉颗粒磨损较为严重。

4、结语

　　计算机模拟结果显示，当阀门处于最小开度时，流场的最高流速在最小开度时比较高。随着开度增加，最高流速可达32.4m /s。但是当阀门继续打开时，最高流速逐步降低，在18°左右降至最低点。随着阀门继续打开，最高流速逐渐增加，当在全开度时，流速达到过程之中的最高值41. 5m /s。在全开度时，在主副轴部分发生气蚀，而球体处没有发生。最高流速区处于主副轴及球体中段，但并非实际冲刷所示的前端。煤粉高浓度区出现的位置与冲刷零件的实际状况较为符合。从流速、气蚀和浓度三种因素对球体实际冲刷结果对比分析发现，最大破坏因素依次为高浓度、高流速和气蚀产生的作用。介质对阀门的破坏在阀门中流动受多种因素相关和叠加的影响，非常复杂。应用计算机模拟计算分析，可为阀门的结构改进和优化设计提供重要的理论参考依据。