煤化工水煤浆输送用偏心旋转阀/凸轮挠曲阀结构改进分析

　　针对水煤浆输送管线上调节流量用的偏心旋转阀内漏问题，利用计算流体动力学数值模拟方法进行了分析，得到内部流场的可视化图形。通过流场的速度模拟分析，找出易发生破坏位置，得出产生内漏的原因，采用阀芯镶嵌陶瓷的改进结构设计，提高了阀门耐磨损、抗冲刷和耐腐蚀的能力，有效延长了阀门的使用寿命。

1、概述
　　在水煤浆制备输送过程中，阀门磨损问题一直是影响装置平稳运行的因素之一。尤其是煤浆管线上的调节阀，阀芯磨损，阀体磨穿，造成调节阀内漏和外漏，不仅有毒有害介质发生泄漏污染环境，还可能造成重大事故。

2、数值模拟分析
　　2.1、三维建模
　　偏心旋转阀的公称通径为100mm，流体的流动方向为流开，阀门最大行程为60°，调节阀经常在10% ～ 15% ( 6° ～ 10°) 的开度上调节。利用三维建模软件，根据流道的尺寸和阀芯的结构及装配关系对整个结构进行三维建模( 图1) 。

　　2.2、数值模拟
　　将偏心旋转阀开度为10°的介质流道模型导入到WORKBENCH 中，对其进行网格划分，采用四面体网格形式，划分后网格数为924 725( 图2) 。在进行网格划分过程中，对模型设置边界，并将模型导入到FLUENT 模块中进行边界条件的设置( 表1) 。然后对流道模型进行求解，并通过后处理得到流场可视化图( 图3) 。

　　由压力云图可以看出，介质在通过偏心旋转阀时压力集中在阀芯正对介质流向部分。由速度云图可知，介质通过阀芯与阀座之间形成的间隙(主要是阀芯转向介质流入方向的一侧) 流出，由于间隙较小，对介质产生节流作用，介质流速极快，使阀芯转向介质流入方向的一侧容易出现破坏以及冲刷现象，而对介质主要流过阀体的那一侧产生冲刷。

　　当阀芯在6° ～10° 的开度工作时，阀芯与阀座之间节流面形成的间隙很窄，含高固和高磨蚀性颗粒(2.5mm 以下) 的水煤浆通过节流面时，流速极快，是造成阀芯和阀座密封面磨损的主要原因(验证了CFD分析结果的可靠性) 。当阀芯和阀座出现磨损后，流体节流面积增大，为了保证正常调节，阀门开度将减小，从而加剧阀芯和阀座的磨损，即使采取堆焊或喷焊硬质合金甚至采用整体碳化钨烧结的阀芯，使用寿命也很短。

3、解决方案
　　经过分析，采取了缩小阀门入口面积，增大阀门正常调节开度，阀芯和阀座采用镶嵌工程陶瓷材料(图4) 等措施，提高了密封副抗冲刷、耐磨损的能力。阀门安装使用过程中未发现有内漏的迹象，对阀门进行下线检测(运行1年后) ，除阀芯压盖有部分冲蚀外，陶瓷阀芯、阀座以及阀体内腔完好。更换阀芯压盖后，阀门继续使用。

4、结语
　　改进后的陶瓷偏心旋转阀使用情况良好，使用寿命更长，降低了运行成本。陶瓷偏心旋转阀适用于水煤浆工艺和有腐蚀性介质等苛刻工况。

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