液固二相流对球阀密封性影响的数值模拟研究

发布时间：2020-10-10 19:20

　　 球阀因具有全通径、大流量、开关方便、流阻低等优点而被广泛用于石油化工、煤化工以及其他行业中,但这些行业工况通常比较苛刻,普遍存在高温、高压、有毒、有害、含固体颗粒以及二相流介质等(特别是液固二相流)现象,极易对球阀密封结构造成冲刷磨蚀,甚至失效。基于此,本文以金属硬密封固定式球阀为研究对象,提出一种应用液固二相流动理论对球阀不同启闭角度下密封结构磨蚀特性进行分析的方法,开展了液固二相流对球阀密封性能影响规律的数值模拟研究。本论文主要研究工作及相关结论如下:首先,通过对球阀密封结构密封机理的分析,探讨了球阀密封结构参数对其密封性能的影响关系;同时,结合理论与实际工况推导出密封副上的密封比压、许用比压及必需比压等计算公式,通过分析发现在其他结构参数不变的的情况下,球阀受到密封面投影宽度的影响最大。其次,利用Solidworks和Fluent软件分别建立了球阀密封结构三维模型和不同启闭角度下的液固二相流磨蚀模型;对球阀内部不同开度(20%开度、40%开度、60%开度、80%开度)流场特性进行数值模拟仿真,得出球阀由关闭到逐步打开时阀门的内部流场流动状态。再次,应用Fluent分析液固二相流流场,确定阀球外表面、阀腔以及阀座端面为阀门系统磨蚀最严重的三处区域;通过对比不同开启角度下球阀磨蚀情况分布并进行计算分析,发现冲刷磨蚀会导致阀座端面表面材料流失,造成密封面投影宽度减小,从而使密封比压增加,降低了球阀的密封性能。最后,针对由冲刷磨蚀造成的密封面投影宽度减小的问题,提出了一种阀座端面垂直阀球外表面的优化设计方案;对优化后的球阀进行有限元静力学分析,得出球阀的等效应力、位移的大小和分布;制作实物样机,通过阀门试压机和氮气测漏仪对样机进行检测,结果表明所有检测项目均符合相应标准,验证了球阀结构优化设计的合理性和正确性。综上所述,本文对金属硬密封固定式球阀密封性能进行了研究,应用数值模拟仿真方法分析研究了液固二相流对球阀密封结构的影响规律,并对球阀进行结构优化设计,从而提升其密封性能。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH134
【部分图文】：

国制造质量的提升，有的阀门还被远出口到世门中，目前金属硬密封球阀（如图 1.1 所示）优点，例如密封性能优异、结构紧凑等，而被工产业、海上钻井平台、发电站以及冶金行业的要求是密切相关的，尤其是一些苛刻等特殊金属硬密封球阀，从技术上来看，由于阀体、高的要求，加上表面喷涂硬化技术、零部件热的发展，使得球阀的密封面具有着很高的硬度承受相当高的使用温度，或者减少流体介质中来的损伤[4]。常见的对球阀密封性能有着特别要温、高压或着夹杂着固体颗粒等环境中，选择器件的情况居多[5]。

液固二相流对球阀密封性影响的数值模拟研究结构如图 1.2 所示，包含的零部件主要有阀体、阀座一个开设有通孔的球体作为启闭件，通过互相配合，在阀体内实现转动不同角度的效果，以此完成阀门的工程应用中球阀操作简单方便，并且具有很好的流量际中，虽然对球阀的设计有着科学的理论依据，但是达不到预期效果，尤其是在苛刻工况下工作的球阀，，因此有必要对球阀进行苛刻工况环境下的密封性能

在苛刻工况下常见的球阀密封部件损坏情况如图1.3 所示。苛刻工况中多包含液固二相流介质，其对阀座和阀球造成冲刷磨蚀从而导致密封失效，如图 1.3 (a)为阀座表面损坏、图 1.3 (b)为阀球表面损坏。虽然针对不同使用工况下的球阀当前会有一些结构改造设计或者对其制造加工工艺进行优化改进，但是此类方法缺少对密封机理进行分析，所以达到的效果不是很理想[6]。传统的设计与改进方法一般是先对球阀结构进行分析，再到理论的计算，最后通过制作样机进行验证等，其设计周期较长，且消耗大量人力物力，已经跟不上科技发展的脚步，且对其在使用过程中遇到的泄漏、失效等问题无法科学的做出解释，这就使得计算机辅助制造技术在阀门行业得到运用[7]。
【参考文献】

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本文编号：2835480