超高壓閘閥啟閉過程沖蝕磨損分析

韓棟 江鑫 吳晗

（江蘇蘇鹽閥門機械有限公司，江蘇 鹽城224500）

0 引言

閘閥是采油、采氣井口裝置中的重要組成部件。閘閥的內腔形狀復雜，流體介質在流經流道時會產生漩渦、回流等現象，加劇閘板、閥座及閥體中腔的腐蝕、振動和磨損，降低閘閥的服役壽命。閥體和閘板是超高壓閘閥的核心零件，沖蝕磨損是其主要損傷形式之一。閘板作為閘閥啟閉過程中的重要密封元件，其表面的沖蝕磨損會直接影響密封的可靠性。因此有必要研究閘閥在啟閉過程中的沖蝕磨損行為。

材料固體表面與流體中固體顆粒在流體流動中發生接觸，并且在接觸中使固體材料發生耗損[1]。沖蝕磨損造成由多種因素造成，比如，流體的速度和性質、流體內顆粒物的濃度、大小、形狀以及沖擊角度等[2]。當前主要應用以下2種手段改善構件表面的沖蝕磨損[3，4]：一是使用耐磨材料或鍍耐磨材料對壁面進行改性處理以提高壁面材料的抗磨性；二是改變流道截面形狀來改善近壁面流場，減小顆粒的速度并改變沖擊方向，減輕顆粒對壁面的沖蝕。

本文擬采用數值仿真方法，模擬不同開度下閘板及中腔流道的沖蝕行為，分析不同開度時閘閥的沖蝕位置及規律，為閘閥關鍵零部件表面強化處理提供參考。

1 流體動力學模型及沖蝕模型

1.1 流體動力學模型

閘閥啟閉過程中，從閘閥流動及閘閥通道流過介質的連續性方程和動量可由公式（1）和公式（2）表示。其中，ρ為液體密度，kg/m3；u、v、w分別為x，y，z方向的速度分量，m/s；τxx、τyx和τzx分別為xx，yx和zx平面上的表面力，MPa；F為合外力，N。

閘閥啟閉過程可采用k-ε方程求解，如下：

式中，Pk、Pb表示湍流動能，J；k為紊流脈動能，J；ε為紊流脈動動能的耗散率，%；μ為粘性系數，Pa·s；YM為可壓縮湍流過渡擴散的波動，J；Sk為用戶定義的常數；σε和σK為 湍流Prantl數，且σε=1.2；σK=1.0；C2e=1.9。

式中，C1為常量，η為動力粘性，m2/s；Sij為各方向的應變率。

1.2 沖蝕模型

顆粒沖蝕定義為壁面材料在單位時間單位面積上損失的質量，可由公式（6）表示：

式中，Re為沖蝕磨損速率，kg/(m2s)，Np為顆粒數量；mp為質量流量，kg/s；C（dp）為粒徑函數，dp為顆粒直徑，mm；α為路徑與壁面的沖擊角，rad；F（α）為沖擊角函數；v為相對于壁面的速度，m/s；b(v)為相對速度函數；Af為壁面面積，mm2。

2 閘閥啟閉過程流道模型

2.1 流道模型

為超高壓明桿式閘閥，如圖1所示。閘板與閥桿利用T型槽掛接，閘板與閥座之間采用金屬浮動式自緊密封。

圖1 超高壓平板閘閥

為了便于數值模擬研究，將與閘閥流道無關部分簡化。由于流體經水平流道穿過閥體，在閘板的開關會改變流道的截面，影響流體的流速，沖蝕主要發生于閘板附近區域。閘閥流道模型簡化示意圖如圖2所示。為了保證顆粒及流體兩相在流經閘板時為充分發展狀態，在閘板的上游和下游均設置長度為650 mm的流道，閥體的進出口直徑為200 mm，閘板厚度為46 mm。閘板將流體計算域分割為3個部分，即閥前流道、閘板處流道與閥后流道。閘板的交界處結構復雜，因此本文采用四面體網格對閘閥流道模型進行劃分。為保證計算結果的準確性，對閘板和管壁處進行單獨加密處理。網格尺寸為5 mm，網格數量約為38萬個。

圖2 流道模型及網格劃分

2.2 求解方法及邊界條件

設置分析介質為水，其密度為998.2 kg/m3。參考相關文獻[3]，湍流模型采用realizablek-ε模型，湍流模型中近壁面采用Scalable Wall Functions（可放縮壁面函數），壓力和速度的耦合采用SIMPLEC算法，動量、湍動能、湍動能耗散率均采用二階迎風格式離散。

入口邊界條件為速度入口，湍流強度為5%，水力直徑為0.05 m。出口邊界條件為出流邊界。

開展閘閥啟閉過程流場分析時，取入口速度為5 m/s，固相顆粒直徑為100 μm，閘閥開度分別設置為10%、30%、50%、70%、90%，采用固液兩相流方法模擬閘閥內沖蝕行為。

3 結果與分析

3.1 不同開度的顆粒軌跡

按照閥門開度的定義，即開度=實際行程/全開行程[5]，計算不同開度下的閥門過流截面的截面積，10%、30%、50%、70%、90%開度的截面積之比約為1:5:10:15:20。對閘閥作無泄漏假設，可以認為流體進出閘閥的流量嚴格守恒，則有，

式中，V1為閥門入口的平均速度，m/s；A1為垂直于平均速度方向截面積，m2；V2為閥門過流截面上的平均速度，m/s；A2為閥門過流截面積，m2。

由公式（7）可知，在閘閥開度越小的情況下，通過閘板底部的流速會越大，因此閘板下游流道將出現高速射流。在開度為10%時，在閥門過流截面上的平均速度為入口處的20倍左右。不同開度的顆粒軌跡分布圖如圖3所示。

圖3 不同開度的顆粒軌跡分布圖

通過圖3的顆粒軌跡云圖可知，閘閥內部流場受閘板開度的影響較大，且流體在流過閘板的過程中，顆粒軌跡發生急劇變化，這與前面的流量守恒方程的理論情況一致。在開度為10%和30%時，在閘板的上游形成明顯回流區，但是隨著開度的增加使得流體的流通面積增加，通過閘板下端區域處的流體速度減小，在開度為70%和90%的情況下，沒有明顯的回流區。

3.2 不同開度的沖蝕磨損

不同開度情況下閘閥的沖蝕率分布圖。從圖4中可以看出，閥門的開度對沖蝕磨損的程度和位置均有影響。在開度為10%時，沖蝕磨損最嚴重位置位于閘板連接處的上游端，且沖蝕率相比于其他開度最大。

圖4 不同開度條件下沖蝕率

當閘閥開度為30%時，沖蝕磨損主要以條帶狀為主，靠近閘板的上游壁面分布最廣，但沖蝕率的最大值相比開度為10%有所下降。這是由于閘閥的過流截面增加，流體的流速相對減小，對固體顆粒運動的擾動情況減弱。當閘閥開度為50%和70%時，兩種沖蝕磨損情況分布大致相同，沖蝕位置主要集中于閘板附近，且沖蝕率最大值也相差不多。原因在于流體在開度50%和70%時閘板底部的流速變化相差不大。當閘閥開度為90%時，沖蝕磨損主要發生流道上游的閘板底部，在流道下游未見明顯的沖蝕磨損。綜合看來，不同開度條件下，閘閥主要沖蝕區域主要集中于閘閥的底部和閘板閥座密封面處。

圖5為不同開度條件下閘板沖蝕速率變化情況。隨著閥門開度的增加，閘閥的最大沖蝕率呈現出先減小后穩定再繼續減小的趨勢。閥門在開度10%時，沖蝕率最大。在開度為50%附近時，沖蝕率沒有明顯變化。上述分析表明，閘閥的啟閉過程中閘板的沖蝕最為顯著，在實際使用過程中，應盡可能地縮短閘閥啟閉時間，避免閘板密封面沖蝕磨損累積發生泄漏。上述分析也表明，閘閥啟閉的全過程中沖蝕磨損現象均存在，現場使用過程中應禁止用閘閥用作調節流量，保證閘閥使用過程中閘板處于全開或全關狀態，延長閘板的使用壽命。

圖5 開度對閘閥沖蝕磨損的影響

4 結論

本文針對超高壓閘閥的沖蝕行為，分析了10%、30%、50%、70%、90%開度下的顆粒軌跡和沖蝕速率，所得結論如下：

（1）閘閥隨著開度增加，沖蝕率會呈現先減小后不變在減小的趨勢。

（2）閘閥啟閉過程中閘板的沖蝕率最大。

（3）閘閥啟閉過程中閘閥全程存在沖蝕，應盡可能快速實現閘板的全開或全關。