V 型調節球閥閥蓋內壁氣- 固沖蝕的數值模擬

馬志銳，李福寶*，霍英妲，王張勇，狄軍濤，吳 恒，王 悅

（1.沈陽工業大學化工裝備學院，遼寧遼陽；2.上海紐京閥門有限公司，上海）

引言

沖蝕磨損是導致機械零件故障的重要原因之一[1-3]。閥門作為工業輸送系統中的重要調節部件，具有控制流體介質通路的功能，對于保證系統正常運行非常重要。它可以完成啟閉、換向、調節流量和壓力等功能，確保系統的安全穩定運行[4-5]。閥門在使用過程中，由于流體的沖擊和摩擦力的作用，也會遭受沖蝕磨損，需要進行定期檢修和更換，以確保其正常工作。這種沖蝕磨損不僅會消耗能源和材料，還會導致設備故障和經濟損失。因此，在工業生產中，減少閥門沖蝕磨損，對于提高設備的可靠性和經濟效益具有重要意義。

1 氣動V 型調節球閥存在問題

以內蒙古新特股份有限公司高純多晶硅項目為例，在優化改造前采用的閥蓋未加硬金屬套的產品，這些產品在使用過程中平均每不到2 個月就會出現1次泄漏，從而需要更換或維修閥門。不僅影響多晶硅產量，還會造成直接物料損失、裝置停車經濟損失，并且會導致潛在的重大安全隱患。

2 二維模型及網格

筆者運用CAD 軟件繪制改造前調節閥的二維結構如圖1 所示。

圖1 金剛石V 型調節球閥的二維結構

二維模型結構尺寸如表1 所示。

表1 二維模型結構尺寸

二維簡圖如圖2 所示。

圖2 調節球閥閥道簡圖

筆者進行了不同網格數量密度的仿真分析，并使用最大沖蝕磨損速率作為檢驗參數。將單元尺寸設置為0.1 mm 時，其與單元尺寸0.05、0.15、0.2 mm 相差不到1%，因此設置單元尺寸為0.1 mm 作為后續仿真使用。

3 沖蝕磨損模型

氣流流過閥蓋會對閥蓋內壁處的壁面造成一定的沖蝕磨損。

針對由于沖蝕磨損造成的閥蓋表面材料損失，筆者此處采用EDWARDS J K 等人[6-8]通過大量試驗得到的計算模型，即Edwards 模型

式中：Rerosion- 單元壁面面積在單位時間內的磨損量；NP- 單位時間內固體顆粒撞擊單元面積的顆粒數量；mp- 進口處的顆粒質量流；dp- 顆粒的直徑；Aface- 單元壁面面積；v- 顆粒運動速度；b（v）- 速度的相對函數；C（dp）- 顆粒直徑函數；f（θ）- 沖擊角函數。

筆者對C（dp）、f（θ）、b（v）函數的默認值分別為1.8×10-9、1、0。當3 個函數均為常量時，無法正確反映管內沖蝕過程與顆粒大小及顆粒沖擊角等之間的關系，從而導致計算結果偏離實際情況。

入口處流體的速度為4.2 m/s，施加速度入口邊界條件；出口處假設流動已經局部單向化施加壓力出口邊界條件，其他壁面施加脆性無滑移固壁的邊壁條件。

4 數值模擬及分析

在此次研究中發現調節閥閥蓋內壁破裂擊穿的問題，筆者決定首先進行不同開度下的閥內流場模擬分析。選擇三個不同的閥球旋轉角度（30°、50°、70°）來模擬正常工作壓差、臨界壓差和超壓差情況。此外，進行不同球體內通道直徑對閥內介質速率的影響。

通過數值模擬分析閥內流場，可以深入了解閥蓋擊穿問題的原因，并為解決該問題提供有價值的參考。

4.1 閥芯不同開合角度下閥內流場特性

不同閥芯開度下閥內流場流速分布情況，如圖3所示。

圖3 不同開度下流場流速分布

由圖3 不難看出：閥內流體速度主要分布區域為閥蓋一側區域。流體在進入閥蓋，會對閥蓋某一部位形成一種沖擊。而且開度一定的條件下，沖擊點始終不變。隨著開度的增加，沖擊點會向閥蓋出口處移動，而且沖擊力也會逐漸增加，仔細觀察不難發現，隨著閥球的開合角度的增加與減少，介質始終沖蝕在閥蓋某一條線上，這說明在不同開度情況下，球閥閥壁內壁會承受高速流體的沖刷，這對閥門的壽命有嚴重影響。

筆者以閥體通道直徑40 mm 為定量，閥芯開合角度為變量進行數據統計，分析得到不同開合角度下介質對閥蓋沖蝕速率如圖4 所示。

圖4 閥芯不同開合角度下閥蓋內壁處沖蝕速率

通過圖4 分析得知：

（1） 當閥芯開合角度由30°到80°整個過程中，閥蓋內壁介質的沖蝕速率先增高再減小的趨勢。

（2） 經分析可知，閥芯開合角度為40°～50°時，沖蝕速率為最大區間，閥芯開合角度為70°左右時，閥蓋內壁的沖蝕速率相對較小。

4.2 不同閥體通道直徑對介質沖蝕速率的影響

閥體通道直徑對介質速率有直接的影響，通常情況下，較大的閥體通道直徑會導致更高的介質流速，而較小的閥體通道直徑則會導致較低的介質流速，為了嚴重這一結論，我們做了以下分析。

筆者以閥芯開度50°為定量，閥體通道直徑為變量進行數據統計，分析得到不同閥體通道直徑下介質對閥蓋沖蝕速率如圖5 所示。

圖5 閥體不同通道直徑下閥蓋內壁處沖蝕速率

通過圖5 分析得知：

（1） 閥體通道越小，介質對閥蓋處的沖蝕速率也就越小，而且沖蝕速率減小趨勢越來越明顯，當閥體通道直徑與閥座直徑相等時，閥蓋內壁沖蝕速率減小的最明顯，且減小速率在這一零界點處減小的趨勢也越來越小。

（2） 當閥體通道直徑較大時，相同的介質在通過閥門時可以獲得更大的通道面積，從而減少了流體的阻力，促使介質以較高的速度通過。較高的流速，致使閥蓋內壁處有較高的沖蝕速率。

總結起來，較大的閥體通道直徑通常會導致更高的介質速率，而較小的直徑則會導致較低的速率。在實際應用中，根據具體需求和系統要求，通過考慮沖蝕磨損和適當的介質速率選擇適當的閥體通道直徑以獲得最佳的需求。

4.3 結構改進及效果分析

為了更有效更直接地解決閥蓋內壁沖蝕磨損泄露問題，筆者提出了一種采用為閥蓋內壁加裝硬金屬套的方法來減小介質對閥蓋內壁的沖蝕，而且當金屬套被沖蝕穿透后，可以定期的更換金屬套。這樣，更加降低了直接更換閥蓋而帶來的巨大成本。該金屬套加裝到閥門后的二維圖如圖6 所示。

圖6 改進后調節球閥二維結構

改進后閥門內加裝的金屬套可以有效幫助閥蓋內壁抵擋介質的沖蝕磨損，對閥蓋起到了一定的保護作用。該方案在內蒙某高純多晶硅項目中已到了了充分的應用，以該項目為例，自2022 年11 月起，在相同工況的運行條件下，已實現“零維修”，閥蓋從未出現過泄露情況。

通過改進閥門結構、加工工藝等各個方向進行了有針對性的系統優化，有效解決了調節閥的使用壽命、運行可靠性和安全性等問題。

5 結論

通過以不同閥芯開度和閥體入口直徑為變量分析了兩者對介質流速的影響。得出了以下結論。

（1） 當閥芯開度在40°～50°時，介質對閥蓋內壁的沖蝕最大，當在使用時，可以盡量避開此開度區間。

（2） 介質的沖蝕速率與閥體入口直徑成正比，入口直徑越大，閥蓋內壁處的沖蝕速率也就越大。所以在應用中，根據具體工況選用盡可能小的閥體入口直徑，提高閥門的使用壽命。

（3） 當閥體入口直徑與閥座直徑相等時，介質在閥蓋處的沖蝕磨損速率減小的最為明顯，且閥體入口直徑繼續變小時，閥蓋處的沖蝕磨損速率減小得更為明顯。

在后續的工作中，筆者將研究介質對閥芯以及閥桿的沖蝕磨損，通過用SolidWorks 軟件對閥門整體進行三維的仿真分析研究，對閥門結構進行整體的改進。