管道球阀冲蚀磨损失效问题研究

李运龙，曹卫国，裴耀贵，陈 勇

（1.凯瑞特阀业集团有限公司，浙江瑞安 325207；2.大港油田检测监督评价中心，天津 300280）

0 引言

为改善能源结构，推动经济发展，开发利用天然气等清洁环保资源成为目前工程建设的重点。由于长输管线遍布全国多个地区，其中所使用的管道球阀数量也随之增加。对于管道球阀来讲，使用过程中会产生冲蚀磨损。当松散颗粒以固体或液体形式，在不同角度和速度的作用下，会对材料表面造成影响，出现冲蚀磨损，将有可能造成天然气泄漏或爆炸等危险事件。因此，解决管道球阀冲蚀磨损失效问题，是当前管网正常运行和安全生产的重中之重。由于球阀的工况参数源于经验公式所总结的结果，在实际应用中需要对球阀实时流动特性有所认识。引入计算机数值模拟技术，探讨实际工况下球阀磨损情况和整体冲蚀速率，以此指导结构优化，延长球阀使用寿命。

1 管道球阀冲蚀磨损模型

（1）E/CRC 模型：此模型适用于研究冲击角度、冲击速度等要素对管道球阀冲蚀磨损的影响，具备较高计算精度，可直观描述颗粒流场分布状态[1]。

其中，n 为模型指数；FS为颗粒形状系数；BH 为表面材料的布氏硬度；C 为模型系数[2]。

（2）Oka 模型：此模型同样具备较高计算精度，能够在考虑材料物性和颗粒硬度的前提下，计算出不锈钢、铜、碳钢、铝等材料球阀的冲蚀磨损情况。

其中，K为模型系数；Vref为参考速度；p 为面质量密度；Hv为表面硬度[3]。

2 管道球阀冲蚀磨损失效模拟研究

模拟研究借助E/CRC 模型，契合气固两相流球阀的冲蚀磨损特征。运用欧拉-拉格朗日流体描述办法，将固体颗粒转变为离散相颗粒，使用有限元软件耦合数值模拟离散颗粒相互作用，从而形成连续向流体方程和离散相颗粒运动方程[4]。处理近壁面区域，借助壁函数，出口设置为消失，设置壁条件为无滑移。划分物理场，控制网格序列，细化生成层流模型，兼顾自动臂处理功能。提高计算精准度，缓解内存需求，保证各网格平均单元质量为0.84，对接精度计算需要[5]。

2.1 不同开度影响

分别设置开度为10%、30%、50%、70%和90%的模拟实验条件，通过分析流线分布和球阀流场分布图，得到高速流动区域主要集中于阀芯出入口处。入口流速低于出口流速，当开度减小时，进出口流速增大对应所产生的动能也随之增加。在开度减小的条件下，二次流旋涡尺度与强度作用于下游管道内通道和阀芯拐角处的强度增加，使得颗粒高度紊乱。当开度为90%时，流动处于平稳状态，无漩涡形成。而开度为10%时，颗粒处于高度紊乱状态，回流漩涡控制下游流体和阀体内的流体流动状态[6]。设定的模拟颗粒质量流率为0.002 kg/s，粒径为180 μm，入口流速为7 m/s。通过分析模拟5 种不同开度下球阀冲蚀磨损的分布状态可得到，当开度逐渐增大时，冲蚀磨损程度降低，且位置较为分散，主要的冲蚀磨损区域为内通道壁面和球心引流面。当开度减小时，射流流速增加，入口截流处两端梯度变化大，由此生成冲击力，使得冲蚀磨损面积加大。根据冲蚀结果来看，由月牙形转变成圆形。

表1 为不同开度下球阀冲蚀率变化情况。通过表1 可以看出，冲蚀率随开度减小而增大，即当开度为10%时，冲蚀率达到最大，平均冲蚀率和最大冲蚀率分别为6.034 54×10-7kg/（m2·s）、6.693 52×10-6kg/（m2·s）。当开度处于10%～30%时，冲蚀率下降速度较快；处于30%～70%时，下降较为缓慢；当开度大于70%后，整体变化趋于稳定[7]。

表1 不同开度下球阀冲蚀率变化情况

为研究不同开度状态下，平均冲蚀率和最大冲蚀率的变化趋势，分别选定开度为10%、50%和90% 3 种不同情况。得到不同时刻下球阀冲蚀率变化图，根据所形成的变化图可以得到：当开度为10%时，处于0.05～1.5 s 范围内的最大冲蚀率呈现出缓慢上升的特点，并于1.5 s 后急剧上升[8]。当开度为50%时最大冲蚀率先上升后平稳，此种规律与开度为90%状态下的变化规律大体相符。同时，当处于0.05～3.0 s 范围内，最大冲蚀率急剧上升。当0.3～1.0 s 范围内最大冲蚀率变为平稳。而开度为10%时的平均冲蚀率，具备先平稳后骤降的特点。开度为50%的平均冲蚀率具备骤降的特点，开度为90%的平均冲蚀率先骤降后平稳。

2.2 粒径大小影响

分析不同粒径对球阀冲蚀磨损的影响，将开度设定为50%，入口流速确定为7 m/s，分别探究当粒径为3 μm、25 μm 和50 μm 状态下，球阀冲蚀磨损的情况。通过分析得到：当粒径为3 μm 时，球芯迎流面受到颗粒的冲击作用较小，产生的冲蚀磨损程度较低，且程度较为均匀；当粒径为25 μm 时，球阀冲蚀磨损分布不再均匀，呈现出集中的特点；当粒径为50 μm 时，球阀迎流面受到颗粒的冲蚀磨损作用效果较为明显。由此可见，粒径与球心冲蚀磨损程度间呈现正相关关系，即粒径增大，冲蚀磨损程度也随之加大，且磨损位置更为集中[9]。

2.3 球阀流场特征影响

球阀流场特征影响方面，在形成速度场流体速度变化云图后，发现当气体处于阀芯拐角位置时，改变原流动方向。由于此时气体变窄，流道处出现高速射流，直接带来较大冲击力作用于内通道壁面上。此时阀芯内气流状态不稳定，会反复在壁面上碰撞，此种情况下阀体内气体速度变化处于5～25 m/s。而在节流作用影响下，气体传输至出口也会带来高速射流情况，因此，阀内最低和最高流速分别置于下游阀芯死角和阀芯出口2 个部位。通过分析漩涡变化和流体通过球阀时的速度变化，发现流漩涡在球阀内出现2 次，一次为阀芯内通道处，一次为阀芯入口拐角处。前者经入口截流的气体，以喷射流形式加速进入内通道，并因反复冲击作用，状态不稳定，符合高度紊乱特征，此处的旋流旋涡最为复杂且数量最多。后者是阀芯阻挡带来回旋流动，使得球阀出现2 次流旋涡。截面2 与4 旋涡尺度随着压差作用逐渐变大，并且截面四出现方向相反、大小相等的一对漩涡，使得阀体内部高度紊乱，颗粒运动符合不规则状态，因而说明此时冲蚀磨损程度最高[10]。

通过分析，当速度为7 m/s 时，球阀的冲蚀磨损分布情况，可以得到在球阀上会产生多处冲蚀磨损区域。对于此模拟实验而言，主要产生6 处冲蚀磨损，分别为：颗粒在内通到阀芯锐缘处2 次反弹撞击所产生；颗粒冲击至出口阀芯锐缘处的反弹作用而产生的冲蚀磨损；颗粒处于高度紊乱状态下，反复碰撞冲击阀芯锐缘处，带来冲蚀磨损；在阀芯入口截流处内通道壁面受到高速射流直接冲击影响，出现冲蚀磨损；颗粒撞击迎流面后，反弹形成的冲蚀磨损；阀芯迎流面阻挡高速气流而产生的冲蚀磨损。通过分析，当粒子速度为7 m/s 时的运动轨迹图可以得出：在来流颗粒冲击作用下，球心引流面上的颗粒向后推移，在反弹作用下做无规则运动。由于入口流速大，且宽度变窄，压力梯度变化强度大，造成球阀内气体处于高度混乱状态，颗粒于阀内无规则运动，在动能作用下会冲击壁面，从而形成冲蚀磨损。由此可见，冲蚀磨损较为严重区域的颗粒动能较大。

3 结束语

给出常见的两种管道球阀冲蚀磨损模型，分别为E/CRC 模型和OKa 模型。在失效模拟研究中所使用的模型为E/CRC 模型，其更为贴合气固两相流球阀的冲蚀磨损变化规律。通过分析不同开度、不同粒径大小和球阀流场特征对冲蚀磨损的影响，可以得到：当开度增加时，冲蚀率减小；当粒径增大时，冲蚀磨损程度增大；球阀流场特征会对冲蚀磨损产生一定作用效果，且最低流速出现在下游阀芯死角，最高流速出现在阀芯出口球阀内，多为二次流旋涡，主要存在于阀芯出口拐角、阀芯内通道和阀芯入口拐角处。若要控制冲蚀磨损，应当控制粒径、开度等影响因素，以此保证球阀可处于安全运行状态。