V 型调节球阀阀盖内壁气- 固冲蚀的数值模拟

马志锐，李福宝*，霍英妲，王张勇，狄军涛，吴 恒，王 悦

（1.沈阳工业大学化工装备学院，辽宁辽阳；2.上海纽京阀门有限公司，上海）

引言

冲蚀磨损是导致机械零件故障的重要原因之一[1-3]。阀门作为工业输送系统中的重要调节部件，具有控制流体介质通路的功能，对于保证系统正常运行非常重要。它可以完成启闭、换向、调节流量和压力等功能，确保系统的安全稳定运行[4-5]。阀门在使用过程中，由于流体的冲击和摩擦力的作用，也会遭受冲蚀磨损，需要进行定期检修和更换，以确保其正常工作。这种冲蚀磨损不仅会消耗能源和材料，还会导致设备故障和经济损失。因此，在工业生产中，减少阀门冲蚀磨损，对于提高设备的可靠性和经济效益具有重要意义。

1 气动V 型调节球阀存在问题

以内蒙古新特股份有限公司高纯多晶硅项目为例，在优化改造前采用的阀盖未加硬金属套的产品，这些产品在使用过程中平均每不到2 个月就会出现1次泄漏，从而需要更换或维修阀门。不仅影响多晶硅产量，还会造成直接物料损失、装置停车经济损失，并且会导致潜在的重大安全隐患。

2 二维模型及网格

笔者运用CAD 软件绘制改造前调节阀的二维结构如图1 所示。

图1 金刚石V 型调节球阀的二维结构

二维模型结构尺寸如表1 所示。

表1 二维模型结构尺寸

二维简图如图2 所示。

图2 调节球阀阀道简图

笔者进行了不同网格数量密度的仿真分析，并使用最大冲蚀磨损速率作为检验参数。将单元尺寸设置为0.1 mm 时，其与单元尺寸0.05、0.15、0.2 mm 相差不到1%，因此设置单元尺寸为0.1 mm 作为后续仿真使用。

3 冲蚀磨损模型

气流流过阀盖会对阀盖内壁处的壁面造成一定的冲蚀磨损。

针对由于冲蚀磨损造成的阀盖表面材料损失，笔者此处采用EDWARDS J K 等人[6-8]通过大量试验得到的计算模型，即Edwards 模型

式中：Rerosion- 单元壁面面积在单位时间内的磨损量；NP- 单位时间内固体颗粒撞击单元面积的颗粒数量；mp- 进口处的颗粒质量流；dp- 颗粒的直径；Aface- 单元壁面面积；v- 颗粒运动速度；b（v）- 速度的相对函数；C（dp）- 颗粒直径函数；f（θ）- 冲击角函数。

笔者对C（dp）、f（θ）、b（v）函数的默认值分别为1.8×10-9、1、0。当3 个函数均为常量时，无法正确反映管内冲蚀过程与颗粒大小及颗粒冲击角等之间的关系，从而导致计算结果偏离实际情况。

入口处流体的速度为4.2 m/s，施加速度入口边界条件；出口处假设流动已经局部单向化施加压力出口边界条件，其他壁面施加脆性无滑移固壁的边壁条件。

4 数值模拟及分析

在此次研究中发现调节阀阀盖内壁破裂击穿的问题，笔者决定首先进行不同开度下的阀内流场模拟分析。选择三个不同的阀球旋转角度（30°、50°、70°）来模拟正常工作压差、临界压差和超压差情况。此外，进行不同球体内通道直径对阀内介质速率的影响。

通过数值模拟分析阀内流场，可以深入了解阀盖击穿问题的原因，并为解决该问题提供有价值的参考。

4.1 阀芯不同开合角度下阀内流场特性

不同阀芯开度下阀内流场流速分布情况，如图3所示。

图3 不同开度下流场流速分布

由图3 不难看出：阀内流体速度主要分布区域为阀盖一侧区域。流体在进入阀盖，会对阀盖某一部位形成一种冲击。而且开度一定的条件下，冲击点始终不变。随着开度的增加，冲击点会向阀盖出口处移动，而且冲击力也会逐渐增加，仔细观察不难发现，随着阀球的开合角度的增加与减少，介质始终冲蚀在阀盖某一条线上，这说明在不同开度情况下，球阀阀壁内壁会承受高速流体的冲刷，这对阀门的寿命有严重影响。

笔者以阀体通道直径40 mm 为定量，阀芯开合角度为变量进行数据统计，分析得到不同开合角度下介质对阀盖冲蚀速率如图4 所示。

图4 阀芯不同开合角度下阀盖内壁处冲蚀速率

通过图4 分析得知：

（1） 当阀芯开合角度由30°到80°整个过程中，阀盖内壁介质的冲蚀速率先增高再减小的趋势。

（2） 经分析可知，阀芯开合角度为40°～50°时，冲蚀速率为最大区间，阀芯开合角度为70°左右时，阀盖内壁的冲蚀速率相对较小。

4.2 不同阀体通道直径对介质冲蚀速率的影响

阀体通道直径对介质速率有直接的影响，通常情况下，较大的阀体通道直径会导致更高的介质流速，而较小的阀体通道直径则会导致较低的介质流速，为了严重这一结论，我们做了以下分析。

笔者以阀芯开度50°为定量，阀体通道直径为变量进行数据统计，分析得到不同阀体通道直径下介质对阀盖冲蚀速率如图5 所示。

图5 阀体不同通道直径下阀盖内壁处冲蚀速率

通过图5 分析得知：

（1） 阀体通道越小，介质对阀盖处的冲蚀速率也就越小，而且冲蚀速率减小趋势越来越明显，当阀体通道直径与阀座直径相等时，阀盖内壁冲蚀速率减小的最明显，且减小速率在这一零界点处减小的趋势也越来越小。

（2） 当阀体通道直径较大时，相同的介质在通过阀门时可以获得更大的通道面积，从而减少了流体的阻力，促使介质以较高的速度通过。较高的流速，致使阀盖内壁处有较高的冲蚀速率。

总结起来，较大的阀体通道直径通常会导致更高的介质速率，而较小的直径则会导致较低的速率。在实际应用中，根据具体需求和系统要求，通过考虑冲蚀磨损和适当的介质速率选择适当的阀体通道直径以获得最佳的需求。

4.3 结构改进及效果分析

为了更有效更直接地解决阀盖内壁冲蚀磨损泄露问题，笔者提出了一种采用为阀盖内壁加装硬金属套的方法来减小介质对阀盖内壁的冲蚀，而且当金属套被冲蚀穿透后，可以定期的更换金属套。这样，更加降低了直接更换阀盖而带来的巨大成本。该金属套加装到阀门后的二维图如图6 所示。

图6 改进后调节球阀二维结构

改进后阀门内加装的金属套可以有效帮助阀盖内壁抵挡介质的冲蚀磨损，对阀盖起到了一定的保护作用。该方案在内蒙某高纯多晶硅项目中已到了了充分的应用，以该项目为例，自2022 年11 月起，在相同工况的运行条件下，已实现“零维修”，阀盖从未出现过泄露情况。

通过改进阀门结构、加工工艺等各个方向进行了有针对性的系统优化，有效解决了调节阀的使用寿命、运行可靠性和安全性等问题。

5 结论

通过以不同阀芯开度和阀体入口直径为变量分析了两者对介质流速的影响。得出了以下结论。

（1） 当阀芯开度在40°～50°时，介质对阀盖内壁的冲蚀最大，当在使用时，可以尽量避开此开度区间。

（2） 介质的冲蚀速率与阀体入口直径成正比，入口直径越大，阀盖内壁处的冲蚀速率也就越大。所以在应用中，根据具体工况选用尽可能小的阀体入口直径，提高阀门的使用寿命。

（3） 当阀体入口直径与阀座直径相等时，介质在阀盖处的冲蚀磨损速率减小的最为明显，且阀体入口直径继续变小时，阀盖处的冲蚀磨损速率减小得更为明显。

在后续的工作中，笔者将研究介质对阀芯以及阀杆的冲蚀磨损，通过用SolidWorks 软件对阀门整体进行三维的仿真分析研究，对阀门结构进行整体的改进。