管道球閥沖蝕磨損失效問題研究

李運龍，曹衛國，裴耀貴，陳 勇

（1.凱瑞特閥業集團有限公司，浙江瑞安 325207；2.大港油田檢測監督評價中心，天津 300280）

0 引言

為改善能源結構，推動經濟發展，開發利用天然氣等清潔環保資源成為目前工程建設的重點。由于長輸管線遍布全國多個地區，其中所使用的管道球閥數量也隨之增加。對于管道球閥來講，使用過程中會產生沖蝕磨損。當松散顆粒以固體或液體形式，在不同角度和速度的作用下，會對材料表面造成影響，出現沖蝕磨損，將有可能造成天然氣泄漏或爆炸等危險事件。因此，解決管道球閥沖蝕磨損失效問題，是當前管網正常運行和安全生產的重中之重。由于球閥的工況參數源于經驗公式所總結的結果，在實際應用中需要對球閥實時流動特性有所認識。引入計算機數值模擬技術，探討實際工況下球閥磨損情況和整體沖蝕速率，以此指導結構優化，延長球閥使用壽命。

1 管道球閥沖蝕磨損模型

（1）E/CRC 模型：此模型適用于研究沖擊角度、沖擊速度等要素對管道球閥沖蝕磨損的影響，具備較高計算精度，可直觀描述顆粒流場分布狀態[1]。

其中，n 為模型指數；FS為顆粒形狀系數；BH 為表面材料的布氏硬度；C 為模型系數[2]。

（2）Oka 模型：此模型同樣具備較高計算精度，能夠在考慮材料物性和顆粒硬度的前提下，計算出不銹鋼、銅、碳鋼、鋁等材料球閥的沖蝕磨損情況。

其中，K為模型系數；Vref為參考速度；p 為面質量密度；Hv為表面硬度[3]。

2 管道球閥沖蝕磨損失效模擬研究

模擬研究借助E/CRC 模型，契合氣固兩相流球閥的沖蝕磨損特征。運用歐拉-拉格朗日流體描述辦法，將固體顆粒轉變為離散相顆粒，使用有限元軟件耦合數值模擬離散顆粒相互作用，從而形成連續向流體方程和離散相顆粒運動方程[4]。處理近壁面區域，借助壁函數，出口設置為消失，設置壁條件為無滑移。劃分物理場，控制網格序列，細化生成層流模型，兼顧自動臂處理功能。提高計算精準度，緩解內存需求，保證各網格平均單元質量為0.84，對接精度計算需要[5]。

2.1 不同開度影響

分別設置開度為10%、30%、50%、70%和90%的模擬實驗條件，通過分析流線分布和球閥流場分布圖，得到高速流動區域主要集中于閥芯出入口處。入口流速低于出口流速，當開度減小時，進出口流速增大對應所產生的動能也隨之增加。在開度減小的條件下，二次流旋渦尺度與強度作用于下游管道內通道和閥芯拐角處的強度增加，使得顆粒高度紊亂。當開度為90%時，流動處于平穩狀態，無漩渦形成。而開度為10%時，顆粒處于高度紊亂狀態，回流漩渦控制下游流體和閥體內的流體流動狀態[6]。設定的模擬顆粒質量流率為0.002 kg/s，粒徑為180 μm，入口流速為7 m/s。通過分析模擬5 種不同開度下球閥沖蝕磨損的分布狀態可得到，當開度逐漸增大時，沖蝕磨損程度降低，且位置較為分散，主要的沖蝕磨損區域為內通道壁面和球心引流面。當開度減小時，射流流速增加，入口截流處兩端梯度變化大，由此生成沖擊力，使得沖蝕磨損面積加大。根據沖蝕結果來看，由月牙形轉變成圓形。

表1 為不同開度下球閥沖蝕率變化情況。通過表1 可以看出，沖蝕率隨開度減小而增大，即當開度為10%時，沖蝕率達到最大，平均沖蝕率和最大沖蝕率分別為6.034 54×10-7kg/（m2·s）、6.693 52×10-6kg/（m2·s）。當開度處于10%～30%時，沖蝕率下降速度較快；處于30%～70%時，下降較為緩慢；當開度大于70%后，整體變化趨于穩定[7]。

表1 不同開度下球閥沖蝕率變化情況

為研究不同開度狀態下，平均沖蝕率和最大沖蝕率的變化趨勢，分別選定開度為10%、50%和90% 3 種不同情況。得到不同時刻下球閥沖蝕率變化圖，根據所形成的變化圖可以得到：當開度為10%時，處于0.05～1.5 s 范圍內的最大沖蝕率呈現出緩慢上升的特點，并于1.5 s 后急劇上升[8]。當開度為50%時最大沖蝕率先上升后平穩，此種規律與開度為90%狀態下的變化規律大體相符。同時，當處于0.05～3.0 s 范圍內，最大沖蝕率急劇上升。當0.3～1.0 s 范圍內最大沖蝕率變為平穩。而開度為10%時的平均沖蝕率，具備先平穩后驟降的特點。開度為50%的平均沖蝕率具備驟降的特點，開度為90%的平均沖蝕率先驟降后平穩。

2.2 粒徑大小影響

分析不同粒徑對球閥沖蝕磨損的影響，將開度設定為50%，入口流速確定為7 m/s，分別探究當粒徑為3 μm、25 μm 和50 μm 狀態下，球閥沖蝕磨損的情況。通過分析得到：當粒徑為3 μm 時，球芯迎流面受到顆粒的沖擊作用較小，產生的沖蝕磨損程度較低，且程度較為均勻；當粒徑為25 μm 時，球閥沖蝕磨損分布不再均勻，呈現出集中的特點；當粒徑為50 μm 時，球閥迎流面受到顆粒的沖蝕磨損作用效果較為明顯。由此可見，粒徑與球心沖蝕磨損程度間呈現正相關關系，即粒徑增大，沖蝕磨損程度也隨之加大，且磨損位置更為集中[9]。

2.3 球閥流場特征影響

球閥流場特征影響方面，在形成速度場流體速度變化云圖后，發現當氣體處于閥芯拐角位置時，改變原流動方向。由于此時氣體變窄，流道處出現高速射流，直接帶來較大沖擊力作用于內通道壁面上。此時閥芯內氣流狀態不穩定，會反復在壁面上碰撞，此種情況下閥體內氣體速度變化處于5～25 m/s。而在節流作用影響下，氣體傳輸至出口也會帶來高速射流情況，因此，閥內最低和最高流速分別置于下游閥芯死角和閥芯出口2 個部位。通過分析漩渦變化和流體通過球閥時的速度變化，發現流漩渦在球閥內出現2 次，一次為閥芯內通道處，一次為閥芯入口拐角處。前者經入口截流的氣體，以噴射流形式加速進入內通道，并因反復沖擊作用，狀態不穩定，符合高度紊亂特征，此處的旋流旋渦最為復雜且數量最多。后者是閥芯阻擋帶來回旋流動，使得球閥出現2 次流旋渦。截面2 與4 旋渦尺度隨著壓差作用逐漸變大，并且截面四出現方向相反、大小相等的一對漩渦，使得閥體內部高度紊亂，顆粒運動符合不規則狀態，因而說明此時沖蝕磨損程度最高[10]。

通過分析，當速度為7 m/s 時，球閥的沖蝕磨損分布情況，可以得到在球閥上會產生多處沖蝕磨損區域。對于此模擬實驗而言，主要產生6 處沖蝕磨損，分別為：顆粒在內通到閥芯銳緣處2 次反彈撞擊所產生；顆粒沖擊至出口閥芯銳緣處的反彈作用而產生的沖蝕磨損；顆粒處于高度紊亂狀態下，反復碰撞沖擊閥芯銳緣處，帶來沖蝕磨損；在閥芯入口截流處內通道壁面受到高速射流直接沖擊影響，出現沖蝕磨損；顆粒撞擊迎流面后，反彈形成的沖蝕磨損；閥芯迎流面阻擋高速氣流而產生的沖蝕磨損。通過分析，當粒子速度為7 m/s 時的運動軌跡圖可以得出：在來流顆粒沖擊作用下，球心引流面上的顆粒向后推移，在反彈作用下做無規則運動。由于入口流速大，且寬度變窄，壓力梯度變化強度大，造成球閥內氣體處于高度混亂狀態，顆粒于閥內無規則運動，在動能作用下會沖擊壁面，從而形成沖蝕磨損。由此可見，沖蝕磨損較為嚴重區域的顆粒動能較大。

3 結束語

給出常見的兩種管道球閥沖蝕磨損模型，分別為E/CRC 模型和OKa 模型。在失效模擬研究中所使用的模型為E/CRC 模型，其更為貼合氣固兩相流球閥的沖蝕磨損變化規律。通過分析不同開度、不同粒徑大小和球閥流場特征對沖蝕磨損的影響，可以得到：當開度增加時，沖蝕率減小；當粒徑增大時，沖蝕磨損程度增大；球閥流場特征會對沖蝕磨損產生一定作用效果，且最低流速出現在下游閥芯死角，最高流速出現在閥芯出口球閥內，多為二次流旋渦，主要存在于閥芯出口拐角、閥芯內通道和閥芯入口拐角處。若要控制沖蝕磨損，應當控制粒徑、開度等影響因素，以此保證球閥可處于安全運行狀態。