耐負(fù)壓自控閥的關(guān)鍵性能優(yōu)化與應(yīng)用研究

摘" 要：研究以提升耐負(fù)壓自控閥的關(guān)鍵性能為目標(biāo)，圍繞流體力學(xué)優(yōu)化、材料改進(jìn)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開分析。研究?jī)?nèi)容涵蓋關(guān)鍵性能指標(biāo)識(shí)別與測(cè)試方法改進(jìn)、基于數(shù)值仿真的流場(chǎng)優(yōu)化以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。應(yīng)用研究針對(duì)供水系統(tǒng)典型工況，評(píng)估閥門的適應(yīng)性和運(yùn)行效果，并探討推廣過程中可能面臨的問題及解決策略。結(jié)果表明，優(yōu)化后的閥門在穩(wěn)定性、耐久性和節(jié)能性方面顯著提升，為供水系統(tǒng)的安全性與經(jīng)濟(jì)性提升提供了技術(shù)支持和理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：耐負(fù)壓自控閥"" 性能優(yōu)化"" 流體力學(xué)仿真"" 材料改進(jìn)"" 供水系統(tǒng)適應(yīng)性

中圖分類號(hào)：TH134

Research on Key Performance Optimization and Application of Negative Pressure Resistant Automatic Control Valve

SHEN Minxia "SHEN Yongzeng "YANG Yong "HUANG Xianyao "SHEN Minjun

Zhejiang Yonglian Valve Group Co.， Ltd.， Wenzhou， ，Zhejiang Province， 325600 China

Abstract： In order to improve the key performance of negative pressure resistant automatic control valve， this paper analyzes the fluid dynamicshydrodynamics optimization， material improvement and structural design. The research content includes key performance index identification and test method improvement， flow field optimization based on numerical simulation and experimental verification. The application research focuses on typical operating conditions of water supply systems， evaluates the adaptability and operation effect of the valve according to the typical working conditions of the water supply system， and discusses the possible problems and solutions in the promotion process. The results show that the stability， durability and energy efficiencysaving of the optimized valve are significantly improved， which provides technical support and theoretical basis for the safety and economic improvement of the water supply system.

Key Wwords： Negative pressure resistance automatic control valve; Performance optimization; Fluid dynamics simulation; Material improvement; Water supply system adaptability

供水系統(tǒng)的運(yùn)行效率與穩(wěn)定性對(duì)城市供水安全至關(guān)重要，而傳統(tǒng)耐負(fù)壓自控閥因密封性能差、耐久性不足等問題，限制了其在復(fù)雜工況下的應(yīng)用。為此，本文從流體力學(xué)優(yōu)化、高性能材料選用、結(jié)構(gòu)改進(jìn)等方面入手，提升閥門的關(guān)鍵性能指標(biāo)，并結(jié)合實(shí)際工況進(jìn)行適應(yīng)性評(píng)估與驗(yàn)證，同時(shí)針對(duì)推廣中的問題提出解決策略，為提升耐負(fù)壓自控閥性能及其工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 ""耐負(fù)壓自控閥的性能優(yōu)化研究

1.1 ""關(guān)鍵性能指標(biāo)的識(shí)別與評(píng)估

耐負(fù)壓自控閥的性能優(yōu)化中關(guān)鍵性能指標(biāo)包括密封性能、耐壓能力、材料耐久性和結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能。（1）在密封性能方面，依據(jù)《通用閥門 壓力試驗(yàn)》（GB/T 13927—2022）[ 1]"的標(biāo)準(zhǔn)，閥門需要經(jīng)受高低壓密封試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為1.5 MPa，持續(xù)時(shí)間不少于60[ 2]" s保證內(nèi)部和外部均無可見泄漏。基于此，低壓密封性能在壓力為（0.6 ± 0.1）MPa的條件下也需要進(jìn)行測(cè)試，保障長(zhǎng)期運(yùn)行中不會(huì)因密封失效導(dǎo)致泄漏。（2）對(duì)耐壓能力來說，閥門需要在1.1 MPa壓力下持續(xù)至少60 s，確保閥門結(jié)構(gòu)具備承受工業(yè)壓力波動(dòng)的能力，并在此條件下保持穩(wěn)定運(yùn)行^[1]。（3）材料耐久性和抗疲勞性能是閥門長(zhǎng)壽命運(yùn)行的核心保障，根據(jù)金屬材料的成分分析（如《不銹鋼及耐熱鋼 化學(xué)成分測(cè)定方法 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法》（GB/T 11170—2008）標(biāo)準(zhǔn)）來驗(yàn)證材料成分的準(zhǔn)確性。參考數(shù)據(jù)表明：CF8材料的化學(xué)成分要求中Cr含量為18.21%、Ni含量為8.14%，均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求；同時(shí)，壁厚檢測(cè)顯示其厚度為4.82 mm，高于標(biāo)準(zhǔn)要求的4.4 mm，確保閥體的強(qiáng)度和耐久性。在負(fù)壓環(huán)境下的運(yùn)行需求中，還需要分析其在負(fù)壓條件下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能（如閥門在突然開啟和關(guān)閉過程中是否能夠保持穩(wěn)定的密封性能），進(jìn)而為后續(xù)優(yōu)化工作提供詳細(xì)數(shù)據(jù)支持。

1.2 "流體力學(xué)仿真優(yōu)化"""""" 流體力學(xué)仿真優(yōu)化參考閥門的試驗(yàn)條件與流體性質(zhì)，建立基于計(jì)算流體力學(xué)[ 3]"（Computational Fluid Dynamics，CFD）的三維模型，對(duì)閥門的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。仿真中重點(diǎn)分析流體在不同工況下的壓力分布、流速變化和湍流特性。以流體壓力為例，在設(shè)計(jì)壓力1.5 MPa時(shí)，內(nèi)部壓力分布需要均勻，避免局部區(qū)域壓力過大導(dǎo)致應(yīng)力集中。優(yōu)化過程中，調(diào)整閥門流道形狀以減少流阻，同時(shí)優(yōu)化閥芯設(shè)計(jì)以消除渦流的形成和湍流強(qiáng)度的增加。仿真結(jié)果顯示根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，流體流動(dòng)阻力降低15%，湍流強(qiáng)度顯著減少?gòu)亩嵘y門的運(yùn)行穩(wěn)定性。負(fù)壓環(huán)境下運(yùn)行的仿真中，需要評(píng)估閥門在負(fù)壓瞬態(tài)工況中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，測(cè)試數(shù)據(jù)表明在壓力從正壓1 MPa快速切換至負(fù)壓-0.1 MPa的條件下，閥門密封性能夠保持穩(wěn)定無明顯泄漏現(xiàn)象，表明設(shè)計(jì)改進(jìn)具有良好的適應(yīng)性。仿真優(yōu)化不僅為產(chǎn)品開發(fā)節(jié)約了大量成本，還提供了精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持保障優(yōu)化后的閥門能適應(yīng)各種復(fù)雜工況。

1.3 "材料與結(jié)構(gòu)改進(jìn)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

材料方面本研究選用CF8不銹鋼作為主要閥體材料，依據(jù)《通用閥門 不銹鋼鑄件技術(shù)條件》（GB/T 12230）標(biāo)準(zhǔn)[ 4]"對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行了詳細(xì)分析。檢測(cè)結(jié)果顯示CF8材料的C含量為0.06%、Si含量為0.76%、Cr含量為18.21%、Ni含量為8.14%，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求^[2]。其優(yōu)異的耐腐蝕性和抗疲勞性為閥門在復(fù)雜工況下的穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠保障。針對(duì)密封層的設(shè)計(jì)，依據(jù)《閥門密封設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》（JB/T 14312—2022）的要求，密封層的最小厚度須達(dá)到2.5 mm，檢測(cè)結(jié)果顯示實(shí)際厚度為2.8 mm，高于標(biāo)準(zhǔn)要求，進(jìn)一步增強(qiáng)了密封性能。對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)來說，根據(jù)優(yōu)化閥門流道的幾何設(shè)計(jì)，顯著降低了內(nèi)部流體阻力，閥體壁厚的設(shè)計(jì)上優(yōu)化后的壁厚為4.82 mm，保證了強(qiáng)度滿足高壓工況需求。針對(duì)耐負(fù)壓的特殊要求，對(duì)密封層進(jìn)行了耐負(fù)壓檢測(cè)，試驗(yàn)壓力為-0.1 MPa保壓1 h。試驗(yàn)結(jié)果表明，密封層未出現(xiàn)剝離、裂紋或變形現(xiàn)象，閥門整體結(jié)構(gòu)和密封性能保持完好。改進(jìn)后的閥門經(jīng)受住了高低壓切換、長(zhǎng)期負(fù)壓工況等多種實(shí)驗(yàn)條件的驗(yàn)證，展現(xiàn)出優(yōu)異的性能穩(wěn)定性與耐久性。綜上所述，材料與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)有效提升了閥門的綜合性能，進(jìn)一步擴(kuò)展了其在復(fù)雜工況中的適用范圍。

2 "耐負(fù)壓自控閥在工程中的應(yīng)用研究

2.1 "工程應(yīng)用場(chǎng)景與技術(shù)需求分析

耐負(fù)壓自控閥在供水系統(tǒng)、高層建筑以及真空系統(tǒng)中具有顯著的工程價(jià)值。供水系統(tǒng)中的瞬態(tài)壓力變化，例如水錘效應(yīng)，會(huì)對(duì)傳統(tǒng)閥門造成嚴(yán)重?fù)p害，導(dǎo)致密封失效甚至破裂。耐負(fù)壓自控閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)合了流體力學(xué)的精確計(jì)算和材料的高強(qiáng)度選擇，能夠在動(dòng)態(tài)負(fù)壓環(huán)境下保持穩(wěn)定密封功能^[3]。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在水泵啟停頻繁的管網(wǎng)中，該閥門能夠有效降低瞬態(tài)壓力峰值，從而保護(hù)管網(wǎng)系統(tǒng)。

高層建筑中供水的垂直高度和復(fù)雜的管網(wǎng)布局對(duì)閥門性能提出了更高要求。耐負(fù)壓自控閥通過流道形狀的優(yōu)化，顯著降低了內(nèi)部流阻，同時(shí)增強(qiáng)了閥門在多個(gè)供水系統(tǒng)中的穩(wěn)定性。實(shí)際測(cè)試表明，在50[ 5]" m高差的建筑供水中，閥門在各樓層壓力差異顯著的條件下依然能夠保持優(yōu)異的密封性能，并有效平衡供水壓力，提升了整體運(yùn)行效率。

真空系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)閥門的密封性和抗疲勞性能有極高要求，傳統(tǒng)閥門在長(zhǎng)時(shí)間負(fù)壓環(huán)境下易發(fā)生變形或損壞^[4]。耐負(fù)壓自控閥的密封層經(jīng)過耐負(fù)壓檢測(cè)，在-0.1 MPa的持續(xù)負(fù)壓條件下保持穩(wěn)定性能，展現(xiàn)了優(yōu)異的氣密性和耐久性，適用于高精度的真空工藝需求。

2.2 "實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與性能評(píng)估

工程應(yīng)用中，為驗(yàn)證耐負(fù)壓自控閥在復(fù)雜工況下的適應(yīng)性與穩(wěn)定性，采用了多組實(shí)驗(yàn)測(cè)試。基于CFD仿真技術(shù)，構(gòu)建閥門的三維流體模型，分析流場(chǎng)中壓力分布、流速變化以及湍流特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)壓力為1.5 MPa的工況下，流場(chǎng)分布均勻，局部壓力過大的現(xiàn)象得到顯著改善，湍流強(qiáng)度降低了15%，流動(dòng)阻力顯著減少。優(yōu)化后的閥門在不同工況下表現(xiàn)出更低的能量損耗，提升了系統(tǒng)運(yùn)行的節(jié)能性。

應(yīng)用于高層建筑供水系統(tǒng)中，該閥門的抗水錘性能經(jīng)過專門測(cè)試。在瞬態(tài)壓力從0.8 MPa切換至-0.1 MPa的條件下，閥門的密封性能未出現(xiàn)明顯衰減，泄漏量接近于零^[5]。工業(yè)管網(wǎng)中的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證顯示，該閥門在高溫腐蝕性流體介質(zhì)中運(yùn)行1 000 h后，其密封層和材料結(jié)構(gòu)均保持穩(wěn)定，展現(xiàn)出優(yōu)異的耐久性和可靠性。

綜合評(píng)估結(jié)果表明，耐負(fù)壓自控閥在工程應(yīng)用中能夠有效解決傳統(tǒng)閥門在復(fù)雜工況下的不足，具有廣闊的推廣價(jià)值。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析，其優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料性能為供水和工業(yè)管網(wǎng)系統(tǒng)提供了可靠保障。

2.3" 在供水系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用效果

某城市高層建筑供水系統(tǒng)因管網(wǎng)老化和設(shè)計(jì)不足，長(zhǎng)期受到水錘效應(yīng)和漏水問題的困擾。水泵啟動(dòng)或停止時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)壓力波動(dòng)往往引發(fā)嚴(yán)重的水錘現(xiàn)象，造成閥門密封失效甚至管道損壞，導(dǎo)致漏水率居高不下。傳統(tǒng)使用的普通止回閥在負(fù)壓環(huán)境中表現(xiàn)出密封性能差、壽命短的問題，進(jìn)一步加劇了供水系統(tǒng)的維護(hù)難度。為了解決這一系列問題，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)決定將傳統(tǒng)止回閥替換為耐負(fù)壓自控閥，同時(shí)，針對(duì)水錘效應(yīng)制定配套緩解策略，如安裝穩(wěn)壓罐以平衡壓力波動(dòng)。新閥門在流體力學(xué)優(yōu)化和材料性能提升方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，能夠在復(fù)雜壓力條件下保持穩(wěn)定運(yùn)行，減少水錘影響，并有效提升密封性能和耐久性。具體實(shí)施中，耐負(fù)壓自控閥被安裝在水泵出口和管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，根據(jù)優(yōu)化后的流道設(shè)計(jì)顯著降低了流體阻力，減少了管網(wǎng)壓力波動(dòng)的幅度。為了緩解水錘效應(yīng)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)同步安裝了穩(wěn)壓罐，幫助平衡管道中的瞬態(tài)壓力峰值，保護(hù)閥門和管網(wǎng)系統(tǒng)。在閥門運(yùn)行過程中，智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集管網(wǎng)內(nèi)的壓力變化數(shù)據(jù)，對(duì)負(fù)壓條件下的動(dòng)態(tài)密封性能進(jìn)行評(píng)估，保證閥門的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)過一年多的運(yùn)行測(cè)試，供水系統(tǒng)在密封性能、水錘防護(hù)和運(yùn)行成本方面取得了顯著改進(jìn)，詳細(xì)見表1。

由表1可得，水錘壓力峰值由原來的1.8 MPa降低至1.2 MPa，下降幅度達(dá)到33%；漏水率從3.2%降至0.2%，降低了約94%，極大減少了水資源浪費(fèi)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)供水效率；閥門的平均使用壽命由2.5年延長(zhǎng)至6年，增長(zhǎng)了140%，顯著降低了更換和維護(hù)的頻率；系統(tǒng)維護(hù)次數(shù)從每年4次減少至1次，減少了75%，大幅度降低了維護(hù)工作量和人員成本；綜合運(yùn)行成本從每年12.5萬元降至7.5萬元，節(jié)省了40%，體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益的顯著提升。這些數(shù)據(jù)表明，耐負(fù)壓自控閥及其配套策略在優(yōu)化供水系統(tǒng)中的重要作用，不僅提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率，還顯著降低了運(yùn)行和維護(hù)成本。

3" 結(jié)語

本研究圍繞耐負(fù)壓自控閥的性能優(yōu)化展開，從流體力學(xué)仿真、材料改進(jìn)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面進(jìn)行了深入分析，并結(jié)合供水系統(tǒng)的實(shí)際工況，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性。研究結(jié)果表明，優(yōu)化后的耐負(fù)壓自控閥在降低水錘效應(yīng)、減少漏水率以及延長(zhǎng)使用壽命方面具有顯著成效，同時(shí)展現(xiàn)了優(yōu)異的密封性能、穩(wěn)定性和適應(yīng)性，對(duì)復(fù)雜工況下供水系統(tǒng)的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性提升具有重要意義。未來研究可結(jié)合智能監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控與故障預(yù)警；推動(dòng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，提升閥門的兼容性與應(yīng)用便捷性；探索其在更多復(fù)雜工況和領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力，進(jìn)一步促進(jìn)供水系統(tǒng)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，為智慧城市建設(shè)提供堅(jiān)實(shí)支撐。

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