节流阀流量特性曲线求解方法

　　建立了节流阀整体有限元数字模型，分析了节流阀的流量特性，进行了不同开度下的流场网格划分及边界条件施加和求解，绘制了流量特性曲线，形成了关于节流阀流量特性求解的一般方法。

　　节流阀是通过改变节流截面积控制流体流量的阀门，其主要由阀体、阀盖、阀杆和阀瓣等零部件组成。阀门的节流元件阀瓣多为圆锥流线型，通过改变阀门的节流面积达到调节流量和压力。随着有限元软件的发展，为节流阀阀瓣节流面设计带来了更精确的方法，同时通过有限元求解对阀门不同开度下的流量进行整合分析得到节流阀流量特性曲线，从而可以直观的反应该阀门的流量调节性能，满足客户的使用要求。

　　应用Solidworks软件对节流阀进行整体有限元数模建立，通过Solidworks Flowworks对节流阀进行了不同开度下的流量测定。

　　2.1、数学模型

　　在Solidworks软件中，应用拉伸和旋转等实体命令，建立实体模型，再应用装配模块对各零部件进行装配(图1) 。

　　图1 阀门数学模型

　　2.2、网格划分

　　将建立的立体数学模型，导入到Solidworks Flowworks模块中，对其进行流场网格划分，分别对节流阀阀瓣开启高度h 为4.5mm (图2) 、9mm、13.5mm、18mm、22.5mm、27mm、31.5mm、36mm、40.5mm 和45mm 的节流阀流场网格划分。

　　图2 阀瓣开启4.5mm 时节流阀流场网格

　　2.3、边界条件加载

　　边界条件是确定分析初始状态，设定内部流体为水，阀前设置流量为3m3/h，温度为室温，试验压力为6kPa。

　　2.4、求解

　　应用Solidworks Flowworks 求解器对节流阀不同开度下的流场进行求解，从分析结构可以发现，当开度为4.5mm 时，阀瓣与阀座附近最大流速为14.5m/s，流量为0.399t/h，阀瓣与阀座局部流体阻力很大，阀后流速很小，真空技术网（认为随着阀瓣开启高度的提高，阀后流速增加，流量增加，阀瓣与阀座局部阻力降低(图3～图7) 。

　　图3 阀瓣开启高度为4. 5mm 的流场分布

　　图4 阀瓣开启高度为9mm 的流场分布

　　图5 阀瓣开启高度为22. 5mm 的流场分布

　　图6 阀瓣开启高度为36mm 的流场分布

　　图7 阀瓣开启高度为45mm 的流场分布

　　根据节流阀的流量调节情况，节流阀从全开～全关阀瓣不同开度下的流场分析结果可以求解出阀瓣节流后的流量及压差(表1) 。根据计算数据绘制的流量特性曲线(图8) 可以发现，该节流阀流量特性属于等百分比调节。

　　表1 节流阀开度和流量特性

　　图8 流量特性曲线

　　通过对节流阀流量特性曲线的有限元分析，确定了流量特性曲线的一般分析方法，为阀门优化设计给出了改进方向，大幅缩短了研发周期。

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　　真空阀门：

　　介绍了我国煤直接液化示范工程的工艺流程及其阀门的使用现状。分析了在煤直接液化工况系统中阀门的磨损失效形式以及表面硬化工艺的分类和作用。给出了阀门表面激光熔覆和火焰重熔硬化工艺的对比分析过程和研究结果。

　　1、概述

　　煤直接液化工程的建设，可以充分利用我国的“富煤”优势，促进我国能源结构的多元化发展。煤直接液化由于工艺特点，决定了其整套系统经受着严峻的考验。国内的百万吨级煤直接液化示范工程自投产以来，关键设备和管线一直面临着磨损失效问题。经过国内外科研院所和各大公司的科技攻关和技术改造，整套系统的运行已相对稳定。阀门作为其中的重要设备，其使用寿命关联着系统的安全性，而耐磨阀门的表面硬化方法和材料的选择，又直接影响着阀门的性能和工作寿命。

　　2、工况分析

　　煤炭液化技术是将固体煤炭经化学加工转化成液体燃料、化学品或化工原料的一种先进清洁煤技术。其有两种不同的技术路线，包括直接液化和间接液化。其中煤炭直接液化是在高温、高压条件下，使煤粉在催化剂和溶剂的作用下进行加氢裂解，直接转换成液体燃料，通过进一步加工精制成柴油、汽油、航空煤油等的工艺过程。其有着热效率高、液体产品收率高的特点，但是其工艺过程的操作条件相对严格。

　　目前国内煤直接液化技术是在HTI 工艺的基础上进行优化改进的，其工艺流程如图1所示。煤液化工艺主要分为煤浆制备工段、反应段和分馏段三个工段。煤浆制备工段主要是将原煤加工成200μm 以下的煤粉，将煤粉与供氢溶剂混捏，然后促使油煤浆与催化剂混合，接着通过泵将混合之后的油煤浆输送至反应系统。反应工段则是在一定的温度、压力条件下，在催化剂的作用下，煤浆与供氢溶剂和氢气进行反应，反应器底部设有循环泵，通过循环泵将没有充分反应的油煤浆重新输送至反应器继续反应，以提高反应效率。分馏段主要是回收所有流出液体输送至T-STAR单元，并将反应后的残渣排出。

　　图1 煤直接液化工艺流程

　　3、阀门现状

　　3.1、失效原因

　　煤直接液化从煤浆制备到残渣分离，整个系统过程中都充满了煤粉、催化剂颗粒、矿物质等固体颗粒。这些颗粒物形成的含固多相流使得处于高温、高压差状态下的阀门所面临的流动磨损问题十分严重。在摩擦学中，磨损的定义为材料表面相互机械作用或液体、含固多相流、固体颗粒等对材料的冲蚀作用使得原始材料从基材表面脱离的过程。真空技术网（认为在煤直接液化工艺中阀门的磨损类型主要包括高速冲蚀磨损、摩擦磨损、空蚀和液固低速磨损。

　　图2 调节阀阀芯冲蚀磨损

　　5、结语

　　(1) 煤直接液化装置设计时，应充分考虑整套系统的结构特点，合理布置相应功能的阀门。针对阀门出现的磨损、空蚀失效问题，应从阀门结构设计上，防止空蚀问题的产生；对阀门内部易受介质冲蚀磨损的部位进行表面硬化处理，提高阀门的抗磨损能力。

　　(2) 提高阀门控制器与执行机构的精度，确保阀门在启闭、调节过程中，截流件能够启闭到位，从而避免因启闭不到位而产生的磨损失效问题。

　　(3) 激光熔覆工艺试验中，基体、熔覆层显示清楚，界面处成分有梯度，无夹渣、无微观裂纹，两者呈冶金结合。激光熔覆层WC含量高于55%，硬度达65HRC以上，WC 颗粒分布均匀。火焰重熔的熔覆层WC 含量约为40%，硬度达65HRC以上，其中部分WC颗粒存在团聚现象。

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　　介绍了一种用于易结焦或颗粒状介质的管路和阀门等进行自动清洗的装置，论述了阀门体腔冲洗的过程及自动控制的方法。

　　在石油炼制过程中，如催化裂化、催化重整和加氢等装置中的石油介质，粘度高，温度高。如果阀门长时间处于开启或关闭状态，阀腔内的介质易结焦卡塞阀瓣，使阀门失去作用。在电厂的灰渣管道排放系统以及化工生产具有结晶的液体系统中，用于管道启闭作用的双阀座阀门，由于体腔的封闭作用，使阀门在启闭过程中，双阀座体腔中的灰浆或化学结晶物质沉淀，阻碍阀门开关。为了确保生产安全稳定的进行，设计了阀门体腔自动冲洗装置。

　　阀门体腔自动冲洗装置(图1) 主要由电磁阀、自动计数器(可取电动头的常开微动开关) 和电气控制箱等组成。电磁阀的额定压力2.0MPa，电压220V，适应温度<120℃。电磁阀的进口和出口反接，防止阀门在启闭过程中工作介质(灰浆水、高粘度液体或混浊液体) 进入电磁阀，使电磁阀出现反流。电磁阀应处于常闭状态。冲洗装置的电气控制部分由自动开关(过电压、过热保护) 、保险器(也可用5A 的自动开关替换) 、时间继电器、接触器和电磁阀等组成(图2) 。

　　图1 球阀体腔冲洗原理

　　图2 冲洗装置电气工作原理

　　阀门体腔自动冲洗控制系统是利用阀门启闭后，两阀座之间形成独立密封的体腔。真空技术网(认为在阀门体腔的顶部接入由电磁阀控制的冲洗液体管路，对阀门体腔内的工作介质进行置换，实现对阀门体腔的冲洗。

　　当阀门开启时，开关K1断开，阀门体腔流入工作介质。球体转到90°位置，开关K2闭合。时间继电器有信号开始计时，触点JS闭合。接触器有信号触点C闭合，电磁阀开启，冲洗水从阀门顶部电磁阀流入，从阀门的底部电磁阀流出，实现对阀门体腔的冲洗。冲洗达到设定的时间，时间继电器，触点JS断开，接触器线圈无信号，触点C断开，电磁阀线圈无信号，电磁阀关闭，阀门体腔的冲洗完成。当阀门关闭时，开关K2断开，阀门体腔流入工作介质。球体转回到0°位置，开关K1闭合。

　　时间继电器有信号开始计时，触点JS闭合，接触器有信号触点C闭合，电磁阀开启，冲洗水从阀门顶部的电磁阀进入，从阀门下部的电磁阀流出，实现对阀门体腔的冲洗。冲洗达到设定的时间，时间继电器触点断开，接触器线圈无信号，触点C断开，无信号电磁阀关闭，阀门体腔冲洗完成。阀门启闭全过程中，阀门共有2次冲洗。

　　具有体腔冲洗功能的阀门，适用于水、蒸汽、烟气、油品或雾状、粉未状、颗粒状、结晶及结焦等介质的管路，可以延长阀门使用寿命，减小阀门的启闭力矩，保证生产的安全稳定连续运行。

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　　利用计算流体力学软件对安全壳废水排放系统管道及蝶阀的固体杂质颗粒冲蚀问题进行了模拟分析，跟踪了粒子的运动轨迹，计算得到了在不同流速下固体颗粒对管道及阀门的冲蚀情况，确定了受侵蚀严重的部位。

　　1、概述

　　压水堆(PWR) 核电站在长期运行以后，安全壳地坑中会聚集一定量的含有固体颗粒的放射性废水，当地坑废水液位升至规定值时需启动废水排放系统对其排放。排放的废水进入排放管节流件如阀门的腔室、阀座或阀芯等处时，由于截流作用流固混合物会对阀腔产生冲蚀，进而影响阀门部件的寿命。废水排放系统设计时，节流件的选择、系统流速的选择、都将影响阀门的使用寿命。因此，真空技术网(认为在确定系统参数时有必要对潜在发生固体颗粒冲蚀的管路系统进行分析评价。

　　本文利用计算流体力学(CFD) 软件对PWR 安全壳废水排放系统带有蝶阀的圆管内固体颗粒冲蚀问题进行了模拟，为管路系统的优化设计提供参考。

　　2、计算模型及边界条件

　　计算模型是一个带有蝶阀的管路，管道内径D=81mm，管道长度L=8000mm，蝶阀位于管道的中部位置。由于模型的对称特殊性，在计算中对模型进行了简化，沿模型的一半作为计算模型(图1) 。

　　图1 分析模型

　　管道入口为速度入口边界，固液两相均以恒定的初始速度进入流场，湍流强度为5%。假定排放管路的3 个初始速度分别为w=5m/s、w=2.5m/s和w=1m/s。

　　4、结语

　　通过对模拟数据的处理分析，确定了带有蝶阀的管路中，在管内为固液两相流动时，固体粒子与边界碰撞最激烈的部位是阀门出口的蝶板边缘及与蝶板相垂直的管壁。当流速为5m/s 时，阀门出口的管道及蝶板上冲蚀现象很明显。当速度降低时，冲蚀现象会随之降低。建议废水排放管路流速应控制在1m/s 以内。输送流固混合物的工艺系统阀门受冲蚀现象不可避免，建议阀门设计时，考虑在蝶板边缘采用适当的抗磨损材料。

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　　介绍了超低温闸阀阀盖长颈部分采用承插焊连接的结构特点、尺寸和材料，提出了焊缝的检测方法。

　　超低温闸阀的加长阀盖一般采用焊接结构，其焊缝质量影响阀门的整体可靠性能。本文探讨了选择合适的无损检测方法检测阀门结构内部及表面缺陷，将无损检测结果与破坏性检测结果综合考虑，对焊缝质量作出准确的评价。

　　超低温闸阀阀盖的长颈部分大多采用与本体材质相同的无缝钢管焊接到阀盖或填料箱上。若焊接采用对焊方式(图1) ，为保证同轴度，对焊处需要先设计成承插端(图1靠近上密封座位置) ，然后焊接。

　　图1 长颈对焊焊缝

　　焊后须将承插端除去，加工上密封座。由于这种阀盖焊接后总高度较高，去除原来承插焊的部位比较困难。如果承插端的壁厚设计较薄，将导致焊接变形，无法保证上下两零件的同轴度。而且焊后需要加工清理部分与上密封面很近，容易划伤上密封面。若焊接采用承插焊结构(图2) ，其承插壁较厚，上密封离焊缝位置较远，降低了焊接对上密封及填料处的影响。真空技术网(认为在承插焊缝底留有3 ～5 mm 的空间，方便焊条伸入底部焊接。

　　图2 长颈承插焊焊缝

　　超低温闸阀阀盖材料选用奥氏体不锈钢，其承插焊形成的是角焊缝。焊缝表面质量采用渗透检测，焊缝根部质量采用射线检测和宏观腐蚀检测。

　　3.1、表面质量

　　焊缝表面采用JB/T 4730.5规定的方法检测。首先，将受检焊缝清洗干净，将渗透剂刷涂在焊缝表面，使其渗入到试件表面有开口的缺陷缝隙内，保持10min，擦拭去除多余的渗透剂。喷洒清洗剂，用蒸发的方法去除清洗剂。然后将试件表面擦拭干净，喷以显像剂，保持10min。在白光强度大于或等于1000LX下进行缺陷评定。按JB/T 4730.5的验收标准，未发现线性缺陷，并且在规定评定框内圆形缺陷为3 个(图3) ，确认评定为PT II级。最后用水清洗焊缝表面。

　　图3 焊缝渗透检测结果

　　3.2、内部质量

　　制取承插焊接样块(图4)，选择相隔120°从B向和C 向分别进行双壁双影透照，从A向垂直进行双壁单影透照。采用Ir -192射线，胶片尺寸为150mm× 80mm，像质计布置在源侧，增感屏前屏和后屏均采用0.15mm，焦距500mm，按照JB/T4730.2的验收规定，将图5 中底片对比评定，评定范围内黑度控制在2.0 ～4.0之间。曝光6 min后评片，均未发现气孔、夹渣和缩松等缺陷。

　　3.3、宏观质量

　　射线检测结束后，将焊缝切开，按GB 226钢的低倍组织及缺陷酸蚀检测的要求，将断面磨光，在符合标准规定酸比例的腐蚀剂中将试样保持60min，目视观察焊缝金属、融合线和热影响区的横断面未发现裂纹、未焊透、夹渣等焊接缺陷(图6)。

　　图4 三个方向的RT 测试

　　图5 射线检测底片

　　图6 腐蚀试验后的宏观检验

　　对超低温阀门长颈部分的承插焊缝逐件进行渗透检测，抽样制取试件进行射线检测，并对试件进行破坏性检测，验证了检测和试验结果的准确性，为超低温闸阀整体的可靠性提供了保证。

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