球閥因具有全通徑、大流量、開關(guān)方便、流阻低等優(yōu)點而被廣泛用于石油化工、煤化工以及其他行業(yè)中,但這些行業(yè)工況通常比較苛刻,普遍存在高溫、高壓、有毒、有害、含固體顆粒以及二相流介質(zhì)等(特別是液固二相流)現(xiàn)象,極易對球閥密封結(jié)構(gòu)造成沖刷磨蝕,甚至失效。基于此,本文以金屬硬密封固定式球閥為研究對象,提出一種應(yīng)用液固二相流動理論對球閥不同啟閉角度下密封結(jié)構(gòu)磨蝕特性進行分析的方法,開展了液固二相流對球閥密封性能影響規(guī)律的數(shù)值模擬研究。本論文主要研究工作及相關(guān)結(jié)論如下:首先,通過對球閥密封結(jié)構(gòu)密封機理的分析,探討了球閥密封結(jié)構(gòu)參數(shù)對其密封性能的影響關(guān)系;同時,結(jié)合理論與實際工況推導(dǎo)出密封副上的密封比壓、許用比壓及必需比壓等計算公式,通過分析發(fā)現(xiàn)在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的的情況下,球閥受到密封面投影寬度的影響最大。其次,利用Solidworks和Fluent軟件分別建立了球閥密封結(jié)構(gòu)三維模型和不同啟閉角度下的液固二相流磨蝕模型;對球閥內(nèi)部不同開度(20%開度、40%開度、60%開度、80%開度)流場特性進行數(shù)值模擬仿真,得出球閥由關(guān)閉到逐步打開時閥門的內(nèi)部流場流動狀態(tài)。再次,應(yīng)用Fluent分析液固二相流流場,確定閥球外表面、閥腔以及閥座端面為閥門系統(tǒng)磨蝕最嚴(yán)重的三處區(qū)域;通過對比不同開啟角度下球閥磨蝕情況分布并進行計算分析,發(fā)現(xiàn)沖刷磨蝕會導(dǎo)致閥座端面表面材料流失,造成密封面投影寬度減小,從而使密封比壓增加,降低了球閥的密封性能。最后,針對由沖刷磨蝕造成的密封面投影寬度減小的問題,提出了一種閥座端面垂直閥球外表面的優(yōu)化設(shè)計方案;對優(yōu)化后的球閥進行有限元靜力學(xué)分析,得出球閥的等效應(yīng)力、位移的大小和分布;制作實物樣機,通過閥門試壓機和氮氣測漏儀對樣機進行檢測,結(jié)果表明所有檢測項目均符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn),驗證了球閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的合理性和正確性。綜上所述,本文對金屬硬密封固定式球閥密封性能進行了研究,應(yīng)用數(shù)值模擬仿真方法分析研究了液固二相流對球閥密封結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,并對球閥進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,從而提升其密封性能。
【學(xué)位單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TH134
【部分圖文】：

國制造質(zhì)量的提升，有的閥門還被遠(yuǎn)出口到世門中，目前金屬硬密封球閥（如圖 1.1 所示）優(yōu)點，例如密封性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)緊湊等，而被工產(chǎn)業(yè)、海上鉆井平臺、發(fā)電站以及冶金行業(yè)的要求是密切相關(guān)的，尤其是一些苛刻等特殊金屬硬密封球閥，從技術(shù)上來看，由于閥體、高的要求，加上表面噴涂硬化技術(shù)、零部件熱的發(fā)展，使得球閥的密封面具有著很高的硬度承受相當(dāng)高的使用溫度，或者減少流體介質(zhì)中來的損傷[4]。常見的對球閥密封性能有著特別要溫、高壓或著夾雜著固體顆粒等環(huán)境中，選擇器件的情況居多[5]。

液固二相流對球閥密封性影響的數(shù)值模擬研究結(jié)構(gòu)如圖 1.2 所示，包含的零部件主要有閥體、閥座一個開設(shè)有通孔的球體作為啟閉件，通過互相配合，在閥體內(nèi)實現(xiàn)轉(zhuǎn)動不同角度的效果，以此完成閥門的工程應(yīng)用中球閥操作簡單方便，并且具有很好的流量際中，雖然對球閥的設(shè)計有著科學(xué)的理論依據(jù)，但是達(dá)不到預(yù)期效果，尤其是在苛刻工況下工作的球閥，，因此有必要對球閥進行苛刻工況環(huán)境下的密封性能

在苛刻工況下常見的球閥密封部件損壞情況如圖1.3 所示�？量坦r中多包含液固二相流介質(zhì)，其對閥座和閥球造成沖刷磨蝕從而導(dǎo)致密封失效，如圖 1.3 (a)為閥座表面損壞、圖 1.3 (b)為閥球表面損壞。雖然針對不同使用工況下的球閥當(dāng)前會有一些結(jié)構(gòu)改造設(shè)計或者對其制造加工工藝進行優(yōu)化改進，但是此類方法缺少對密封機理進行分析，所以達(dá)到的效果不是很理想[6]。傳統(tǒng)的設(shè)計與改進方法一般是先對球閥結(jié)構(gòu)進行分析，再到理論的計算，最后通過制作樣機進行驗證等，其設(shè)計周期較長，且消耗大量人力物力，已經(jīng)跟不上科技發(fā)展的腳步，且對其在使用過程中遇到的泄漏、失效等問題無法科學(xué)的做出解釋，這就使得計算機輔助制造技術(shù)在閥門行業(yè)得到運用[7]。
【參考文獻(xiàn)】

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3 湯丹;王建新;;鈷基合金在閥門密封面上的應(yīng)用[J];閥門;2012年05期

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本文編號：2835480