高压节流阀内部流场对冲蚀形貌的影响_王胜雷

高压节流阀内部流场对冲蚀形貌的影响 王胜雷 ,冯春宇 (西南石油大学 ,四川 成都 610500) 摘 要: 高压节流阀在高压、大流量环境下工作 ,高速流体对节流阀的笼套有剧烈的冲蚀作用。不同 的内部结构产生不同的内部流场 ,进而产生不同的冲蚀效果。 本文对 CAM ERON、 MSP /DRILEX、 MOKVELD三个国外厂家生产的节流阀进行内部流场分析 ,并与冲蚀后的节流阀实物对比 ,综合分析 三种节流阀的结构的合理性。 关键词: 节流阀;流场分析;冲蚀 中图分类号: TE974 + . 3 文献标识码: A 文章编号: 1006 7981( 2011) 08 0097 03 冲蚀磨损一般是指流体或固体颗粒以一定的速 度和角度对物体表面进行冲击 ,发生材料损耗的一 种现象或过程 1。机械行业经常出现冲蚀现象 ,成为 引起设备失效或材料破坏的重要原因之一。 高压节 流阀是用于高压大流量气田开采节流的特殊专用装 置 ,是塔里木油田克拉 2气田井口在用节流关键设 备。 克 拉2 从CAMERON、 MSP /DRILEX、 MOKVELD三个国外厂家购买节流阀。 节流阀的阀 套、外笼套、内笼套、柱塞使用的是高强度的碳化钨 材料 ,但在实际使用中 ,节流阀的阀套、外笼套、内笼 套、柱塞受到高速流体的冲蚀时 ,仍会在工作一段时 间后受到不同程度的冲蚀。 本文旨在从节流阀的内 部流场分析入手 ,同时结合失效的节流阀的冲蚀形 态 ,综合分析三种节流阀内部结构的合理性。 1 三种节流阀的内部结构 1. 1 CAMERON节流阀内部结构 图 1 CAM ERON节流阀剖视图 中对瓦斯气枪进行定期切换、控制瓦斯气炉前压力、 适当增大过剩空气系数等措施 ,对掺烧瓦斯气锅炉 结焦的预防有非常好的效果。 2. 2. 4 锅炉燃用瓦斯气含硫量的控制 按照本次技改设计 ,锅炉掺烧瓦斯气的 H2 S含 量必须 20ppm,呼石化、天野公司对瓦斯气 H2 S含 量的控制特别重视 ,每四小时进行一次分析 ,发现瓦 斯气中 H2S含量超过 20ppm时 ,瓦斯气退出掺烧 ,待 呼石化调整正常后重新投用。 2. 2. 5 锅炉掺烧瓦斯气的安全管理 基于瓦斯气中氢气含量较高且成份复杂 ,泄露 容易发生爆炸及人员中毒 ,日常运行中要特别注意 防漏 ,岗位人员巡检时 ,除用可燃气检测仪进行查 漏 ,还要用肥皂水 ,对法兰接口等连接部位进行重点 检查。 瓦斯气管道检修时用氮气置换 ,分析合格后开 始检修 ,作业时使用防爆工具。 2. 2. 6 掺烧瓦斯气对锅炉的影响 本次技术改造完成后 ,锅炉掺烧瓦斯气接近三 年 ,目前未发现锅炉掺烧瓦斯气带来的不利影响 ,对 锅炉受热管道、静电除尘器等设备是否有不利影响 , 有待长时间运行实践进一步证明。 3 锅炉掺烧瓦斯气技改结论 天野化工锅炉掺烧瓦斯气技术改造 ,经过接近 三年的实际运行证明 ,技改后经济效果明显 ,有效降 低了锅炉煤耗 ,达到了节能减排 ,降本增效的目的。 参考文献 1 攀泉桂 ,阎维平 . 锅炉原理 . 中国电力出版社 . 2 黄新元. 电站锅炉运行与燃烧调整. 中国电力 出版社. 97 2011年第 8期 内蒙古石油化工 收稿日期: 2011- 01- 11 图 1 、图 2 、图 3分 别为 CAMERON、 MSP / DRILEX、 MOKVELD三厂家生产的节流阀三维实 体图。其中 CAMERON节流阀和 MSP /DRILEX节 流阀为笼套式节流阀 ,阀套总成和内笼套总成为节 流部件。 MOKV ELD节流阀为柱塞式节流阀 ,柱塞 总成和外笼套为其节流部件。 节流部件和阀体一起 决定了节流阀内部的流道形状。 节流部件也是节流 阀中的冲蚀最严重的部件 ,需要定期更换。 2 流场分析 对节流阀的内部流道建模后 ,利用 ANSYS CFX软件对三种节流阀进行流场仿真 ,得出节流阀 内部流场的分布情况。 为了更好地还原节流阀工作时的内部流场情 况 ,使用现场节流阀工作时的实际参数作为 CFX软 件的仿真参数。 图 4 、图 5 、图 6为三种节流阀的内部 流线图。 图 4 CC50HP节流阀流线图 3 流场对冲蚀形貌的影响 由于结构的不同 ,气流在节流阀不同的位置流 线方向也不相同 ,在图 7中可以看到气流以速度较 大的速度从 CAMERON节流阀阀套、内笼套之间的 间隔流过 ,形成平行于内笼套表面的流线 ,此时气体 对节流阀的冲蚀主要体现为微切削 ,气流不断的冲 击节流阀表面 ,在节流阀表面形成犁沟状冲蚀。 在现 场失效的 CAMERON节流阀中 ,可以看到很多类似 的迹象。CAMERON节流阀的内笼套与阀套之的间 隔为 0. 5mm, MSP /DRILEX节流阀内笼套与阀套 之间的间隔为 0. 2mm,在 MSP /DRILEX节流阀的 内笼套上未形成犁沟状冲蚀 ,如图 12右图 ,说明减 小内笼套与阀套之间的间隔可以有效地阻止犁沟状 的冲蚀形成。 图 7 CAM ERON节流阀 XY平面流线及犁沟状冲蚀样品图 98内蒙古石油化工 2011年第 8期 在笼套式节流阀的内笼套外表面上 ,气流在达 到节流孔时 ,由于阀套的影响 ,气流主要沿内笼套的 轴向方向和内笼套周向方向进入节流孔。 当气体沿 内笼套周向环形流动后进入节流孔 ,在气流做周向 运动时 ,气流对内笼套表面造成周向的冲蚀 ,在上述 气流的影响下 ,节流阀内笼套表面就形成周向的沟 槽状冲蚀。 若在一段时间的周向冲蚀后可能造成内 笼套断裂 4。由于节流阀阀套不同位置的影响 ,导致 周向环状冲蚀的形态和程度都有所不同。 在实际中 , 外笼套式结构的节流阀均呈现周向环状冲蚀现象。 图 8 CC50HP节流阀 XZ平面流线及沟槽状冲蚀失效样品图 对于脆性材料颗粒的垂直入射角低于 15 时对 材料有剧烈冲蚀作用 2。 在图 9中的流线图可以看 出 ,大部分气流基本以平行于节流孔中心线方向进 入节流孔 ,气流在垂直于内笼套表面分速度可达 160m /s以上 ,对节流孔入口具有强烈冲蚀作用 ,导 致节流孔附近表面材料流失 ,在节流孔入口附近表 面生成小坑 ,小坑的生成形成了的构件表面不平度 , 表面的不平度导致流线出现更不均匀 ,即在天然气 进入或通过不平的表面时 ,产生涡旋运动 ,这样又加 剧构件不平表面的材料流失 ,久而久之 ,生成冲蚀形 状很不规则的蜂窝状的失效形态 3。在 CAM ERON 节流阀中这种冲蚀失效的形式普遍存在。 图 9 CAMERON节流阀XY平面流线及单孔冲蚀失效样品图 MOKVELD节流阀是柱塞式节流阀。 观察图 10 、图 11左图 ,气流是沿节流孔的各个方向上均匀 进入节流孔 ,各个方向受到均匀的微切削冲蚀磨损。 从现场 MOKV ELD节流阀损坏表面形态来看 ,节流 孔入口因为材料流失成喇叭状 ,如图 11右图。所以 , MOKVELD节流阀的失效形式主要为节流孔上各 个方向均匀的微切削冲蚀磨损。 观察图 12左图 ,气 流是以偏向左的方向进入节流孔 ,造成了笼套节流 孔处向左的冲蚀 ,如图 12右图。 4 结论 柱塞式节流阀的结构比笼套式节流的结构更合 理 ,柱塞式的结构能让气流从外笼套外表面的各个 方向进入节流孔 ,利于笼套的均匀冲蚀 ,进而可以延 长笼套的使用寿命。 内笼套与阀套之间的间隔要取得适当 ,当间隔 小于一定值时 ,能有效地阻止内笼套表面犁沟状冲 的形成。 参考文献 1 黄勇 ,施哲雄 ,蒋晓东. CFD在三通冲蚀磨损 研究中的应用 J. 化工装备技术 , 2005, 26 ( 1) ; 65 67. 2 陈冠国 ,褚秀萍 ,张宏亮等.关于冲蚀磨损问题 J.河北理工学院学报 , 1997,